土工试验中常见问题探讨

分类：物理论文发表 时间：2012-05-18 08:16 关注：(1)

　　摘 要:本文针对土工试验，对其常见问题从制样，物理、力学试验以及试验成果三个方面进行了分析。对试验方法、数据处理和成果分析中可能出现的问题提出一些建议和解决方法。认为只有把影响试验结果的各种问题解决，才能保证最终测试成果的准确可靠。

　　关键词:土工试验;样品制备;试验指标;成果分析

　　1、前言

　　土的物理性质指标和力学性能指标反映的是土的工程性质和特征。因为土是大自然的产物，由于自然界土层自身的不均匀性，其性质受到密度、湿度、粒度以及孔隙水中化学元素等多种因素的影响。土工试验时，在取样、保存和运输过程中对原状土的扰动、试验仪器、操作方法的差异，使得土工试验中测试的结果存在各种问题，在一定程度上影响到岩土工程勘察的准确评价。因此，研究土工试验中应注意的问题，不断改进和完善测试手段，为工程设计及施工提供可靠的依据，有着十分重要的意义。

　　2、接收土样和样品制备中应注意的问题

　　不同行业现行土工试验规程、规范在要求和试验方法上存在差异，因此在接收土样时，应对工程项目的类型和规模进行核对，明确试验的依据。制样时，应对土样的颜色、矿物成分、软硬程度、塑性状态、结构构造等进行描述，同时对土样的物理力学指标凭经验作一个估计值并记录。这有利于后期数据整理时进行对比和综合分析处理，得出符合工程实际的试验数据，同时也有助于试验人员积累经验。

　　3、土工试验中应注意的问题

　　3.1土的比重、密度和含水量试验

　　比重、密度和含水量是土的三个最基本物理性质指标，用它们可以换算土的干密度、孔隙度、孔隙比、饱和度等指标。这三项指标的正确与否，不仅影响其他指标的变化，还影响土的一系列力学性质指标，而且可能使岩土工程分析评价产生偏离，因此准确测定这三项指标有着重要的意义。

　　在这三项指标中土的比重是一个相对稳定的值，决定于土的矿物成分，它的数值一般是2.6~2.8，与所含矿物、粒度成分等有关，如果含有机质较多则值较小。同一地区同一类型土的比重比较接近，又因为比重试验的操作比较麻烦，许多单位都是根据本地经验，直接采用了比重的经验值，缺乏实际依据。要想减少差异，应该通过收集整理这方面数据，建立适用于该地区各类土的比重值。

　　土的密度取决于土的质量、孔隙体积的大小和孔隙中水的质量，其综合反映了土的物质组成和结构特征，是一个变化的值，不同的土样密度值不同，而对于某一个土样来说，它的值较稳定和较容易测准的，该试验较简单，一般在取样后立刻进行。为了正确求得土的密度，试验中应对照送样单的野外定名，在合适的部位切取试件。开土切样时要用切土刀，将土样取入环刀后，需用专门的刮土刀刮平环刀两端土样，而直接用切土刀将环刀两端刮平的做法是一种错误的操作方法。这是因为经常开样，切土刀刃口经长期使用会磨损呈凹形，就会造成测得土样的密度偏大、孔隙比偏小、饱和度偏大等情况。所以对试验人员从一开始就应当规范要求，如按规范操作与其本身物理性能指标不符，应及时查找原因，更换新的刮土刀或环刀以确保试样质量，正确求得土的密度。

　　土的含水量是最不稳定的，不同的土有不同的含水量，而且由于各种因素，如土层的不均匀，取土不标准，野外取样不规范，土样在运输及存放期间保护不当等，都会影响成果的准确度。在这些影响因素中，有的属于土样客观存在，有的属于人为造成，无论属于哪种，都需要试验人员认真鉴别，结合实际情况取到代表性好的试样，测出土的比较准确的含水率。所以要求野外人员取样、运输、保管样品规范化，试验人员应注意取样的代表性及均匀性，及时装盒加盖避免水分的损失，准确测出这一指标。若为连续试验，则土样盒在使用中可能未洗净或会受到一定腐蚀，因此必须在取样前重新称取盒重。依据试验规程应取两个以上的土样进行平行试验，去除离散较大的值后取平均值。

　　上述三个指标是土的物理性质基础性指标，土的其它指标可以通过换算得出。计算指标有时会出现和实际明显不符的情况，大多数情况下，问题出在含水率和密度的测定上，需要对这两个指标作进一步的复核，保证这两项指标试验值的准确，从而提高其它指标的准确度。

　　3.2土的液限、塑限试验

　　土的液限、塑限对于岩土工程勘察来说，有着比较重要的实用意义。液限、塑限可以判断土的可塑性，塑性指数往往作为土的分类依据，液性指数则概略地反映了土抵抗外力的能力，也与地基承载力的经验值相关。当前对土的液限、塑限的测定，存在不少问题。

　　取样规定土要过0.5mm的筛，才能进行试验。在操作中，一些土用眼观察含有较多砂粒，一旦过0.5mm筛后做试验，测出的土塑性指数可能很大，不能反映土的实际情况，因此，对于这种土最好采用筛分法确定砂粒含量，如果砂粒含量已达确定该土为砂土的标准，那么就不必再做液、塑限试验，反之可进行相应的液、塑限试验确定土的名称。

　　液塑限试验时，有的使用锥式液限仪，有的使用液塑限联合测定仪，这样就难免因为手法不一致使得同一指标因试验人员不同，得出的结果也不尽相同。还有因调土不均匀，或使用磨损严重的圆锥仪，得出偏大的液限值。做塑限试验时，搓条法现在还被普遍认同，但标准不易掌握，人为因素影响较大，对低塑性土更为明显。有的单位，不直接测定，而利用液、塑限之间的相关公式计算出塑限值。如果这种间接计算塑限值，是限定在有大量对比资料的基础上的话，其误差还能事先估计，问题在于将这种计算盲目扩大，套用失控，使测试成果严重失真。因此在试验过程中，分别按接近液限、塑限和二者的中间状态制备不同稠度的土膏时，一定要充分搅拌均匀，密实地填入试样杯中，使空气逸出。否则在双对数坐标纸上绘制的关系曲线，即使三点在一条直线上也不一定是准确的。

　　3.3土的击实试验

　　击实试验是确定土力学性能的重要试验之一，土的压实质量的好坏体现在土击实后的最大干密度和最优含水量上。

　　击实试验中也存在一些容易出现的问题，如击实试验的余土高度应小于6mm，否则应补做试验，而有些人员未进行补做。在最佳含水量前所用试样重量随含水量增加，最佳含水量后试样重量随含水量减少，接近最佳含水量时试样重量按规程要求称量才能满足要求,否则每一含水量击实余土高度不是大于6mm，就是低于筒顶高度。绘制击实曲线时如果击实曲线不能给出峰值时，应进行补做试验。

　　3.4土的固结试验

　　土的固结试验是测定土体在压力作用下产生变形的过程，其目的是测定试样在荷重作用下的变形和压力、孔隙比和压力、变形和时间的关系。通过测量各级垂直荷载下土的变形来测定土的压缩特性。除一些特殊工程要在现场做测试外，大多数试验是在室内进行的。通过计算求得的各项压缩指标，可用来分析判别土的压缩特性和天然土层的固结状态，从而计算土地基的沉降量，并估算区域性的地面沉降量。目前,固结试验存在两个问题：

　　一、土工试验方法标准(GB /T50123-1999)未将一小时快速法列入固结试验标准。为缩短试验历时，习惯做法是容许粘性土最大固结压力小于400kPa时，可用一小时快速法，采用综合固结度校正。然而，有些单位在最大固结压力大于400kPa时，仍采用1小时加荷一级的快速法，未按慢速法或用次固结增量法校正的快速法。

　　二、对于饱和试样，按规定应在施加第一级压力后立即向水槽中注水浸没试样。但在实际操作中，有的忘了注水，使试样的含水状态发生了改变;有的对非饱和试样也加注水，造成在较低压力阶段试样吸水后产生膨胀。

　　为了准确提供这些压缩指标，首先要抓好土样的验收和管理工作，注意试样是否扰动、是否水分流失，并做好记录。在试验过程中，试验人员要严格按照国家标准进行操作，消除各种不利因素，及时解决出现的问题。

　　3.5土的直剪试验

　　土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。在计算承载力，评价地基、基坑稳定性以及计算挡土墙上土压力时，都要用到土的抗剪强度指标，因此正确地测定土的抗剪强度在工程上具有重要意义。该试验方法有多种，在试验室内常用的有直接剪切试验、三轴压缩试验和无测限抗压试验。

　　就直接剪切试验而言，与荷载类型、加荷速率、排水条件等有关，受仪器结构的限制，存在不少缺点，但由于直接剪切试验指标在生产实践中已积累了大量经验，在一般工程中还是广泛应用。有时试验数据和理论数据存在很大的差距，比如：无粘性土的c值应为0，而大多数试验中，测出的值不一定为0。这是因为在所测出的抗剪强度指标中，并不是c值完全代表土的凝聚力，而φ值也不完全代表内摩擦力，而是两者互相包含，都代表土的抗剪强度的一部分。在有些直接剪切试验结果中，有时甚至会出现粘聚力c为负值的现象，其主要原因在于取样的不均匀，所取试样的性质相差太大所致。因此，试验时应按土体在工程中的实际工作状况，选择试验方法。在切取抗剪试验样品时，应注意所取试样的代表性，如果所取试件的性质相差太大，测试结果会离散很大。剪切试验遇到样品不均匀时，可将样品按软、硬、软、硬的顺序排列做试验。若按软、软、硬、硬的顺序排列试验，出现粘聚力c值为负数或内摩擦角值偏大的现象。另外，虽然直接剪切试验方便简单，但其对粉土、粉质黏土及较软弱的土强度指标可信度不足，因此对粉土、粉质黏土及较软弱的土用直接剪切试验时，应注意要明确加荷条件，控制剪切速率，对土质松软的土样，要分次轻轻施加垂直压力，以防土样挤出。在资料整理时应按最小二乘法或作图法求出c、φ，避免随意连线或无依据地给出参数。

　　即使这样，室内试验测出的结果，有时和理论上的数据仍存在很大的差距，因此我们在判断试验结果是否准确时，要综合考虑多方面客观因素，结合实际分析，对土的受力情况有一个正确的判断。土是不均匀的，密度、含水量是影响抗剪强度的重要因素，因此测定试验前的密度、含水量可以了解试样的均匀性，按其变化规律，来判断试验成果的正确性。剪切试验方法及其指标的具体选用，应结合工程实际，考虑工程土体的透水性、含水率、荷载情况、应力分布及透水条件等因素，尽可能地选择与其固结排水条件相一致的剪切试验方法及其强度指标进行试验，尽可能保证数据真实可靠又经济合理。

　　4、试验成果分析中应注意的问题

　　对于土工试验成果，应在各项试验成果之间进行校核，因为土的各项指标之间是相互关联的，至少是有定性关系的。如土的颗粒组成与液、塑、缩限;液限与渗透系数;渗透系数与固结系数;颗粒组成、密度与强度、压缩性之间的关系等。因此，可以将各项指标进行综合分析、互为验证，对其准确性进行判别。一般情况，同一种土的含水率高则密度较低、孔隙比较高。土的物理性质基本上能够决定土的力学性质。土的液性指数越大，其压缩性也越大，而土的压缩性越高，压缩模量越低，则快剪强度越小。通过各项指标间关系的统一分析，可以检验试验成果的准确性。但有时候，异常情况恰好是土的特殊性质，因此对于异常性质的土要进行深入了解。通过这些校核，可以帮助我们进一步认识试验所得到的数据的可靠性和适用性，以解决土工试验数据的多变性、复杂性和不确定性问题。

　　此外，开土描述在验证取土质量、复核测试成果中具有重要的作用，应该给予重视。如果开土记录为硬塑状态，而结果却是流塑状态，则说明有可能样品混错、含水量测定有问题、或液限、塑限试验存在误差。

　　5、结语

　　土工试验是岩土工程勘察工作的重要组成部分，它是进行土类定名和划分土层的重要依据，同时也可为工程设计和施工提供必不可少的参数。其准确性直接影响工程的质量和安全性。自然界的岩土因其物质成分、原位应力场和应力历史、工程活动引起的新应力场和新边界条件等诸因素的差异，决定了岩土试样在工程性状上的差别，因此，在试验结果中会经常出现一些异常现象。所以试验人员应该本着实事求是的态度，对试验本身高度重视，对试验数据进行必要的校核、分析和评价，选用合适的土性指标，把可能存在的各种问题解决，尽可能反映其真实的工程性质。只有这样才能保证最终测试成果的准确可靠，才能为工程建设与施工提供更准确可靠的依据，保证工程的安全性、合理性和经济性，更好地为工程建设服务。

　　参考文献:

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