簡(jiǎn)析土工試驗(yàn)過(guò)程中的主要影響因素

【摘要】各類工程項(xiàng)目的土工試驗(yàn)得出的物理和力學(xué)參數(shù)，直接影響到工程質(zhì)量。因此，嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)是提供符合原位物理力學(xué)指標(biāo)的依據(jù)，這就要求我們從樣品選擇、制備、儲(chǔ)存、試驗(yàn)、結(jié)果判別等方面根據(jù)不同的物理力學(xué)指標(biāo)需要嚴(yán)格按規(guī)范操作。但因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中存在的一些客觀因素，加上試驗(yàn)人員的不同理解，均會(huì)對(duì)試驗(yàn)真實(shí)結(jié)果形成一些偏差。為了盡量減少偏差，需要找到在試驗(yàn)過(guò)程中可能的影響因素，提供給試驗(yàn)人員以便在試驗(yàn)中依據(jù)規(guī)范試驗(yàn)操作，消除主觀影響，減少客觀不良因素。

【關(guān)鍵詞】土工試驗(yàn)過(guò)程；主要影響；因素

1、導(dǎo)言

土工試驗(yàn)是巖土工程勘察方法之一，主要用來(lái)測(cè)定巖土的物理性指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)，這些指標(biāo)不僅能反映土的工程地質(zhì)性質(zhì)，更是計(jì)算勘察報(bào)告中地基的承載能力、沉降量等的重要依據(jù)和參數(shù)。然而，由于巖土自身的復(fù)雜性，取樣、運(yùn)輸過(guò)程中的擾動(dòng)，以及試驗(yàn)儀器、操作方法和數(shù)據(jù)處理方法的差異及試驗(yàn)人員素質(zhì)不同等，使得土工試驗(yàn)結(jié)果存在各種問(wèn)題，在一定程度上影響巖土工程勘察的準(zhǔn)確性，最終影響工程的穩(wěn)定性及安全性。

2、含水率試驗(yàn)中的影響因素

含水率的定義為試樣在105～110℃溫度下烘干至恒重時(shí)所失去的水分質(zhì)量和恒重后干土質(zhì)量的比值，采用百分?jǐn)?shù)表示。特別地，對(duì)有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)5%的土，烘干溫度采用65～70℃；對(duì)含石膏的土，烘干溫度不超過(guò)80℃。含水率的改變，不僅會(huì)影響密度等物理指標(biāo)，而且會(huì)極大地影響強(qiáng)度和變形等力學(xué)指標(biāo)。對(duì)含水率試驗(yàn)結(jié)果可能產(chǎn)生影響的因素有：1）鉆探取土?xí)r沖洗液的滲入或土樣存儲(chǔ)和運(yùn)輸時(shí)水分的損失。2）試驗(yàn)時(shí)取樣的代表性不夠或取樣太少，尤其對(duì)砂土。3）濕土稱量前水分的蒸發(fā)或干土稱量前水分的吸收；干土稱量前必須放入干燥器中進(jìn)行冷卻，一方面可以避免熱的干土吸水，另一方面可以避免熱氣流的上升對(duì)稱量結(jié)果的影響；試驗(yàn)表明：將熱的干土從烤箱中取出后直接進(jìn)行稱量，每隔一分鐘獲取一次試驗(yàn)結(jié)果，得到的含水率值在前幾分鐘內(nèi)迅速減小，然后逐漸趨于平緩，半個(gè)小時(shí)后含水率值較之前減小約2%。當(dāng)然該結(jié)論與土的類別、試樣質(zhì)量和環(huán)境條件有關(guān)。4）對(duì)于水分中溶解鹽分較高的土，如海上土，溶解鹽量高達(dá)幾十至上百克/千克土，這一部分鹽的質(zhì)量理應(yīng)算入水分，然而在烘烤后該鹽分變?yōu)楣腆w被算入干土質(zhì)量，導(dǎo)致得到的含水率值偏低。

3、密度試驗(yàn)中的影響因素

環(huán)刀法是測(cè)量試樣密度的基本方法：將體積已知的環(huán)刀平穩(wěn)地壓入土樣，其質(zhì)量與體積的比值即為土樣的密度。對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果可能產(chǎn)生影響的因素有：1）鉆探取土?xí)r或土樣推出取樣管時(shí)的擠壓會(huì)導(dǎo)致密度值偏高；取土導(dǎo)致的原位應(yīng)力釋放的膨脹會(huì)使這一試驗(yàn)過(guò)程后的密度值較之前降低。2）試驗(yàn)時(shí)取樣的代表性不夠。3）環(huán)刀下壓時(shí)不垂直，使得試樣與天然土的結(jié)構(gòu)不符。4）環(huán)刀刃口出現(xiàn)卷曲，或壓入時(shí)出現(xiàn)晃動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致密度偏低。

4、顆粒比重試驗(yàn)中的影響因素

顆粒比重定義為土顆粒在105～110℃溫度下烘干至恒重時(shí)質(zhì)量與同體積4℃時(shí)的純水質(zhì)量的比值。顆粒密度與顆粒比重在數(shù)值上可認(rèn)為相等（因?yàn)樗拿芏燃s為1g/cm3），前者單位為g/cm3，后者無(wú)量綱。顆粒比重試驗(yàn)最主要的工作是測(cè)量四個(gè)質(zhì)量，分別為：瓶重、瓶水重、瓶土重和瓶土水重；而最關(guān)鍵的工作是徹底地排除水中和土中的氣體；準(zhǔn)確和細(xì)致的操作方能是得到準(zhǔn)確結(jié)果的保證。對(duì)顆粒比重試驗(yàn)結(jié)果可能產(chǎn)生影響的因素有：1）試驗(yàn)時(shí)取樣的代表性不夠。2）如果粗顆粒內(nèi)部有空隙，那么碾碎的程度也會(huì)影響結(jié)果。3）土中含有機(jī)質(zhì)或易溶巖等而采用純水作為溶液時(shí)，由于部分物質(zhì)溶解導(dǎo)致得到的比重值偏大。4）瓶的校準(zhǔn)與試驗(yàn)應(yīng)為同一操作人員，不同人員蓋瓶塞的松緊程度和在擦干瓶時(shí)對(duì)塞口處積水處理上的習(xí)慣各有不同，而這些習(xí)慣均會(huì)不同程度的導(dǎo)致結(jié)果的誤差。5）在抽氣或煮沸過(guò)程中，確保土顆粒不飛出，并確保土中和水中的氣體完全排出至關(guān)重要。土顆粒飛出會(huì)導(dǎo)致結(jié)果偏大，而試驗(yàn)中氣體未完全排出則導(dǎo)致結(jié)果偏小。在抽氣或煮沸一段時(shí)間后搖動(dòng)一次比重瓶將得到較好的除氣效果。

5、顆粒分析試驗(yàn)中的影響因素

采用土壤篩或密度計(jì)等，對(duì)土進(jìn)行顆粒粒徑組（如0～0.075mm、0.075～0.25mm、0.25～0.5mm、0.5～2mm）的質(zhì)量百分含量檢測(cè)的方法叫顆分試驗(yàn)。大于0.075mm的顆粒采用篩析法，小于0.075mm的顆粒一般采用密度計(jì)法。

5.1篩析法

篩析法又分為干法和濕法，干法只適應(yīng)于含泥量很少的純砂。對(duì)篩析法結(jié)果可能產(chǎn)生影響的因素有：1）干法和濕法的結(jié)果差異較大。試驗(yàn)表明：對(duì)于同一試樣，即使干法的搗碎和分散做到很仔細(xì)，所得到的含泥量為5%～10%，而濕法得到含泥量可達(dá)10%～25%。2）取樣數(shù)量的影響：對(duì)不同顆粒尺寸的土需取一定范圍內(nèi)的試樣質(zhì)量，過(guò)少?zèng)]有代表性，過(guò)多又難以通過(guò)篩網(wǎng)。該規(guī)定應(yīng)同時(shí)考慮篩盤(pán)的大小，大篩盤(pán)取樣較多，小篩盤(pán)取樣較少。3）振篩時(shí)間應(yīng)為10～15min。4）干法的搗碎工具和濕法的過(guò)水篩工具也會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。

5.2密度計(jì)法

對(duì)密度計(jì)法結(jié)果可能產(chǎn)生影響的因素有：1）過(guò)0.075mm水篩時(shí)產(chǎn)生的誤差。一方面，由于限制用水量不超過(guò)1L，細(xì)顆粒不可能全部洗入量筒；另一方面，用刷子刷篩網(wǎng)上的試樣時(shí)可能會(huì)帶入少量粗顆粒。2）當(dāng)試樣中鹽分含量較高時(shí)，正價(jià)離子會(huì)和黏粒吸附在一起，導(dǎo)致不能分散。此時(shí)應(yīng)進(jìn)行洗鹽，但由于洗鹽操作復(fù)雜，很多試驗(yàn)室有意忽視了該步驟。筆者在對(duì)比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：如果鹽分高而未進(jìn)行洗鹽，那么加分散劑的量、洗入量筒至開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)間的長(zhǎng)短均會(huì)較大地影響試驗(yàn)結(jié)果。3）試驗(yàn)用水含較多礦物質(zhì)時(shí)也會(huì)同理影響試驗(yàn)結(jié)果。

6、界限含水率試驗(yàn)中的影響因素

當(dāng)土的含水率由高到低變化時(shí)，土的狀態(tài)經(jīng)歷液態(tài)、可塑態(tài)、半固態(tài)和固態(tài)。其中由可塑態(tài)進(jìn)入液態(tài)的分界含水率叫液限，由可塑態(tài)進(jìn)入半固態(tài)的分界含水率叫塑限，由半固態(tài)進(jìn)入固態(tài)的分界含水率叫縮限。工程上一般采用液限和塑限來(lái)判斷土的粘（粉）性，以及天然含水率條件下土的軟硬程度等。

6.1液限

液限一般采用錐式法，注意不同的標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范的錐重和貫入深度有所不同。例如：國(guó)標(biāo)采用76g錐10mm、76g錐17mm；公路標(biāo)準(zhǔn)采用76g錐17mm、100g錐20mm；港工標(biāo)準(zhǔn)采用76g錐10mm等等。對(duì)錐式法結(jié)果可能產(chǎn)生影響的因素有：1）制樣是關(guān)鍵。需加純水充分調(diào)勻后浸潤(rùn)過(guò)夜?？刹捎锰烊缓?、風(fēng)干、液限狀態(tài)下的試樣，不允許采用烘干試樣，尤其是對(duì)粘土和淤泥性土。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)粘土和淤泥性土烘干后進(jìn)行試驗(yàn)，得到的液限將大大偏低，往往導(dǎo)致黏土被錯(cuò)誤的定性為粉質(zhì)黏土。2）當(dāng)采用單點(diǎn)法時(shí)，由于準(zhǔn)確得到10mm、17mm、20mm的貫入深度有一定的難度，需要試驗(yàn)人員有良好的手感和豐富的經(jīng)驗(yàn)。有些試驗(yàn)人員缺乏責(zé)任心，或工作量大而不能嚴(yán)格要求，這也是導(dǎo)致誤差的一個(gè)重要原因。解決這個(gè)問(wèn)題可采用修正法，即將接近規(guī)定貫入深度的液限修正到規(guī)定貫入深度，但目前這種方法還沒(méi)有寫(xiě)進(jìn)國(guó)內(nèi)規(guī)范。

6.2塑限

塑限一般采用聯(lián)合測(cè)定法，或搓條法。其中聯(lián)合測(cè)定法一般選擇2mm貫入深度對(duì)應(yīng)的含水量為塑限，但這種規(guī)定忽視了不同土類的差別。對(duì)粉性土，貫入深度2mm時(shí)的試樣往往過(guò)于干燥而分散，根本無(wú)法塑形。公路標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同液限來(lái)得到不同土類對(duì)應(yīng)的塑限貫入深度，這種做法值得肯定。對(duì)搓條法結(jié)果可能產(chǎn)生影響的因素有：1）制樣是關(guān)鍵。同錐式法測(cè)液限的要求。在進(jìn)行滾搓之前試樣的含水率應(yīng)控制在略大于塑限。2）試驗(yàn)人員的手感和經(jīng)驗(yàn)更為重要，不同人員得到的結(jié)果會(huì)有一定的差異，對(duì)低液限土尤是如此。

7、直剪試驗(yàn)中的影響因素

直剪試驗(yàn)通常采用4個(gè)試樣，分別在不同的垂直壓力下施加水平剪切力，測(cè)得試樣破壞時(shí)的抗剪強(qiáng)度，然后根據(jù)庫(kù)倫定律確定土的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。當(dāng)施加垂直壓力后迅速施加水平剪切力，且由于剪切速率大而試樣來(lái)不及排水，此時(shí)為快剪試驗(yàn)。當(dāng)然，完全不排水是不可能的，這也是直剪試驗(yàn)最大的缺點(diǎn)。當(dāng)施加垂直壓力后等待固結(jié)穩(wěn)定，再施加水平剪切力至試樣破壞，剪切過(guò)程不排水，此時(shí)叫固結(jié)快剪試驗(yàn)。對(duì)直剪試驗(yàn)結(jié)果可能產(chǎn)生影響的因素有：1）對(duì)于力學(xué)試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，取土、制樣和裝樣的擾動(dòng)，以及試樣的代表性問(wèn)題是導(dǎo)致結(jié)果偏差的最大影響因素。2）直剪試驗(yàn)無(wú)法真正控制排水，大壓力下比小壓力排水更甚。3）直剪試驗(yàn)適用于滲透系數(shù)小于10-6cm/s的土，但由于該試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期、大范圍使用而具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，因此對(duì)條件不滿足的土仍常見(jiàn)地采用該試驗(yàn)方法。4）國(guó)內(nèi)直剪儀的結(jié)構(gòu)使得測(cè)力環(huán)難以保證完全水平和對(duì)中，稍有偏差將使得結(jié)果大大偏小。5）快剪試驗(yàn)在施加垂直壓力后應(yīng)立即開(kāi)始剪切，否則將導(dǎo)致排水。6）固結(jié)快剪試驗(yàn)有時(shí)采用預(yù)壓儀進(jìn)行固結(jié)，再在直剪儀上剪切，在轉(zhuǎn)移過(guò)程中不可避免地發(fā)生回彈。應(yīng)該在直剪儀上繼續(xù)固結(jié)一小段時(shí)間，這往往為試驗(yàn)人員所忽視。

8、結(jié)語(yǔ)

土工試驗(yàn)的質(zhì)量是試驗(yàn)室的生命，而人員的素質(zhì)、設(shè)備的條件、土樣的質(zhì)量、試驗(yàn)方法的規(guī)范以及試驗(yàn)室的環(huán)境是土工試驗(yàn)質(zhì)量的保證。經(jīng)典的“人、機(jī)、料、法、環(huán)”質(zhì)量因素的控制，不僅適合于現(xiàn)場(chǎng)管理、產(chǎn)品制造等過(guò)程，同樣適用于土工試驗(yàn)過(guò)程的質(zhì)量管理。通過(guò)國(guó)家、行業(yè)、企業(yè)、個(gè)人多方共同努力，建立健全各項(xiàng)相關(guān)機(jī)制，加強(qiáng)試驗(yàn)室硬件建設(shè)、人員培訓(xùn)和新技術(shù)新設(shè)備的研發(fā)，達(dá)到提高試驗(yàn)人員認(rèn)識(shí)及專業(yè)技術(shù)水平（人）、提高設(shè)備儀器質(zhì)量與精度（機(jī)）、提高土樣質(zhì)量（料）、增強(qiáng)試驗(yàn)規(guī)范性（法）和環(huán)境（環(huán)）有序性的目的，最終保證土工試驗(yàn)成果的真實(shí)性、可靠性、準(zhǔn)確性，從而確保工程安全性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈桂紅，林紅，趙起超，趙狄.試論土工試驗(yàn)[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2011，11（11）：259-260.

[2]燕碧華.試論室內(nèi)土工試驗(yàn)的質(zhì)量管理[J].西部探礦工程，2011，23（12）：4-6.

[3]劉宇輝，解亞雄，易喆.影響土工試驗(yàn)質(zhì)量因素的控制[J].山西建筑，2015，41（22）：205-206.

[4]陳延峰.土工試驗(yàn)常見(jiàn)問(wèn)題分析[J].林業(yè)科技情報(bào)，2016，48（03）：114-116+120.