巖土工程中土工試驗的經驗方法及其注意事項

李芳

（中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川成都 610021）

0 引言

巖土工程中，土工試驗是不可或缺的一部分，也是巖土工程順利進行的重要依據。因此對土的各項指標進行測定，及時發現可能存在的問題，以便采取合理的方式進行預防或處理，保證設計、施工質量。土工試驗中，土樣的物理性質、壓縮固結性能以及抗剪強度等試驗方法，是最主要也是最基礎的試驗方式，同時也是巖土工程中重要的試驗環節，它為巖土工程整體的設計及施工提供可靠依據。根據土工試驗的經驗方法提高試驗準確性，對影響結果的條件進行合理分析，進而保障巖土工程的整體設計和施工質量及安全。

1 土樣的物理性質試驗

土樣的物理性質試驗，主要是包括含水率試驗、密度試驗、顆粒分析以及界限含水率試驗等。

1.1 土樣的含水率試驗

含水率試驗又稱含水量試驗。土樣的含水率試驗，是取適量的原狀土樣，在105～110℃環境下，將樣本烘干至恒量狀態時，所失去的水質量以及達到恒量狀態的干土質量的數值，以百分比的形式表達出來，即為土體的含水率。

土樣含水率試驗，可以采取擾動樣或原狀樣進行試驗，并應在取樣后立即進行，避免因為環境的變化，使土樣的水質量發生變化，進而影響試驗結果的準確性。同時，在進行土體取樣時，應確保土樣具有代表性和普遍性，進而提高試驗結果的準確度。如果土體取樣范圍內含有大量碎石或雜物，應先對含有的碎石及雜物進行清理，再取樣進行試驗，以保障含水率試驗結果的準確性。如果土樣總量較大，應先將土樣混合均勻，并以四分法進行取樣，同時應適當增加取樣量，以確保試驗結果的準確性。

在進行含水率試驗時，如果需要配合壓縮實驗、抗剪強度試驗以及滲透試驗等，應對試驗環刀的上中下三部分土體進行混合采樣，以便能夠真實反映出土層實際情況，試驗結束后，應對試驗得出的數據結果進行分析。

當土體中存在的有機質，超過干土的5%時，烘干溫度應保持在65～75℃之間，若采用105～110℃條件下進行烘干，有機質在烘干的過程中會出現分解及損失，含水率試驗是針對水質量流失進行的試驗，土體中有機物質損耗，會導致土體的含水率計算值偏大，影響試驗準確性。

此外，為方便試驗進行，含水率稱量盒的質量應進行調整，設置為等質量，且定期進行校正，稱量盒的質量誤差保持在±0.005g為最佳。土體的含水率的變化，是土體物理力學性質研究不可或缺的重要指標。

1.2 土樣的密度試驗

土體的密度是指在天然狀態下土體的單位體積質量，是土的基本物理指標之一。土體的密度，是對土體內部結構緊密性的反映，也是用來計算土體自重壓力、干密度、孔隙比以及地基承載力的重要依據。

密度試驗需采取原裝土樣進行試驗。土體的密度可通過對土樣進行密度試驗間接取得，在進行土樣密度試驗時，需進行兩次環刀平行測定，進行環刀切取試驗樣本時，需垂直下壓，并在環刀內涂抹適量潤滑劑，以減小下壓過程中對土體產生的擠壓，且應保證環刀內壁與試樣之間沒有空隙存在。為方便計算，環刀的質量保持一致為佳，應定期對環刀儀器按照相關的校驗方法進行校驗。環刀內土的體積為固定值，切出的土樣應及時進行稱量，避免失水，環刀內土樣的干重量需將樣本烘干至恒重稱量。

1.3 土樣的顆粒分析試驗

土樣的顆粒分析試驗，是測定土樣中各顆粒組質量占土體總質量的百分比。根據土樣顆粒含量的不同，可以對土樣進行分類，判斷土樣的性質，在施工中選擇合適的建筑材料。在進行土樣顆粒分析試驗時，主要采用篩分法以及密度計法。

篩分法采取不同孔徑的標準篩對土樣進行不同粒徑組分類、稱量，篩分過程應做到每一級粒徑篩盡，必要時應進行洗篩，標準篩應定期進行檢驗，以保證試驗結果的準確性。進行篩分法的試樣總量應根據土樣的顆粒大小判斷，粗粒土應較細粒土采取更多的試樣進行篩分試驗，進而使得粒徑分級更接近于真實情況。篩分所得小于一定粒徑的土樣如需進一步區分，應采用密度計法。試驗結束后需進行驗算加和總質量，避免稱量誤操作。

密度計法適用于粒徑小于0.075mm 的試樣，主要是依據斯托克斯原理，測定不同時間內，由不同粒徑的顆粒在懸浮液中下沉速度不同所引起的懸浮液密度變化，進而計算出顆粒組含量。試驗過程中，顆粒在下沉時的標準溫度為20℃，當環境溫度發生變化時，應進行誤差校正，溫度的上升或下降，都會對密度計的正確讀數以及顆粒的下沉速度產生直接影響，甚至還會引起懸液體積的不勻稱膨脹，出現對流現象，進而影響細微顆粒的下沉速度。當遇到易溶鹽含量較大的土體時，如果沒有進行洗鹽，有可能導致顆粒分析結果中的粉粒含量較大，黏粒含量較小，這種情況下，需要使用分散劑六偏磷酸鈉溶液，配置好的溶液在一個月內使用完為最佳。使用密度計進行讀數時，密度計在水中浮動不能固定，試驗時間較長，所以非常容易出現讀數不準確。通過多次試驗的經驗總結，密度計放置在水中時，應保障穩、準，輕扶密度計，在使之保持穩定后，迅速放開、減少震動，保障密度計的液面穩定，數據讀取時要仔細、快速，以此可適當提高工作效率和準確度。

1.4 土樣的界限含水率試驗

土樣的界限含水率主要與土的種類有關，同一類土，其含水率不同時，土樣顆粒也處于不同的狀態。土體從一種狀態過渡到另一種狀態的含水率，被稱為界限含水率。界限含水率主要分為液限含水率和塑限含水率，通常情況下，采用專業的光電式液塑限聯合測定儀進行界限含水率測定，這種儀器主要是采用光學投影原理，電子自動落錐，根據入土的深度，測定界限含水率。這種方式所運用的圓錐儀質量為75g，測定不同含水率的土體試樣，五秒入土時間的下沉深度，來確定土體的液限及塑限。

在進行界限含水率試驗時，應先選取具有代表性的土體試樣，進行自然風干，如果土樣中含有大顆?；蛘唠s物，應將土樣進行過濾，篩出顆粒及雜物，從剩余的土體中選取代表性的土樣200g，用純水將土樣調成膏狀，在攪拌均勻后，密實的放入試樣杯中，土樣與試樣杯之間不留有任何的縫隙。將試樣杯放入聯合測定儀的指定的升降座上，在圓錐上輕凃一層凡士林，然后對電磁鐵進行通電，使其能夠吸住圓錐。將聯合測定儀屏幕上的標尺，調至零位，調整升降座，圓錐的尖部接觸到試樣表面，指示燈亮起時，圓錐在自重的情況下，下沉入土樣中，5s 后，讀取圓錐下沉的深度，黏性土或者粉質黏土的數值應在10 左右，粉土在7～8左右。最后將樣杯從儀器上取下，除去含有凡士林的部分土樣，取10g 左右的代表性土樣，放入稱量盒中，測定土樣含水率。

2 土樣的壓縮固結試驗

對土樣進行壓縮固結試驗，主要是為了掌握土樣在荷載作用下，出現的變形情況，根據試驗得出的數據結果，反應土體的壓縮特性以及對天然土層的固結狀態進行判斷，用來計算建筑物以及地基的沉降，對區域內的地面沉降進行估算。標準的土樣固結試驗，適用于飽和的黏土，實際情況中，也適用于非飽和的黏土。

由于飽和黏土空隙中都是水分，土樣在進行固結的過程，既是將空隙中的水分排出過程，土樣的組成顆粒越大，空隙越大，透水性越強，壓縮固結的速度也就越快，但如果土體樣顆粒較細，壓縮固結則需要較長的時間才能完成。土樣的壓縮固結性能與土樣內部結構、密度及其類別有著直接的關系，土樣的天然結構發生變化時，壓縮性也會改變，尤其是靈敏度較高的土體，當結構受到外力的破壞時，壓縮性能會增強，隨之土樣的強度會變弱，面對這樣的情況，應選擇合理的工具，避免對土樣的結構進行破壞，保持土樣的原狀性，提高試驗的準確度。

3 土樣的抗剪強度試驗

土體的抗剪強度，是指土體在遭受外力作用時出現抵抗破壞的極限強度，通常由土樣抗剪強度試驗測定。土樣的抗剪強度試驗，包含慢剪試驗法、快剪試驗法以及固結快剪試驗法。各種試驗方法，適用于不同排水條件的土體。通常情況下，常用快剪試驗方法。采用快剪試驗方法時，首先應注意土體上施加荷載重以及在剪切的過程中不能出現固結及排水的現象，這一點是非常難做到的，通常情況下，會對土類進行限制，只適用于含細粒土較多的粘性土。其次，砂土抗剪強度的影響因素不僅僅是顆粒的大小及形狀，土樣的密度產生的影響也很大，這就要求在制備同一組土樣時，密度應盡量保持一致，砂土的滲透性較大，所以剪切速度對強度的影響不大，因此，也可以使用快剪的試驗方法。

4 結束語

隨著巖土工程勘察的日益發展，土工試驗越來越受到人們的關注和重視。綜上所述，本文首先闡述了巖土工程中，土樣的物理性質試驗（土樣的含水率試驗、密度試驗、顆粒分析試驗以及界限含水率試驗等）；其次，還對土樣的壓縮固結試驗方式以及土樣的抗剪強度試驗方法進行簡單地介紹，對這些試驗方法的經驗、注意事項、儀器的利用進行簡單說明。希望可以起到一定參考作用，促進土工試驗更順利地進行。