秦鵬飛

摘要：土工測試和土力學試驗在土力學學科的形成、發(fā)展中具有重要地位，土力學學科發(fā)展必須將理論和實驗緊密結(jié)合起來。文章簡要分析和總結(jié)了土的基本物理性質(zhì)試驗、直剪試驗、三軸壓縮試驗、共振柱試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗等室內(nèi)試驗，以及靜載荷試驗、標準貫入試驗、靜動力觸探試驗、旁壓試驗和十字板剪切試驗等現(xiàn)場試驗的試驗方法及其工程應用情況，闡述了土工試驗的重要意義。

關(guān)鍵詞：土工試驗;室內(nèi)試驗;現(xiàn)場試驗;應用研究

中圖分類號：G6420;TU22文獻標志碼：A文章編號：1005-2909（2018）06-0137-06

著名巖土工程專家沈珠江院士指出，試驗土力學是現(xiàn)代土力學的一個重要分支[1-2]。土工測試和土力學試驗在土力學學科的形成和發(fā)展過程中具有重要地位，土力學的發(fā)展必須將理論和實驗緊密結(jié)合。土工試驗不可替代的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是土是顆粒性、碎散性的不連續(xù)介質(zhì)，只有通過試驗才能揭示這種材料特有的力學性質(zhì);二是土力學試驗作為土力學科學研究的重要環(huán)節(jié)，是驗證各種理論正確性和實用性的主要手段，也是確定工程設計參數(shù)的基本方法;三是只有通過室內(nèi)或現(xiàn)場土工試驗，才能揭示出不同固結(jié)狀態(tài)、不同組成成分土的不同力學性質(zhì)，對于濕陷性黃土、多年凍土等特殊土，以及非飽和土和人工復合土等尤為重要;四是土工離心模型試驗、足尺試驗及現(xiàn)場原位測試試驗等可直接為土木工程建設服務，同時也是開展數(shù)值計算反算和實現(xiàn)信息化施工的依據(jù)。所以，土力學的研究和土工實踐從來都不能脫離土工試驗，土力學相關(guān)理論的發(fā)展進步必須緊密依托功能日益強大和完善的土工測試技術(shù)。

一、土工室內(nèi)試驗

土工室內(nèi)試驗是在土工實驗室開展完成的試驗，一般為常規(guī)測試性試驗，主要包括土的基本物理性質(zhì)試驗、擊實試驗、液塑限聯(lián)合測定試驗、直剪試驗、靜動三軸壓縮試驗、空心扭剪試驗、共振柱試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗等。土工室內(nèi)試驗為工程技術(shù)人員開展土工測試，從而深入理解土工特性及規(guī)律創(chuàng)造了重要條件。

（一）土的基本物理性質(zhì)試驗

土的基本物理力學性質(zhì)試驗主要是為了測定土的天然密度、孔隙比、含水率等基本物理指標而開展的試驗。土的天然密度采用環(huán)刀法測定，含水率采用烘干法測定，而孔隙比則根據(jù)相對密度、天然密度和含水率換算而定。

（二）直剪試驗

直剪試驗是簡捷測定土體抗剪強度的試驗，是一種重要的土工室內(nèi)試驗。常用的直剪儀分為應變控制式和應力控制式兩種。應變控制式直剪試驗在操作過程中，通過緩慢推動剪切盒下盒，使試樣產(chǎn)生水平位移，并測定剪切應變以計算土的抗剪強度;應力控制式則是對試樣分級施加水平力，使土樣產(chǎn)生剪切位移，從而測定土的抗剪強度。應變控制式操作方法能較準確地測出剪切強度的變化規(guī)律，應力控制式則有較大困難，因而《土工試驗方法標準》推薦采用應變控制式測定土體的抗剪強度[3-5]（圖1）。

直剪試驗的測試結(jié)果可以為次要的、一般性的工程建設提供有效可靠的指導。但若工程的重要性巨大、技術(shù)復雜，則不能簡單依賴直剪試驗所得的試驗指標，此時應對測試技術(shù)提出更高要求。這是由于直剪試驗存在一定的局限性：試樣的剪切面并不是土體受力最薄弱的平面，受力面積在剪切過程中不斷發(fā)生變化;剪應力、剪應變分布不均勻;不能嚴格控制排水條件，不能測得孔隙水壓力。

（三）三軸壓縮試驗

三軸壓縮試驗是土工實驗室內(nèi)設施相對完善、功能相對齊全的試驗，且應力條件比較復合明確和均勻，可以控制排水條件和測量孔隙水壓力，同時還可以進行多種應力組合試驗。根據(jù)土樣固結(jié)排水所要求的不同條件，三軸試驗可分為不固結(jié)不排水剪（UU試驗）、固結(jié)不排水剪（CU試驗）、固結(jié)排水剪（CD試驗）三種基本方法[6-7]。

三軸壓縮試驗為土工技術(shù)的發(fā)展進步作出了很大貢獻，但仍然不是完美無缺的技術(shù)。從受力狀態(tài)方面考慮，實際地基土處于三向應力狀態(tài)，而受測試樣則處于軸對稱應力狀態(tài)，因此無法考慮中主應力和初始固結(jié)主應力方向角等因素的影響。許多科研單位與高校的同行對三軸試驗儀器的改進、研制及開發(fā)作出了很大努力，研制出了一批新型三軸試驗設備。如鄭州建筑研究院地基所開發(fā)研制出能自動控制應力路徑的多功能三軸儀，同濟大學參考國內(nèi)外相關(guān)三軸測試技術(shù)研制出一種K0固結(jié)真三軸儀，西安理工大學開發(fā)拉壓與扭剪功能研制出雙向三軸儀，河海大學與日本等國外技術(shù)專家合作共同研制了一種新型的多功能靜動三軸儀，香港理工大學設計和改進了一種新的雙室三軸儀。

（四）共振柱試驗

共振柱試驗是一種利用振動波在試樣中傳播的特性來測定試樣的模量及阻尼比的土工實驗。共振柱儀的基本原理是在一定濕度、密度和應力條件下的圓柱或圓筒形土樣上，以不同頻率施加縱向激振或扭轉(zhuǎn)激振，使土樣扭轉(zhuǎn)向振動或縱向振動，測定其共振頻率，以確定彈性波在土樣中傳播的速度，再切斷動力測記出振動衰減曲線。根據(jù)這個共振頻率和土樣的幾何尺寸，計算土樣動模量Gd或Ed ， 根據(jù)衰減曲線計算阻尼比λ。

（五）動三軸試驗

動三軸測試技術(shù)在動三軸儀中測試完成，其與靜三軸測試技術(shù)的區(qū)別在于軸向采用周期動荷載。動三軸測試儀由三個部分組成：壓力室及加壓系統(tǒng);激振器及激振系統(tǒng);量測試件動應力、動應變和動孔壓的量測裝置。根據(jù)軸向周期動荷載施加方式的不同，常見的動三軸儀分作電磁激振式、液壓式和氣動激振式等。實驗操作過程中圓柱形試件受軸向動荷載作用而發(fā)生豎向振動，或豎向與側(cè)向雙向振動，孔壓和應力應變量測裝置可以對試樣的孔隙水壓力及動應力、動應變等參數(shù)進行量測，用以判定土樣液化可能性，并進行其他土動力學特征的相關(guān)研究[8-9]。

20世紀七八十年代中國水利水電科學研究院等國內(nèi)相關(guān)科研院所采用動三軸儀對砂土的動力特性進行了研究，取得了系統(tǒng)的研究成果。國內(nèi)高校和其他科研院所紛紛借鑒效仿，極大地推動了動三軸儀測試技術(shù)在土動力特性教學和科研試驗中的應用。

（六）無側(cè)限抗壓強度試驗

無側(cè)限抗壓強度試驗是使試樣處在無側(cè)限的狀態(tài)和條件下開展的試驗。試驗時直接在試樣頂部施加軸向壓力直至試樣破壞，從而確定土體的抗剪強度。無側(cè)限抗壓強度試驗較三軸壓縮試驗更簡便快捷。

二、現(xiàn)場試驗

在施工現(xiàn)場或野外開展的試驗一般為現(xiàn)場試驗，主要有靜載荷試驗、標準貫入試驗、靜動力觸探試驗和十字板剪切試驗等?，F(xiàn)場測試試驗同樣是重要的土工測試技術(shù)，它可以彌補室內(nèi)試驗測試結(jié)果的不足，同時它還是工程勘察、地基承載力檢測的重要方法和手段。

（一）靜載荷試驗

靜載荷試驗是檢測地基承載力大小的一種現(xiàn)場測試技術(shù)。試驗過程中通過圓形或方形承壓板逐級對地基緩慢施加荷載，用以模擬建筑物產(chǎn)生的實際基底壓力p，并同時記錄各級荷載所產(chǎn)生的地基沉降量s。通過對p-s關(guān)系曲線的分析整理，結(jié)合彈性理論公式便可求得土的變形模量和地基承載力（圖2）。靜載荷試驗適用于砂土、粉土、黏性土地基及各種復合地基的承載力檢測[10-12]。

地基檢測中常用的靜載荷試驗主要有淺層平板載荷試驗、深層平板載荷試驗、巖基載荷試驗、復合地基載荷試驗、樁（墩）基載荷試驗和錨桿（樁）試驗。根據(jù)加載方式的不同可采用豎向抗壓試驗、豎向抗拔試驗和水平載荷試驗。靜載荷試驗能夠比較準確地反映建筑物地基受荷產(chǎn)生沉降變形直至破壞的全過程，試驗結(jié)果真實、準確、可靠，已被工程界普遍認可和接受，并被列入各國地基承載力檢測的規(guī)范或規(guī)定中。

（二）靜動力觸探試驗

靜力觸探（CPT）是通過一定的機械裝置，利用準靜力將標準規(guī)格的金屬探頭垂直均勻地壓入土中，從而測定土層阻力和地基承載力的原位測試技術(shù)。測試過程中金屬探頭由于受到土層的阻力而產(chǎn)生一定的壓力，其大小與土的強度成正比。測試裝置的金屬探頭內(nèi)置有電子傳感器，可以將土層的阻力轉(zhuǎn)換為電訊號，由儀表測量并顯示出來。根據(jù)需要還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和靜力觸探曲線的自動繪制。靜力觸探試驗數(shù)據(jù)可用于土層分類、承載力的確定、土的變形性質(zhì)指標和單樁承載力估算，以及粉、砂土的液化判別等。

動力觸探（DPT）是利用一定的錘擊能量，將一定規(guī)格的探頭打人土中，按貫入的難易程度來評價土的力學性質(zhì)。對難以取樣的碎石類土及靜力觸探難以貫人的土層，動力觸探是十分有效的測試手段。

（三）標準貫入試驗

標準貫入試驗（SPT試驗）是地基液化判別和工程地質(zhì)勘察中廣泛采用的一種原位測試技術(shù)[13-15]，試驗設備主要有標準貫入器、觸探桿和穿心錘等三部分。試驗操作時令質(zhì)量為63.5 kg的穿心錘沿導桿自由下落，將貫入器擊入土中。貫入器入土深度自150 mm至300 mm所需要的錘擊數(shù)稱為標貫錘擊數(shù)，用以評定砂土的密實度和粘性土的強度、變形模量及液化可能性。

標準貫入試驗在巖土工程勘察和地基處理中還可作為砂土分類和確定砂土地基承載力的參考依據(jù)，對鉆探不易取樣的砂土和砂質(zhì)粉土進行物理、力學性質(zhì)的評定具有獨特的意義。

（四）旁壓試驗

旁壓實驗是一種鉆孔橫向載荷實驗，是工程地質(zhì)勘察和公路工程等建設中常用的現(xiàn)場測試技術(shù)，常分為預鉆式、自鉆式和壓入式三種。試驗過程中通過施壓使旁壓器產(chǎn)生膨脹，旁壓膜則將膨脹壓力傳給鉆孔周圍的土體，連續(xù)施壓直至土體發(fā)生破壞。根據(jù)測得的膨脹壓力與土體變形之間的關(guān)系，可以繪制應力-應變（或鉆孔體積增量、或徑向位移）關(guān)系曲線，從而實現(xiàn)對所測土體的承載力、變形性質(zhì)等性能的評價[16-18]。

旁壓試驗測試技術(shù)20世紀30年代由德國工程師Kogler發(fā)明，之后迅速在各國推廣使用。旁壓試驗的主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：一是實用性大。旁壓試驗可同時評定地基土的強度和變形兩種性能，測試結(jié)果能直接反映承載力fa、旁壓模量Em、初始壓力P0、臨塑壓力Pf、極限壓力PL以及側(cè)向基床反力系數(shù)Kh等參數(shù)的大小。二是適用性廣。旁壓試驗在卵石土、碎石土、粗砂土、粉土、黏性土以及軟巖和極軟巖等地基中均有廣泛應用，而且測試結(jié)果不受地下水的影響，最大測試深度可達20～30 m深。三是可操作性強。旁壓試驗投入機械設備少，操作簡單、靈活。

（五）十字板剪切試驗

十字板剪切試驗是測定飽和軟粘土的不排水抗剪強度及靈敏度等參數(shù)的現(xiàn)場測試試驗。試驗所測得的抗剪強度值，相當于天然土層在試驗深度處原位固結(jié)壓力下的不排水抗剪強度。試驗時通過施加外力將十字板壓入一定深度的軟黏土中，并通過對板架施加扭矩，使十字板在土中緩慢等速旋轉(zhuǎn)一周，形成一個圓柱形的土體破壞面，見圖3所示。根據(jù)圓柱體表面抵抗力矩的大小，可以換算出土的抗剪強度[19-21]。

十字板剪切試驗不需要采集土樣，能最大限度地保持軟粘土的天然應力狀態(tài)和原狀結(jié)構(gòu)，測試結(jié)果具有較高的準確度和代表性，是一種推廣價值較高的現(xiàn)場原位測試技術(shù)。研究人員通過對現(xiàn)場測試和室內(nèi)測試的結(jié)果進行對比分析發(fā)現(xiàn)，十字板剪切試驗所得的抗剪強度普遍高于三軸壓縮試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗等室內(nèi)試驗所得的抗剪強度，其幅度高達10%～30%。就目前土工測試技術(shù)的發(fā)展水平，采用十字板剪切試驗評價飽和軟土的強度特性具有其他方法無法比擬的優(yōu)點。

三、結(jié)語

土工測試和土力學試驗在土力學學科的形成和發(fā)展過程中有著重要的地位，土力學的發(fā)展必須將理論和實驗緊密結(jié)合起來。本文系統(tǒng)分析和總結(jié)了土的基本物理性質(zhì)試驗、直剪試驗、三軸壓縮試驗、共振柱試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗等室內(nèi)試驗，以及靜載荷試驗、標準貫入試驗、靜動力觸探試驗、旁壓試驗和十字板剪切試驗等現(xiàn)場試驗的試驗方法，為土工技術(shù)人員從事相關(guān)測試研究提供參考和借鑒。

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