简析土工试验过程中的主要影响因素

黄文生

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

摘要：对土工试验过程中的影响因素进行总结，依据丰富的生产实践经验分析其对试验结果的影响方向和程度。研究成果可为土工试验人员提供经验参考和方法，以便获得更加准确的试验结果，进而更好的服务于实际工程。

关键词：土工试验；影响因素；结果分析

各类工程项目的土工试验得出的物理和力学参数，直接影响到工程质量。因此，严格按照试验规程进行试验是提供符合原位物理力学指标的依据，这就要求我们从样品选择、制备、储存、试验、结果判别等方面根据不同的物理力学指标需要严格按规范操作。但因为试验过程中存在的一些客观因素，加上试验人员的不同理解，均会对试验真实结果形成一些偏差。为了尽量减少偏差，需要找到在试验过程中可能的影响因素，提供给试验人员以便在试验中依据规范试验操作，消除主观影响，减少客观不良因素。本文利用近几年实际勘察项目中采用不同取土设备获得的土样，通过不同方式进行土工试验获得的资料，分析了各种试验指标在不同试验影响条件下的特征，总结分析土工试验过程中的影响因素，对获取准确、真实的试验结果提供一定借鉴经验。

含水率的定义为试样在105～110 ℃温度下烘干至恒重时所失去的水分质量和恒重后干土质量的比值，采用百分数表示。特别地，对有机质含量超过5 %的土，烘干温度采用65～70 ℃；对含石膏的土，烘干温度不超过80 ℃。

含水率的改变，不仅会影响密度等物理指标，而且会极大地影响强度和变形等力学指标。

对含水率试验结果可能产生影响的因素有：

1）钻探取土时冲洗液的渗入或土样存储和运输时水分的损失。

2）试验时取样的代表性不够或取样太少，尤其对砂土。

3）湿土称量前水分的蒸发或干土称量前水分的吸收；干土称量前必须放入干燥器中进行冷却，一方面可以避免热的干土吸水，另一方面可以避免热气流的上升对称量结果的影响；试验表明：将热的干土从烤箱中取出后直接进行称量，每隔一分钟获取一次试验结果，得到的含水率值在前几分钟内迅速减小，然后逐渐趋于平缓，半个小时后含水率值较之前减小约2 %。当然该结论与土的类别、试样质量和环境条件有关。

4）对于水分中溶解盐分较高的土，如海上土，溶解盐量高达几十至上百克/千克土，这一部分盐的质量理应算入水分，然而在烘烤后该盐分变为固体被算入干土质量，导致得到的含水率值偏低。

环刀法是测量试样密度的基本方法：将体积已知的环刀平稳地压入土样，其质量与体积的比值即为土样的密度。

对密度试验结果可能产生影响的因素有：

1）钻探取土时或土样推出取样管时的挤压会导致密度值偏高；取土导致的原位应力释放的膨胀会使这一试验过程后的密度值较之前降低。

2）试验时取样的代表性不够。

3）环刀下压时不垂直，使得试样与天然土的结构不符。

4）环刀刃口出现卷曲，或压入时出现晃动均会导致密度偏低。

颗粒比重定义为土颗粒在105～110 ℃温度下烘干至恒重时质量与同体积4 ℃时的纯水质量的比值。颗粒密度与颗粒比重在数值上可认为相等（因为水的密度约为1 g/cm3），前者单位为g/cm3，后者无量纲。

颗粒比重试验最主要的工作是测量四个质量，分别为：瓶重、瓶水重、瓶土重和瓶土水重；而最关键的工作是彻底地排除水中和土中的气体；准确和细致的操作方能是得到准确结果的保证。

对颗粒比重试验结果可能产生影响的因素有：

1）试验时取样的代表性不够。

2）如果粗颗粒内部有空隙，那么碾碎的程度也会影响结果。

3）土中含有机质或易溶岩等而采用纯水作为溶液时，由于部分物质溶解导致得到的比重值偏大。

4）瓶的校准与试验应为同一操作人员，不同人员盖瓶塞的松紧程度和在擦干瓶时对塞口处积水处理上的习惯各有不同，而这些习惯均会不同程度的导致结果的误差。

5）在抽气或煮沸过程中，确保土颗粒不飞出，并确保土中和水中的气体完全排出至关重要。土颗粒飞出会导致结果偏大，而试验中气体未完全排出则导致结果偏小。在抽气或煮沸一段时间后摇动一次比重瓶将得到较好的除气效果。

采用土壤筛或密度计等，对土进行颗粒粒径组（如0～0.07 5 mm、0.07 5～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～2 mm）的质量百分含量检测的方法叫颗分试验。大于0.07 5 mm的颗粒采用筛析法，小于0.07 5 mm的颗粒一般采用密度计法。

4.1 筛析法

筛析法又分为干法和湿法，干法只适应于含泥量很少的纯砂。

对筛析法结果可能产生影响的因素有：

1）干法和湿法的结果差异较大。试验表明：对于同一试样，即使干法的捣碎和分散做到很仔细，所得到的含泥量为5 %～10 %，而湿法得到含泥量可达10 %～25 %。

2）取样数量的影响：对不同颗粒尺寸的土需取一定范围内的试样质量，过少没有代表性，过多又难以通过筛网。该规定应同时考虑筛盘的大小，大筛盘取样较多，小筛盘取样较少。

3）振筛时间应为10～15 min。

4）干法的捣碎工具和湿法的过水筛工具也会影响试验结果。

4.2 密度计法

对密度计法结果可能产生影响的因素有：

1）过0.07 5 mm水筛时产生的误差。一方面，由于限制用水量不超过1 L，细颗粒不可能全部洗入量筒；另一方面，用刷子刷筛网上的试样时可能会带入少量粗颗粒。

2）当试样中盐分含量较高时，正价离子会和黏粒吸附在一起，导致不能分散。此时应进行洗盐，但由于洗盐操作复杂，很多试验室有意忽视了该步骤。笔者在对比试验中发现：如果盐分高而未进行洗盐，那么加分散剂的量、洗入量筒至开始试验时间的长短均会较大地影响试验结果。

3）试验用水含较多矿物质时也会同理影响试验结果。

当土的含水率由高到低变化时，土的状态经历液态、可塑态、半固态和固态。其中由可塑态进入液态的分界含水率叫液限，由可塑态进入半固态的分界含水率叫塑限，由半固态进入固态的分界含水率叫缩限。工程上一般采用液限和塑限来判断土的粘（粉）性，以及天然含水率条件下土的软硬程度等。

5.1 液限

液限一般采用锥式法，注意不同的标准/规范的锥重和贯入深度有所不同。例如：国标采用76 g锥10 mm、76 g锥17 mm；公路标准采用76 g锥17 mm、100 g锥20 mm；港工标准采用76 g锥10 mm等等。

对锥式法结果可能产生影响的因素有：

1）制样是关键。需加纯水充分调匀后浸润过夜。可采用天然含水量、风干、液限状态下的试样，不允许采用烘干试样，尤其是对粘土和淤泥性土。据经验，对粘土和淤泥性土烘干后进行试验，得到的液限将大大偏低，往往导致黏土被错误的定性为粉质黏土。

2）当采用单点法时，由于准确得到10 mm、17 mm、20 mm的贯入深度有一定的难度，需要试验人员有良好的手感和丰富的经验。有些试验人员缺乏责任心，或工作量大而不能严格要求，这也是导致误差的一个重要原因。解决这个问题可采用修正法，即将接近规定贯入深度的液限修正到规定贯入深度，但目前这种方法还没有写进国内规范。

5.2 塑限

塑限一般采用联合测定法，或搓条法。其中联合测定法一般选择2 mm贯入深度对应的含水量为塑限，但这种规定忽视了不同土类的差别。对粉性土，贯入深度2 mm时的试样往往过于干燥而分散，根本无法塑形。公路标准根据不同液限来得到不同土类对应的塑限贯入深度，这种做法值得肯定。

对搓条法结果可能产生影响的因素有：

1）制样是关键。同锥式法测液限的要求。在进行滚搓之前试样的含水率应控制在略大于塑限。

2）试验人员的手感和经验更为重要，不同人员得到的结果会有一定的差异，对低液限土尤是如此。

直剪试验通常采用4个试样，分别在不同的垂直压力下施加水平剪切力，测得试样破坏时的抗剪强度，然后根据库伦定律确定土的内摩擦角和内聚力。

当施加垂直压力后迅速施加水平剪切力，且由于剪切速率大而试样来不及排水，此时为快剪试验。当然，完全不排水是不可能的，这也是直剪试验最大的缺点。

当施加垂直压力后等待固结稳定，再施加水平剪切力至试样破坏，剪切过程不排水，此时叫固结快剪试验。

对直剪试验结果可能产生影响的因素有：

1）对于力学试验来说，取土、制样和装样的扰动，以及试样的代表性问题是导致结果偏差的最大影响因素。

2）直剪试验无法真正控制排水，大压力下比小压力排水更甚。

3）直剪试验适用于渗透系数小于10-6cm/s的土，但由于该试验在国内长期、大范围使用而具有丰富的经验，因此对条件不满足的土仍常见地采用该试验方法。

4）国内直剪仪的结构使得测力环难以保证完全水平和对中，稍有偏差将使得结果大大偏小。

5）快剪试验在施加垂直压力后应立即开始剪切，否则将导致排水。

6）固结快剪试验有时采用预压仪进行固结，再在直剪仪上剪切，在转移过程中不可避免地发生回弹。应该在直剪仪上继续固结一小段时间，这往往为试验人员所忽视。

将环刀制取的试样安装在固结容器中，侧向完全限制变形，在垂直方向逐级施加荷载，每一级荷载等待沉降满足稳定标准后再施加下一级荷载。

固结试验（需求解固结系数和渗透系数）适用于饱和粘土，如果只进行压缩试验（只求解压缩系数、压缩模量、前期固结压力等）则允许用于非饱和土。

对固结试验结果可能产生影响的因素有：

1）仪器各轴承的灵活性、荷载的对中和垂直与否对试验结果产生较大的影响。

2）制样时对试样表面的处理将影响结果，不允许用刮刀在试样表面来回地刮抹。

3）透水石的干湿程度将影响固结系数，最好使透水石和试样的湿度接近。

4）荷重率的大小将影响固结系数，一般采用荷载率等于1。据笔者的经验，荷重率小时得到的固结系数也小。

5）荷重率的大小还将影响前期固结压力的大小，要求如需测定前期固结压力时荷重率宜小于1，可采用0.5或0.25。

6）固结试验采用24 h作为稳定标准，当只进行压缩试验时采用每小时变形小于或等于0.01 mm作为稳定标准。

7）为了防止试样的干缩被误当成沉降，对饱和土应向固结容器中注水，对非饱和土应用湿棉花保湿。

8）作回弹试验时必须注水。

9）采用时间平方根法求解固结系数时，对曲线起始直线段的选择将影响固结系数的大小。采用时间平方根法和时间对数法求的固结系数也稍有不同，据笔者经验后者一般略小于前者。

10）采用卡萨格兰德法求解前期固结压力时，对曲线曲率最大点的判断会影响前期固结压力试验值大小。此外，合适的作图纵横比也会影响前期固结压力试验值的大小，一般取纵轴Δe=0.1时与横轴一个对数长度比值为0.4～1。

本文对土工试验中的常规试验：含水率试验、密度、颗粒比重、颗粒分析、界限含水率、直剪和固结试验中的一些影响因素进行了总结与分析，并加入了笔者在生产实践中的经验与体会。

总体而言，影响土工试验结果的因素很多，有些因素往往是试验人员易于忽视的，只有在试验过程中不断积累经验并总结，才能得到科学、准确的试验结果。

参考文献：

[1] GB/T 50123-1999土工试验方法标准[S]. 中国计划出版社, 1999.

[2] SL237-1999土工试验规程[S]. 水利水电出版社, 1999.

[3] 窦宜. 土工实验室测定技术[M]. 水利水电出版社, 1987.

Brief Analysis on Main Influencing Factors of Geotechnical Test

Huang Wensheng
(CCCC-FHDI Engineering Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510230, China)

Abstract：By summarizing the influencing factors of geotechnical test, the orientation and degree of influence acting on the testing results are analyzed on the basis of rich experiences. The research results may serve as experiences and methods, which will be adopted by geotechnical testing personnel in order to obtain more accurate results and provide better service.

Key words：geotechnical test; influencing factors; result analysis

中图分类号：TU41

文献标志码：A

文章编号：1004-9592（2017）02-0105-04

DOI：10.16403/jki.ggjs20170227

收稿日期：2016-12-15

作者简介：黄文生（1964-），男，工程师，主要从事岩土测试工作。