水利工程土工試驗若干問題探討

李翠芝

摘要：土工試驗是水利工程勘察的一個重要環(huán)節(jié)，其目的是測定土的基本物理、力學(xué)性質(zhì)，為工程勘察和設(shè)計提供可靠的計算數(shù)據(jù)。本文結(jié)合筆者多年的工作實踐經(jīng)驗，剖析水利工程土工試驗中常出現(xiàn)的問題，并且探討出解決方法與應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞：水利工程；土工試樣；問題分析

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水利工程項目也日益增多。而在水利工程項目施工過程中，土工試驗占據(jù)著十分重要的地位，土工試驗需要準(zhǔn)確的地質(zhì)勘查和了解土的各項物理性質(zhì)和力學(xué)指標(biāo)等，還要確定土樣的定性、定理分析與各種評價，為地質(zhì)勘察報告提供重要資料。但是在細節(jié)處理和如何更快捷得出科學(xué)合理的結(jié)果還是需要一定的經(jīng)驗，因此，要把地質(zhì)勘查結(jié)果與工作實踐經(jīng)驗相結(jié)合起來方能得出正確的解決方法和應(yīng)對措施，從而為施工單位提供準(zhǔn)確的、有效的和科學(xué)的土工試驗報告，以便水利工程順利完工。

1、土的物理性質(zhì)試驗

1.1 含水率試驗

土層的不均勻、取樣擾動、取土器和筒壁的擠壓、土樣在運輸和存放期間保護不當(dāng)而失水等均會引起含水率的變化。在試驗室若操作不合理同樣會影響土樣含水率的測試結(jié)果，這主要表現(xiàn)在以下方面：①取樣點的位置不同，尤其是對粉質(zhì)含量高的粘性土、粉土、砂土，樣品的上、中、下不同部位含水量會有較大的差別，為克服這種影響可分上中下不同部位同時取等量樣品，加以混合后再取為含水量試驗樣品；②鋁盒烘干時應(yīng)開口，以利水的充分蒸發(fā)。鋁盒質(zhì)量應(yīng)定期標(biāo)定；鋁盒在長期使用過程中由于氧化、磨損其質(zhì)量也有一定變化，定期標(biāo)定能有效降低試驗誤差；③烘干時間及溫度也會對含水率構(gòu)成影響。粘粒含量很高的土類，如紅粘土、膨脹土粘粒含量很高，有更大的比表面積，吸附水能力強，需105℃～110℃烘干8h以上，對砂土不得小于6h，但對含有機質(zhì)的土（尤其是有機質(zhì)含量大于5%的土），應(yīng)在65℃～70℃烘至恒重，溫度過高會造成有機質(zhì)的損失，使含水量偏大。

1.2 土粒比重試驗

土粒比重是土粒質(zhì)量與同體積純蒸餾水在4℃時的質(zhì)量比值，是土的基本物理指標(biāo)之一。從理論上講要得到一個準(zhǔn)確的土粒比重值較為困難，因為國標(biāo)中采用的試驗方法存在下列因素的影響：①結(jié)合水的影響。土粒帶負電荷，與其周圍的水相互作用，形成結(jié)合水，這部分結(jié)合水在土粒烘干溫度下仍然吸附在粘粒表面，使測出的土粒體積大于實際體積，從而測試結(jié)果偏小。②土粒間膠結(jié)物固化的影響。制備試樣在烘干過程中，不可溶的膠態(tài)次生礦物如二氧化硅、粘土礦物等易固化形成團粒，形成的團粒較難靠水的作用分散，加熱煮沸對團粒不能達到完全分散的作用，使計算出的土粒相對密度偏小。

1.3 界限含水量試驗

液塑限聯(lián)合測定法的理論基礎(chǔ)是圓錐下沉深度與相應(yīng)的含水率在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上具有直線關(guān)系。液、塑限聯(lián)合測定法的界限含水量土樣制備方式對比較均勻的土可采用天然含水狀態(tài)的土樣；對不均勻的土樣，采用風(fēng)干土樣，當(dāng)試樣中含有粒徑大于0.5mm的土粒和雜物時，應(yīng)過0.5mm的篩，在實際操作中常存在對土中少量原生的鐵、錳質(zhì)結(jié)核直接壓碎混入土中情況，這種方法造成土的液、塑限含水量偏小；采用風(fēng)干土樣作界限含水率試驗時，樣品須浸泡過夜方可試驗，否則試驗結(jié)果偏低。

1.4 顆粒分析試驗

密度計法主要適用于粒徑小于0.075mm的土。顆粒分析試驗是不可缺少的室內(nèi)試驗步驟，由于密度計法顆粒分析試驗較復(fù)雜，有些單位重視不足甚至省略了該試驗，顆粒分析試驗不僅對粉土承載力特征值深寬修正、液化判別有用，而且顆粒分析試驗是土體定名不可或缺的數(shù)據(jù)，規(guī)范規(guī)定：粉土是粒徑大于0.075mm的顆粒質(zhì)量不超過總質(zhì)量的50%，且塑性指數(shù)≤10的土，目前仍然出現(xiàn)粉土定名不考慮顆分試驗結(jié)果而僅按塑性指數(shù)≤10來定名的誤區(qū)，我們知道粉砂有時也可測定出一定的塑性指數(shù)，若僅按塑性指數(shù)劃分粉土必然會造成一些誤判。密度計法雖然使用廣泛，但該法也并非完美。密度計法的土粒粒徑計算公式為斯托克公式，該公式是低速運動的微小球形顆粒在層流條件下，僅考慮介質(zhì)對粘阻力和有效重力條件下導(dǎo)出的。層流的判定是根據(jù)水力學(xué)中的雷諾數(shù) 來判定的，當(dāng)試驗懸液溫度大于28℃時，雷諾數(shù)將大于0.5，超出公式適用范圍，所以進行顆粒分析試驗時懸液溫度不應(yīng)大于28℃。另外實際試驗的土顆粒形狀一般都不是球形，而是具有不規(guī)則形狀的顆粒，理論上顆粒形狀愈不規(guī)則顆粒下降阻力愈大，沉降速度越慢，而斯托克公式?jīng)]有考慮顆粒形狀的影響，結(jié)果是實測沉降速度L/t偏大，這會造成試驗測得的粘粒含量偏高。故在應(yīng)用試驗結(jié)果時應(yīng)對試驗數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗修正，這可以根據(jù)經(jīng)驗建立修正關(guān)系式進行解決。據(jù)資料可將斯托克公式修正為，式中Ps和Pg分別為顆粒修正系數(shù)和干涉沉降修正系數(shù)。結(jié)合5組對比試驗數(shù)據(jù)，顆粒分析成果對比見表1，對于采用修正公式計算的粘粒含量明顯比采用理論公式低，一般情況下粘粒含量越高，兩者計算的值相差也越大。

2、土的力學(xué)性質(zhì)試驗

2.1 固結(jié)試驗

土的固結(jié)試驗是測定土體在壓力作用下的壓縮系數(shù)α、壓縮模量Es及固結(jié)系數(shù)Cv，是計算地基土的沉降量及判斷土體固結(jié)特性的重要參數(shù)。在試驗時常有以下因素影響其準(zhǔn)確度：①儀器必須定期校正，頻繁拆缷儀器、透水石磨損、濾紙規(guī)格的變化等因素都會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。②上、下透水石的含水量應(yīng)接近土的天然含水量，透水石的含水量差異會對土體固結(jié)產(chǎn)生一定程度的變化，這種變化對一般的土樣影響比較隱蔽，不易發(fā)現(xiàn)，但對具膨脹性的土樣會有很大的影響。當(dāng)透水石的含水量較土樣含水量大時會引起土樣吸水膨脹，出現(xiàn)前后級荷載百分表讀數(shù)差別很小的現(xiàn)象，有時甚至出現(xiàn)后級讀數(shù)較前級讀數(shù)小的異常情況。在透水石含水量較土樣含水量小時，會加速土樣的失水收縮趨勢，造成壓縮量過大。③安裝試樣儀器歸零必須嚴(yán)格到位，環(huán)刀上、下土面必須緊密與上、下透水石處的濾紙接觸。由于環(huán)刀使用時外力破壞會出現(xiàn)外徑變化情況，使得環(huán)刀不能有效放入規(guī)定限位，造成透水石不能與環(huán)刀上、下土面有效接觸，使初級壓縮偏大，產(chǎn)生實驗誤差。④百分表歸零時應(yīng)使百分表量測的活動軸桿有足夠的量程，以避免壓縮變形量較大時，儀器量程小于土樣壓縮變形而造成壓縮試驗的失真。

2.2 抗剪強度試驗

2.2.1 直接剪切試驗

直剪試驗方便簡單，是強度試驗的重要手段。理論上根據(jù)庫侖定律S=C+tgφ的各級荷載點應(yīng)是直線的線性關(guān)系，直線傾角為φ，直線在縱軸截距即C，即抗剪強度指標(biāo)可用線性回歸方法求解，在線性回歸計算時，如果四級荷載剪切試驗點不同時在一條直線上時，可采用三角形重心法作圖進行計算取值。如果四級荷載剪切試驗點C、φ值相關(guān)系數(shù)滿足一定值時，則認為此組樣的線性相關(guān)性好，指標(biāo)可信度就高。但由于直剪試驗受力條件復(fù)雜，在試驗過程中常出現(xiàn)較軟的土缺少峰值強度的情況，剪切強度指標(biāo)回歸性較差、數(shù)據(jù)可靠度低。

2.2.2 三軸壓縮試驗

三軸壓縮試驗由于試樣受力狀態(tài)可以控制，剪切時剪切面是沿著軟弱面破損的，又能控制試樣的排水條件，能夠準(zhǔn)確地測定土的孔隙壓力及體積變化，和直剪相比具有明顯的優(yōu)點，是目前認為的相對準(zhǔn)確的室內(nèi)剪切試驗方法，尤其是在重要工程勘察中必須進行三軸剪切試驗。常規(guī)三軸儀在業(yè)界廣為應(yīng)用，但并不完美，它仍存在設(shè)備柔性誤差、端部約束誤差及基座誤差。設(shè)備柔性誤差指測量試樣的初始高度及剪切過程中的高度時不透水板（透水板）、橡皮膜、濾紙及承載筒等設(shè)備的固有變形，雖然增大設(shè)備的剛度可消除該類誤差，但在小應(yīng)變測量時由于橡皮膜部分嵌入試樣表面顆粒的空隙會對高度測量的影響比較明顯，導(dǎo)致土體剛度小于現(xiàn)場試驗剛度。

3、結(jié)束語

總之，水利工程是否順利完工，與其土工試驗報告是否精確以及試樣制備、土的物理性質(zhì)以及土的力學(xué)性質(zhì)相關(guān)。因此，要及時對土工試驗過程中出現(xiàn)的漏洞進行補漏和針對不同土質(zhì)采用相對的靈活措施，做到謹(jǐn)慎嚴(yán)密和靈活變通，這樣才能為土工試驗提供極有力的地質(zhì)勘查報告，然而建設(shè)更好的水利工程。

參考文獻

[1]李??；土工試驗中應(yīng)注意的問題與試驗成果的綜合分析[J]；資源環(huán)境與工程；2018

[2]魯琴；土工試驗常見問題和試驗成果分析[J]；河南水利與南水北調(diào)；2016

（作者單位：河北恒生永筑巖土工程有限公司）