巖土工程三種常見的室內(nèi)試驗方法優(yōu)化

王 波

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 室內(nèi)土工試驗現(xiàn)狀

室內(nèi)土工試驗是檢測各種巖土物理化學性能的重要手段。隨著水利、建筑、交通等工程的大規(guī)模建設，工程前期勘察階段的巖土試驗總量不斷增加，一次檢測的規(guī)模也大大提高。巖土作為一種古老而普通的建筑材料，其物性受到密度、含水率、顆粒大小、應力、土中骨架和化學成分的多重因素影響，巖土的力學性能又受到受力情況、應力歷史等因素的影響控制。

為了解決各類工程遇到的巖土問題，尤其是針對土工試驗中固結(jié)、強度和滲流三大核心問題，業(yè)界提出了一系列新的理論和檢測試驗方法。對照最新的國標《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019）和以前的舊規(guī)程、規(guī)范，可以發(fā)現(xiàn)新規(guī)范中基本延續(xù)了原有的檢測方式、方法，室內(nèi)土工試驗的設備和技術(shù)理論仍然沿用了傳統(tǒng)方法。

為提高工作效率和實驗質(zhì)量控制，應在總結(jié)經(jīng)驗基礎上，優(yōu)化試驗方法，通過三種試驗方法的目的、原理、儀器操作、意義等分析，正確認識土工試驗的作用及其局限性，不斷推動測試技術(shù)向深度和廣度發(fā)展。

2 土的顆粒分析試驗——篩分法

2.1 實驗目的

本實驗是為更好地測定和判斷小于一定粒徑的土體顆粒，在實驗樣本土中所占的總質(zhì)量的百分數(shù)。樣本土體是由顆粒體積不同、粒徑不同的土組成的集合體，在自然界中土顆粒的大小和其組成直接影響土的工程性能，通過測定土中各個粒組的相對含量，確定土粒徑的組成（土的顆粒級配），為土的質(zhì)性分類和工程應用提供依據(jù)。

2.2 優(yōu)化方法

以前實驗土的分選是用木棍墊在落好的篩子上面手動搖晃，現(xiàn)在實驗室已經(jīng)全部采用機械操作，普遍用上了搖篩機，節(jié)省時間和人力，加強相對效應。供工程設計以及施工所用。

2.3 操作方式

2.3.1 工具

實驗中土的粒徑分選采用圓孔土壤篩，土壤篩又分為粗篩和細篩；其中粗篩孔徑分別為60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm；細篩孔徑分別為2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm。實驗天平有三種，實驗中根據(jù)土顆粒的最大粒徑，選擇不同的稱量天平，5000g天平的最小分度值1g，1000g稱量天平的最小分度值0.1g，200g天平的最小分度值0.01g。實驗中用到的其他工具有，橡膠錘、40×60cm的磁盤、空桶等。

2.3.2 實驗步驟

取土樣風干，倒在不吸水、干燥的地面上（如瓷磚地板）平鋪，用橡膠錘輕輕敲擊大顆粒土石塊或土團（可敲碎的是土團，敲不碎的是土石塊）。

過篩取樣。通過目測較大顆粒的土石塊，用上篩20mm和下篩10mm的圓孔篩進行篩選，把較大顆粒的土石塊放在20mm的上篩進行搖篩，搖到10mm圓孔篩中的土石塊不能再篩除，則這些土石塊顆粒屬于10mm粒徑，根據(jù)規(guī)程規(guī)范列表，最大粒徑10mm，取土樣300～900g之間均可行。把粒徑10mm土樣收集起來進行拌勻，拌勻后用四分法進行縮分，先把它分成對等的兩份，沿著垂直方向再分成四份，縮分到300～900g之間。

過濾。①把四份中的一小份土放入磁盆中進行稱量（稱量時先稱皮，去皮即可得樣本凈質(zhì)量），稱量后往盆中加水，加至沒過土石塊最高面5～10cm即可。在泡水的盆中放入標簽（土的項目名稱），浸泡后進行水洗。②水洗前準備2mm的土壤篩和一個空桶，把2mm的土壤篩放到空桶上，過濾后的水土倒入空桶中，防止?jié)M溢和滲漏。把2mm的土壤篩打濕，將盆中泡水的土攪拌均勻，倒入2mm土壤篩中過濾，將盆中殘余的土渣沖洗干凈，直到盆中無任何土顆粒殘存，沖洗水變清澈。③把2mm土壤篩中的土顆粒倒入淺盤中，掛在篩中的細小顆粒用水反復沖洗，直到細小顆粒全部倒入淺盤中為止，一定做到顆粒不能丟失。把淺盤中多余的水份篦出，如果怕篦出水時漏掉土顆粒，就用吸耳球輕輕地一點一點地吸出，直到盆中沒有多余的水分為止，放入一邊等候。④將土壤篩下過濾桶里過濾后剩余的土顆粒，用0.075mm的細篩過濾，直到桶中土顆粒被沖刷干凈，水變清澈，盆中無殘渣為止，把篩中的土顆粒倒入淺盤中（方法同上），注意實驗全程不可以用手觸碰土顆粒。

烘干。把兩個淺盤放入烘箱中，溫度設為105℃，時間為1～2h，取出后冷卻至室溫，進行篩分，把細篩和粗篩分別放好，把粗顆粒放入粗篩進行逐級篩分，然后逐級進行稱量。把細顆粒放入細篩進行逐級篩分，然后逐級進行稱量，本次試驗完成。

3 土的含水率實驗——烘干法

3.1 實驗目的

本實驗是為更好地了解土類的含水情況，通過測定含水率，再計算土的孔隙比、液性指數(shù)、飽和度、干密度及其它物理力學指標，是不可缺少的一項基本實驗。實驗成果可以用來評價土的承載力和凍脹性，在工程地質(zhì)分析中起著至關重要的作用。實驗的取樣方法、樣品封存、儲存、運輸情況，以及室內(nèi)試驗時開樣、制樣等操作，都會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，進而對工程實踐中的應用造成影響。

3.2 實驗方法比較

含水率烘干法和酒精燃燒法的區(qū)別，在于適用環(huán)境不同和實驗土質(zhì)不同。酒精燃燒法適用于野外作業(yè)環(huán)境，用于測試粗顆粒土。烘干法適合于室內(nèi)作業(yè)，用于測試細粒土、粗粒土、有機質(zhì)土；烘干法是將試樣放在105℃～110℃的烘箱中，烘至恒量；如果是有機質(zhì)土，烘箱的溫度保持在70℃～80℃。

3.3 實驗優(yōu)化

原試驗過程是把稱取好的土樣放在105℃～110℃的烘箱中烘干到恒量，粘質(zhì)土的烘干時間要求不少于8h，砂類土的烘干時間要求不少于6h。實驗優(yōu)化后，可以將粘性土放在電熱板上直接烘干，粘質(zhì)土烘干時間降低到不少于3h；砂類土烘干時間降低到不少于1.5h。大大縮短了實驗時間，加強了相對效應，節(jié)省了時間和人力。

3.4 操作方式

取土樣，倒在不吸水、干燥的地面上，攪拌均勻后平鋪開，先取兩份試樣分別放入兩個磁盤中，分別把兩個磁盤去皮后稱得的質(zhì)量記錄下來。

將粘性土放在電熱板上進行直接烘干，烘干時間不少于3h；砂類土烘干時間不少于1.5h。對于有機質(zhì)超過10%的土，應將溫度控制在65℃～70℃的恒溫下烘至恒量。烘干后冷卻至室溫，稱取干土的質(zhì)量，記錄磁盤去皮后稱得的質(zhì)量，完成本次試驗。

4 土的直剪試驗

本實驗是為更好地測定和判斷土體抗剪破壞的極限能力。通過測出的內(nèi)摩擦角與粘聚力，能夠準確快速地計算出地基承載力及邊坡穩(wěn)定等。

4.1 直剪分類

根據(jù)排水條件，剪切試驗分為快剪、慢剪、固結(jié)快剪三種試驗方法。①快剪試驗，是在試樣上施加垂直壓力后，快速施加水平的剪切力，同時在剪切的過程中，不允許排水，直到試樣剪切破壞，通常適用于滲透系數(shù)小于10～6cm/s的細粒土。②固結(jié)快剪，是在試樣上施加垂直壓力，讓土樣進行排水固結(jié)，排水固結(jié)穩(wěn)定后施加一個水平剪切力，進行剪切。在剪切的過程中不允許再排水，也成為固結(jié)不排水剪。③慢剪試驗，是施加垂直壓力讓土體排水，排水固結(jié)穩(wěn)定后緩慢施加一個水平剪切力，在剪切的過程中同樣允許試樣排水固結(jié)。剪切速率應小于0.02mm/min。

4.2 直剪試驗存在哪些缺點和優(yōu)化亮點

缺點：①土樣在剪切過程中無法準確控制排水，孔隙水壓力無法量。②直剪試驗的剪切破壞面發(fā)生在剪切盒的上下盒之間，無法發(fā)生在土樣的最薄弱處。③直剪試驗中應力按照理想化的均勻分布來計算，忽略了實際試樣中有應力集中的狀態(tài)。④剪切結(jié)束以后，數(shù)據(jù)處理時選擇初始面積進行計算，忽略了土樣在上下盒之間錯位時實際剪切面積減小的情況。

優(yōu)點：制樣簡單，儀器操作簡單。

4.3 操作方式

把試樣裝入對應的三個剪切盒中，擰螺絲固定好后，檢查百分表盤螺絲是否擰緊調(diào)整為零，觀察垂直后，把秤砣放下，以0.8s的速度開始剪切。通過后面的電機進行一個推力，推動下剪切盒，下剪切盒推至前方，土層剛好處于上下剪切盒的中間位置，下剪切盒往前的同時土層就發(fā)生了剪切并且把力傳遞給百分讀表（讀表的讀數(shù)乘以校對系數(shù)等于剪切力）直至試驗完成，更換下一組試驗。

5 結(jié)語

做好三種常見的室內(nèi)土工試驗，要求試驗人員把握好每個試驗和每一實驗環(huán)節(jié)的實際操作規(guī)范，確保測定結(jié)果準確，減少實驗偏差，為工程勘察、設計、施工提供精確的數(shù)據(jù)支撐。不斷推動新技術(shù)和新設備的研發(fā)，保障土工試驗操作更高效，結(jié)論更精準。