淺析室內土工試驗試樣的準備、制備與飽和

強超

摘 要：文章闡述了室內土工試驗試樣準備工作的重要性，詳細介紹了各項準備工作的方法、流程及注意事項。

關鍵詞：原狀土；擾動土；質量；制備；飽和

1 室內土工試驗試樣的準備、制備與飽和的重要性

隨著我國工程建設技術的飛速發展，巖土工程測試技術與水平也應隨之提高。眾多的高層、超高層民用建筑，城市的地鐵，跨江、跨海大橋，穿越江河湖海以的隧道、高鐵等工程的興建能否做到經濟、合理，不僅取決于工程設計的巧思妙想，還要依據其地基的巖土工程性質。要想準確掌握地基的巖土工程特性，必須首先對其地基進行巖土工程勘察，根據勘察成果并運用土力學、工程地質學等的理論與方法，按相關行業規定對工程進行系統性分析與研究。因此，土工試驗是巖土工程規劃設計的前期工作，也是地基與基礎設計工作中不可缺少的中心環節。而試樣的質量及代表性決定了土工試驗數據的客觀準確性，因此試樣的準備、制備與飽和是土工試驗中不容忽視的重要環節。

2 土樣取樣的要求

2.1 數量要求：采取土樣的數量應滿足要求進行的試驗項目和試驗方法的需要，并應附取土記錄及現場描述。（見表1）

表1

2.2 質量要求

原狀土試樣的質量決定了可進行試驗的內容，《巖土工程勘察規范》中根據試樣的擾動程度將土試樣質量等級劃分為四級，并規定了相應可進行的試驗內容。（見表2）

表2

密度和含水率的均勻性一定程度上代表了同一組試樣間的均勻性，為了避免各項物理力學指標間相互矛盾、減小試驗結果的離散性，對原狀土樣規范規定同一組試樣間密度的允許差值為0.03g/cm3；對擾動土樣同一組試樣的密度與要求控制的密度之差不得大于±0.01g/cm3，同一組試樣含水率與要求控制的含水率之差不得大于±1%。

3 試樣制備

3.1 試樣制備方法及注意事項

為確保試驗成果的可靠性和試驗數據的可比性，試樣制備必須做到具有統一制備方法和程序，土樣在試驗前，需要經過嚴格程序進行制備。擾動土樣的制備程序包括風干或烘干、碾散、過篩、加水拌勻靜置、擊實、飽和等；原狀土的土樣制備包括開啟，切取等。這些步驟的正確與否，都直接影響試驗成果。

對勘察現場采取的原狀土樣應進行有效的密封處理，搬運和存放過程要采取防振、防凍、防曬等措施，避免土樣的原狀結構受到擾動或破壞。試驗前不應開啟土樣，當需進行土樣鑒別等必須開啟時，應在檢驗后，迅速進行密封儲藏，盡量減少水分流失和土樣的擾動。

3.2 原狀土試樣制備

按照土樣筒標明的上下方向擺放，去掉封蠟和包裹的膠帶，將土樣從土樣筒中小心取出。首先檢查土樣是否受到擾動，然后應描述土樣的顏色、氣味、分類名稱、有無夾層、土質的均勻性等。為了保證試驗成果的可靠性、土樣的試驗內容應與其擾動程度相對應。

在土樣的制備過程中，為避免產生土樣物理與力學性指標相互矛盾的現象，應保證兩者所選取的試樣一致，且應具有代表性。

環刀切取試樣時，應在環刀內壁涂抹一薄層凡士林，環刀要垂直土樣下壓，避免環刀內的試樣層理切成與天然狀態不符，同時也避免試樣與環刀內壁之間產生間隙。下壓過程中，根據試樣的軟硬用切土刀或鋼絲鋸沿環刀外側切削土樣，邊壓邊削至土樣略高出環刀，然后切平環刀兩端土樣，不得用切土刀來回多次刮涂土面，以免堵塞土樣孔隙，影響試驗過程中的土樣中水分的排出。切取試樣時要防止擾動。

3.3 擾動土樣的制備

標準中規定了進行過篩程序，篩孔大小取決于試驗所用儀器的容器大小。試驗研究表明：用于直剪試驗的土樣最大顆粒粒徑不應大于剪切盒內徑的1/20（剪切盒內徑為61.8mm），土樣需過2mm篩；對無側限、三軸壓縮試驗的土樣最大顆粒粒徑與試樣直徑的比值為1/8～1/12。目前國內三軸試驗一般采用39.1、61.8、101mm，其試樣的允許最大粒徑為2、5、10mm；對固結試驗的土樣最大顆粒粒徑為容器高度的1/6～1/8，國內固結儀容器的高度為20mm，用過2mm篩的土樣是可以的。鑒于粒徑2mm為砂粒的上限，所以土樣制備中統一規定擾動土樣過2mm篩進行試樣制備。對輕型擊實試驗的土樣過5mm篩，重型擊實試驗的土樣，用五層擊實過20mm篩，而三層擊實40mm篩。

一般規定物理性試驗土樣過0.5mm篩；力學性試驗土樣過2mm篩；擊實試驗土樣過5mm篩。

步驟：用風干或烘干土樣制備擾動樣，應先將風干或烘干的土樣放在橡皮板上用木碾碾散，并按相應的試驗要求過篩，測定風干含水率。根據試驗所需的土量與含水率，計算試樣所需的加水量，并將所需的加水量均勻噴灑在土樣上，潤濕一晝夜，目的是使制備樣含水率均勻，達到密度的差異小。若土樣黏粒含量較高，可考慮潤濕兩晝夜，且中間人工拌合一次。

擾動土制樣可采用擊樣法和壓樣法：擊樣法：根據環刀容積、所要求的干密度及含水率計算所需濕土的質量，并將土倒入固定在擊樣器上的環刀內，擊實到所需密度。

壓樣法：將根據環刀容積、所要求的干密度及含水率計算所需濕土的質量，并將土倒入裝在壓樣器上的環刀內，通過活塞以靜壓力將土樣壓緊至所需密度。（如圖1）

圖1 壓樣法

4 試樣飽和

非飽和土顆粒間的孔隙逐漸被水填充的過程叫做飽和，孔隙被水全部充填時的土稱為飽和土。試樣飽和方法可根據土樣的透水性分別采用以下方法進行。

4.1 粗粒土可在儀器上直接采用浸水法飽和。

4.2 對于滲透系數大于10-4cm/s的細粒土，可采用毛細管飽和法。其做法是：先將選用框式飽和器放入水箱內，然后向水箱注入清水，水面不應淹沒試樣，這樣可使土中氣體得以排出。關閉箱蓋，以防止水分蒸發，水分通過土的毛細管作用，使試樣飽和。浸水時間不少于兩晝夜。

4.3 滲透系數小于等于10-4cm/s的細粒土，可采用抽氣飽和法，選用框式或疊式飽和器和真空飽和裝置。（如圖2）

4.4 其他方法

4.4.1 試樣的二氧化碳飽和法是近年來發展的一種土樣飽和新方法。二氧化碳的密度大于空氣且易溶于水，當二氧化碳氣體由試樣底部注入后，非飽和試樣孔隙中的空氣會從試樣頂端逐漸排出，直至充滿二氧化碳氣體，而二氧化碳在水中的溶解度遠大于空氣在水中的溶解度，此時用水頭飽和法進行試樣飽和，孔隙中的二氧化碳氣體很快溶于水形成碳酸。當繼續水頭飽和時，在水頭壓力作用下，后滲入試樣的脫氣水將孔隙中的稀碳酸排擠出來，最后使試樣孔隙中充滿脫氣水，達到飽和的目的。

4.4.2 反壓力飽和：通常可使用帶反壓裝置的三軸儀進行土試樣的反壓力飽和，通過增加試樣內孔隙水壓力使孔隙氣體在壓力作用下完全溶解于水。該方法操作較為復雜，但效果較好。

飽和度的大小，對滲透試驗，固結試驗和剪切試驗的成果均有影響。一般認為，飽和度大于95%即為飽和。

5 結束語

室內土工試驗試樣的準備、制備與飽和的質量一定程度上決定了試驗的成果質量。不同的土試樣類別及試驗內容，其對試樣質量的要求不同，制備與飽和的方法也不同，因此應根據土試樣及試驗內容的不同選擇對應的準備工作。

參考文獻

[1]GB/T 50123-1999.土工試驗方法標準[S].

[2]GB 50021-2001.巖土工程勘察規范（2009年版）[S].