吳 靜 徐清揚(yáng) 夏如月

(中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100053)

0 引言

土工試驗(yàn)是工程勘察重要組成部分，通過(guò)查明土的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和其他性質(zhì)，為勘察報(bào)告提供準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為確定地基承載力、基坑開(kāi)挖和降水設(shè)計(jì)、邊坡設(shè)計(jì)提供依據(jù)。土工試驗(yàn)為工程勘察、設(shè)計(jì)、施工提供必要的土層實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)性將直接影響工程的質(zhì)量以及應(yīng)用安全性。

1 土工基本試驗(yàn)指標(biāo)

為勘察工作出具一份標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)成果報(bào)告，每個(gè)步驟都很重要，應(yīng)嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，一旦出現(xiàn)偏差，都會(huì)對(duì)后面的試驗(yàn)造成影響[1]。本文對(duì)一些常見(jiàn)的試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，并分析各類土工試驗(yàn)指標(biāo)的影響因素。

在土工試驗(yàn)中，直接測(cè)定的基本物理性質(zhì)指標(biāo)包括：含水率、比重、密度、液限、塑限；計(jì)算求得的基本物理性質(zhì)指標(biāo)包括：干密度、天然孔隙比、飽和度、塑性指數(shù)、液性指數(shù)；土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)包括：壓縮系數(shù)、壓縮模量、抗剪強(qiáng)度等?；驹囼?yàn)操作流程如圖1所示。

圖1 基本試驗(yàn)操作流程

2 基本試驗(yàn)操作過(guò)程及影響因素

2．1 含水率試驗(yàn)

土的含水率是土的基本物理指標(biāo)之一，它反映了土的物理狀態(tài)，其變化將使土的一系列力學(xué)性質(zhì)隨之而異，是計(jì)算干密度、孔隙比、飽和度等指標(biāo)的基本依據(jù)，是評(píng)價(jià)土的工程性質(zhì)、檢測(cè)建筑施工質(zhì)量的重要指標(biāo)。

含水率試驗(yàn)主要以烘干法為主，烘干法精度高，應(yīng)用廣，穩(wěn)定性好。取代表性試樣15～30 g，黏性土、粉土在105～110 ℃溫度下烘干時(shí)間不少于8 h，砂類土不少于6 h，對(duì)有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)干土質(zhì)量5%以及含石膏或者硫酸鹽時(shí)應(yīng)控制溫度在65～70 ℃[2]。

對(duì)含水率試驗(yàn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響的因素有：①樣品運(yùn)輸途中由于各種原因造成的水分流失；②試樣的選取不均勻或者試樣太少；③稱取含量時(shí)天平的誤差；④烘箱溫度的設(shè)定誤差;⑤試樣受到高溫烘烤，本身化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。

2．2 密度試驗(yàn)

測(cè)定土的密度，可用來(lái)計(jì)算土的干密度、孔隙比、孔隙率、飽和度等。

密度試驗(yàn)有環(huán)刀法、蠟封法、密度濕度計(jì)法和灌砂法等。主要以環(huán)刀法為主，密度試驗(yàn)須進(jìn)行兩次平行測(cè)定，兩次測(cè)定的差值均不得大于0．03 g/cm3，取兩次測(cè)定的平均值。

環(huán)刀法是使用環(huán)刀直接壓入土樣里，所以土樣的結(jié)構(gòu)得到很好的保存，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)出的數(shù)據(jù)可以反映原始土樣的物理狀況。

對(duì)密度試驗(yàn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響的因素有：①土質(zhì)不均勻、互層、土樣含有姜石等物質(zhì)；②環(huán)刀切取時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題；③樣品在運(yùn)輸過(guò)程中是否擾動(dòng)，如土樣擾動(dòng)再進(jìn)行試驗(yàn)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沒(méi)有任何意義；④開(kāi)土人員在開(kāi)土過(guò)程中帶來(lái)的影響等。

2．3 比重試驗(yàn)

土粒比重是土顆粒自身的比重，是指土粒在105～110 ℃溫度下烘至恒重時(shí)的質(zhì)量與同體積4 ℃時(shí)純水的質(zhì)量之比。是劃分土顆粒、土中水和土中氣各自體積占比的依據(jù)，和土的干密度是兩個(gè)概念。土的干密度是指單位體積干土體中土粒的質(zhì)量。這個(gè)單位體積不僅包含土粒的體積，而且還包含土粒間孔隙的體積。

比重試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法是比重瓶法，使用比重瓶法時(shí)試驗(yàn)制備往往會(huì)出現(xiàn)誤差，土的不均勻會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響；其次煮沸過(guò)程中，砂類土的顆粒會(huì)發(fā)生迸濺現(xiàn)象，進(jìn)而影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

另外試驗(yàn)室也使用經(jīng)驗(yàn)值(前人通過(guò)實(shí)踐歸納得出)進(jìn)行測(cè)定，砂土比重在2．65～2．69，粉土比重在2．70～2．71，粉質(zhì)黏土比重在2．72～2．73，黏土比重在2．74～2．76。

土粒比重主要取決于土的礦物成分，土中含有大量有機(jī)質(zhì)時(shí)，土粒比重也顯著減小。

2．4 液限和塑限試驗(yàn)

黏性土隨著含水量的不同，分別處于各種不同的稠度狀態(tài)，如流動(dòng)狀態(tài)、可塑狀態(tài)、半固體狀態(tài)、固體狀態(tài)。為了確定土的稠度狀態(tài)，就必須首先確定土從某一狀態(tài)過(guò)渡到另一狀態(tài)的界限含水量，液限和塑限是在工程上經(jīng)常遇到的兩種界限含水量。 液限(wL)指的是土由可塑狀態(tài)過(guò)渡到流動(dòng)狀態(tài)的界限含水量。 塑限(wP)為土由可塑狀態(tài)過(guò)渡到半固體狀態(tài)的界限含水量。土的可塑性指標(biāo)與土的顆粒組成、礦物成分、活動(dòng)性、吸附水的表面電荷強(qiáng)度等有關(guān)，因此能較好地反映出黏性土的某些物理特性。

本試驗(yàn)采用圓錐儀法、液塑限聯(lián)合測(cè)定儀法和滾搓法塑限試驗(yàn)(主要靠試驗(yàn)人員的手感和經(jīng)驗(yàn))，得出數(shù)據(jù)進(jìn)而計(jì)算求得塑性指數(shù)和液性指數(shù)，為土的分類、工程設(shè)計(jì)及施工提供依據(jù)。在進(jìn)行液限試驗(yàn)時(shí)，一定要把土樣調(diào)均勻再進(jìn)行試驗(yàn)，黏土不容易調(diào)均勻，這就需要試驗(yàn)人員的認(rèn)真負(fù)責(zé)。對(duì)于砂質(zhì)粉土，液塑限的試驗(yàn)就需要試驗(yàn)員長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累。

對(duì)液塑限試驗(yàn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響的因素有：①土樣不均勻；②儀器的使用不當(dāng)，儀器錐頭磨損；③當(dāng)試樣中有粒徑大于0．5 mm的土粒和雜物時(shí)，要過(guò)0．5 mm的篩，否則也會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2．5 顆粒分析試驗(yàn)

自然界存在的土都是由大小不同的顆粒組成的，土粒的粒徑發(fā)生變化時(shí)，土的性質(zhì)也相應(yīng)地發(fā)生變化。工程上常依據(jù)顆粒組成對(duì)土進(jìn)行分類，顆粒分析試驗(yàn)為測(cè)定干土中各粒組含量占該土總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，土的顆粒大小、級(jí)配和粒組含量是土的工程分類的重要依據(jù)。

由于土粒粒徑變化比較大，土的顆粒組成與礦物組成、力學(xué)性質(zhì)、外在環(huán)境等均有直接的關(guān)系，因此對(duì)于粒徑大于0．075 mm的土主要采用篩分法，粒徑小于0．075 mm的土使用移液管法或比重計(jì)法。

顆粒分析試驗(yàn)(本試驗(yàn)室采用移液管法)的誤差主要有以下幾點(diǎn)：①篩分法中顆粒的大小不同、篩孔的不同以及篩孔長(zhǎng)期使用造成的磨損；②攪拌懸液的時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)的影響；③不同試驗(yàn)員的操作均會(huì)對(duì)結(jié)果造成很大的影響。

2．6 直接剪切試驗(yàn)

土的抗剪強(qiáng)度是土在外力作用下，其一部分土體對(duì)另外一部分土體滑動(dòng)時(shí)所具有的抵抗剪切的極限強(qiáng)度。直接剪切試驗(yàn)是測(cè)定土抗剪強(qiáng)度的一種常用的、古老的、最簡(jiǎn)單的方法。測(cè)定土不同壓力下的抗剪強(qiáng)度，得出土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，可以估算地基承載力、評(píng)價(jià)地基穩(wěn)定性、計(jì)算擋土墻土壓力等。本試驗(yàn)采用快剪和固結(jié)快剪兩種方法，前者為試樣在垂直壓力施加后，立即進(jìn)行快速剪切，不允許有排水現(xiàn)象產(chǎn)生,后者為試樣在垂直壓力下經(jīng)過(guò)排水固結(jié)，固結(jié)穩(wěn)定后，再進(jìn)行快速剪切。試驗(yàn)室內(nèi)使用快剪較多，快剪操作簡(jiǎn)單，方便快捷。

抗剪強(qiáng)度τ與黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ之間的關(guān)系可以用庫(kù)倫公式表示：τ=σtanφ+c。

對(duì)直接剪切試驗(yàn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響的因素有：①同一組的幾個(gè)試樣是否是同一層土，密度值是否超過(guò)允許誤差；②土樣的不均勻程度；③不同試驗(yàn)人員操作帶來(lái)的影響。

2．7 固結(jié)試驗(yàn)

地基土在外荷載作用下，水和空氣逐漸被擠出，土骨架顆粒之間相互擠密，土的孔隙減小，從而引起土的壓縮變形。固結(jié)試驗(yàn)是將土樣置于金屬壓縮容器內(nèi)，在有側(cè)限的條件下施加壓力，觀察土在不同壓力下的壓縮變形量。目的是測(cè)定土的單位沉降量、壓縮系數(shù)、壓縮模量、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、固結(jié)系數(shù)及原狀土的先期固結(jié)壓力等。固結(jié)試驗(yàn)中，后一級(jí)壓力的施加均是在前一級(jí)荷載下壓縮達(dá)到穩(wěn)定后施加的，但所謂穩(wěn)定是相對(duì)的，按照穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的不同，通常將固結(jié)試驗(yàn)分為兩類：穩(wěn)定壓縮和快速壓縮。

常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)比較可靠，是被普遍認(rèn)可的，為我國(guó) 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123)[2]推薦使用的方法。但該方法有一些顯著的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)有:①試驗(yàn)所需的時(shí)間較長(zhǎng)。按照 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123)要求，分級(jí)加載的每級(jí)荷載要作用 24 h，這樣完成一個(gè)固結(jié)試驗(yàn)所需的最終時(shí)間大概9 d 左右，若需進(jìn)行回彈試驗(yàn)，則時(shí)間更長(zhǎng);②試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)少而且比較分散，致使試驗(yàn)得到的曲線不連續(xù)，影響測(cè)定參數(shù)的準(zhǔn)確性;③固結(jié)試驗(yàn)過(guò)程中沿試樣高度的有效應(yīng)力分布不均勻，根據(jù)有效應(yīng)力原理，靠近排水面的有效應(yīng)力最大，靠近不排水面處的有效應(yīng)力最小，水力梯度沿高度方向變化相當(dāng)大，致使有效應(yīng)力沿試樣高度分布不均勻， 造成了試樣的壓縮性分布不均勻。

快速固結(jié)試驗(yàn)是根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123)推薦的時(shí)間平方根法計(jì)算固結(jié)系數(shù)時(shí)，要求土體固結(jié)度達(dá)到90%，大量的試驗(yàn)表明高度為2 cm的試樣在荷載作用下1 h的固結(jié)度一般可達(dá)到90% 以上(24 h 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn))。因此，快速法固結(jié)試驗(yàn)把每級(jí)荷載的加載時(shí)間縮短到1～2 h，最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正，可得到與常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)近似的結(jié)果。此法大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間，得到了相當(dāng)廣泛地應(yīng)用。張海霞等[3]指出對(duì)于高度為2 cm的試樣，在每級(jí)壓力作用下，常見(jiàn)土體完成主固結(jié)(固結(jié)度達(dá)到 99%)需要的時(shí)間不超過(guò)4 h，粉土和粉質(zhì)黏土則少于1 h。并建議對(duì)不同的土質(zhì)應(yīng)采用不同的加載時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)研究。

在固結(jié)試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員在加荷過(guò)程中一定要注意，應(yīng)垂直地在瞬間施加各級(jí)規(guī)定的壓力，并沒(méi)有沖擊力，否則對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)有很大影響。并要不定期根據(jù)儀器的使用情況對(duì)壓縮儀進(jìn)行校準(zhǔn)，得出儀器變形量。

3 結(jié)語(yǔ)

土工試驗(yàn)?zāi)康氖菫楣こ谭?wù)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定土樣的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出進(jìn)行巖土力學(xué)計(jì)算的參數(shù)，進(jìn)而編制巖土工程勘察報(bào)告。含水率、密度、比重、液塑限、抗剪強(qiáng)度、壓縮變形量等作為土工試驗(yàn)基本指標(biāo)，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響到勘察報(bào)告的質(zhì)量，因此，試驗(yàn)人員在工作中要消除各類影響因素，減少數(shù)據(jù)的偏差，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為巖土工程勘察提供準(zhǔn)確的土工試驗(yàn)成果報(bào)告。