关于土工试验中几个问题的探讨
李业军 张青 李炳炎 王娟 王鸿琼
【摘要】土工试验的主要目的是为了获取土的物理性质指标和力学性能指标，其数据准确性对岩土工程勘察、地基基础施工质量以及结构安全非常重要。主要包括土的含水率、液塑限、击实、剪切、压缩等试验，它所获得的数据可以为岩土工程勘察提供参考。本文首先对上述一些试验项目进行了简单介绍，接下来探讨了试验结果在岩土工程勘察中的应用，并分析了在应用中应注意的相关问题，在试验过程中误差产生的原因及避免的方法。
【关键词】土工试验；含水率；液、塑限；湿陷；剪切；压缩；击实
1.引言
土工试验在岩土工程勘察中占有极其重要的地位，它是进行土类定名和划分土层的重要依据之一，同时也为工程设计、施工提供必要的参数。不论工程的大小，土工试验都是必不可少的一部分，只是测试的项目不同而已。随着我国现代化建设的飞速发展，对土工试验测试技术和手段提出了更高的要求。如城市的建设，公路、铁路、地铁、高层建筑、大型水库等的建设是否安全、经济、合理等等都取决于岩土工程勘察，因此和土工试验得出的数据资料息息相关。土作为建筑物的附着物，会出现地基是否稳定和变形；作为路面和水坝的填料时，会产生土的压实性与变形；作为渠道、边坡、隧道、地下洞穴的介质时，会出现渗透和稳定性等一系列的问题［1］。
2.试验分析探讨
2.1液、塑限试验。
（1）液、塑限试验是土最重要的试验指标之一，是判定其土的分类和组别的主要依据。采用联合测定法是进行液、塑限试验最主要的方法。
用烘干样制备液、塑限样品时，须浸泡过夜方可试验，否则试验结果会偏低。对于细粒均质的软土不应烘干样品后碎样，而是采用直接调土的方式试验，否则会造成结果偏低的现象。在直接调土时必须充分调拌均匀并破坏其结构，否则结果会偏高［2］。
（2）在铁路工程勘察当中，以往的《土工试验规程》规定以76g标准圆锥体自由下沉到2mm所对应的含水率为土的液限，下沉深度在17mm所对应的含水率为土的塑限。在新的《铁路土工试验规程》中除仍然按上述的规定外，还增加了圆锥体自由下沉到10mm所对应的含水率为土的液限，并将这个指标作为细粒土二级定名的依据；在一级定名是以塑性指数为依据，但此处没有明确指出该液限值是指10mm所对应的液限值还是17mm所对应的液限值，按照常规理解，应该指17mm所对应的液限值。因此，在采用联合测定法取得有效数据在双对数坐标上绘图时，在图中获得了两个液限数据，在一级、二级定名时分别应用。但在公路标准中和铁路标准有所区别，其采用100g标准圆锥体，并以圆锥体下沉深度20mm所对应的含水率为土的液限。
2.2剪切试验。
（1）剪切试验的目的是测定土的抗剪强度指标。土的抗剪强度参数在边坡稳定分析、挡土墙土压力的估算、建筑地基承载力的计算以及稳定性的评价中都是不可少的指标。因此正确地测定土的抗剪强度指标在工程上具有重要意义。但检测过程中，有时测定的结果与理论值相差比较大，比如剪切试验测出的凝聚力C值出现负值，主要是因为试验所取的一组试样的性质相差太大，自然与理论值出现偏差，因此在制样时需取代表性土样。
（2）直接剪切试验时遇到试验的样品不均匀时，可将样品按照“软——硬——软——硬”的顺序排列做试验。若按“软——软——硬——硬”的顺序排列试验时，会出现得出的粘聚力c值为负数或内摩擦角φ值偏大的现象。对于淤泥或淤泥质土，若按照土工试验方法标准［2］对剪切速率的规定进行试验时，会出现样品被挤出而无法试验的现象。对于这种情况，一般采取比试验规程中规定的速率要快的方法，且最好在30s内结束试验才会得出比较准确的试验结果。
2.3物理学指标对压缩变形的影响。
2.3.1压缩系数、压缩模量与含水率的压实度的关系。
压缩系数随含水率（饱和度）的增加而增大，压缩模量随含水率（饱和度）的增加而减小。并且含水率小于最佳含水率时，压缩系数（压缩模量）随含水率的增加（减小）变化不显著，当含水率大于最佳含水率后，压缩系数随含水率的增加明显增大，压缩模量随含水率的增大迅速减小。
2.3.2压缩变形系数与孔隙率的关系。
压实黄土的压缩变形系数与孔隙率基本呈线性关系。随着孔隙率的增大，压实黄土压缩系数减小。说明随着荷载的增加，压实黄土的压缩系数增大，孔隙率减小。
2.3.3压实度对压缩变形的影响。
将不同压实度下的压缩试验成果按压缩变形系数和垂直压力的关系整理，得出的试验结果表明，压实度越大，压缩变形系数越小，尤其是在压实度比较小，含水率比较大的情况下，压缩变形系数显著增大。因此，为了减小黄土路基的施工后沉降，提高压实度是一种比较有效的方法。
2.4湿陷性试验。
（1）土的湿陷性即湿陷系数，是指土在一定压力作用下，下沉稳定后，受水浸湿所产生的附加下沉。影响黄土湿陷性的因素总体上可归纳为两大类：内因和外因。外因主要是压力、水和温度的作用；内因则是一个非常复杂的物理化学过程。湿陷的发生，是由土内部固有的特殊因素和外界造成的适当条件共同作用的结果。其特点是速率快、变形大、危害大。根据工程建设的需要，将土按照湿陷性进行专门分类，土可分为湿陷性土和非湿陷性土。
（2）湿陷性土在我国分布广泛，除常见的湿陷性黄土外，在我国干旱和半干旱地区，特别是在西北地区山前洪、坡积扇中常遇到湿陷性碎石土、湿陷性砂土等［3］。
（3）黄土的湿陷性可通过室内浸水压缩试验或现场测定黄土湿陷起始压力的载荷试验两种方法来判定。在工程勘察实践中，一般常采用前者，即在一定压力下测定湿陷系数δs。以δs≥0.015作为判定黄土湿陷性的标准界限。而碎石土不能进行室内浸水压缩试验，只能采用现场浸水载荷试验作为其湿陷性的基本方法。
（4）影响黄土湿陷的外部因素主要为含水率及压力，纵观我国的黄土湿陷性规范［4］，除BJB20-66规范外，其余对黄土湿陷性试验浸水压力P的规定基本是一致的，即在基底下10m以内的土层取200KPa；10m以下至非湿陷性土层顶面取其上覆土层的饱和自重压力，当大于300KPa时，仍然用300KPa。依照《湿陷性黄土地基》的解释［5］，其理由是：“我国湿陷性黄土地区一般工民建基底压力大多小于200KPa，上部土层湿陷系数峰值所对应的压力大部分在这一压力附近”。按照这种说法，在200KPa压力下得出的湿陷系数δs为最大值，推而广之，只要保证在这一压力下黄土的湿陷系数δs＜0.015，也就消除了在所有浸水压力下的湿陷性。这是目前在湿陷性黄土地区岩土工程勘察中的一个误区。
2.5击实试验。
（1）标准击实试验就是近似地模拟现场填筑情况，利用标准化的仪器和方法测出土体的最大干密度和最优含水率，用于指导施工。标准击实试验所得出的最大干密度的标准性及真实性直接关系到路基工程的质量和成本，最大干密度小于真实值则会降低路基工程的质量，最大干密度高于真实值，则会增加压实成本。但是，由于其影响因素较多，也给试验人员带来一些困难，因此只有深入学习和理解相关规范，才能使试验结果更加准确，更好地指导施工。
（2）标准击实试验的制样方法分为干法和湿法两种，其最大区别在于：干法是将试样风干或低温烘干后碾碎过筛，而湿法是将天然含水率的试样碾碎过筛。对于非高含水率的土或砂性土而言，其相对易粉碎，两种试验方法的结果差别并不明显，一般采用干法制样。对于高含水率的粘性土来说要把大部分土体原有的结构破坏而重新排列几乎不可能，实际施工中的粉碎程度也很难达到风干或低温烘干过筛的程度，若对高含水率的粘性土用干法制样则会导致最大干密度偏大、最优含水率偏小［2］。
（3）含水率是影响土体压实效果最重要的因素，含水率过大或过小都不能使土体达到最紧密的状态。当土颗粒中含水较少时，土粒表面的结合水膜较薄，几乎只有强结合水，颗粒间主要通过引力结合，相对错动困难，并趋向于任意排列，不易密实，从而干密度较低。随着含水率的增加，结合水膜增厚，颗粒间排斥力增大，土粒间存在的弱结合水膜起到一定的润滑作用，是颗粒间容易错动，因此颗粒定向排列增多，干密度相应增大。当含水率超过某一值后，虽然颗粒间引力仍能减小，但颗粒间结合水膜承担了一部分击实功，颗粒间的有效应力减小，土体不易压实；含水率继续增加，只能使密度降低。而且土样偏干时含水率变动对干密度的影响比偏湿时更明显。
（4）标准击实试验所求得的最大干密度是一个相对值，为标准击实功下的最大干密度，而击实功的大小也是一定时期内实践经验的积累。但是随着大重型压实机械的研发和应用，在单位面积上的碾压程度往往大于室内标准击实功，从而导致压实系数大于1的现象出现。
3.结论
土工试验是为岩土工程勘察工作提供试验结果的手段之一，为工程勘察和设计提供可靠的计算数据，其数据的准确性直接到影响工程的质量和安全性。当然土体自身的复杂性，会出现一些异常现象，这就要求我们本着实事求是的态度，将土的物理性质和力学性质紧密的结合进行综合性分析。由于自然界的土层的不均匀性，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一些误差，在一定程度上影响到岩土工程勘察的准确评价。因此土工试验中存在的一些问题和试验结果的综合分析有着十分重要的意义。
参考文献
［1］洪毓康等.土质学与土力学［M］.第二版.北京：人民交通出版社，1995.1.
［2］中华人民共和国建设部.GB/T50123-1999.土工试验方法标准［S］.北京：中国计划出版社，1999.10.
［3］中华人民共和国国家标准编写组.GB50021-2001.岩土工程勘察规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.
［4］中华人民共和国建设部.湿陷性黄土地区建筑规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2004.8.
［5］钱鸿缙，王继堂，罗宇生等.湿陷性黄土地基［M］.北京：中国建筑工业出版社，1985.
【摘要】土工试验的主要目的是为了获取土的物理性质指标和力学性能指标，其数据准确性对岩土工程勘察、地基基础施工质量以及结构安全非常重要。主要包括土的含水率、液塑限、击实、剪切、压缩等试验，它所获得的数据可以为岩土工程勘察提供参考。本文首先对上述一些试验项目进行了简单介绍，接下来探讨了试验结果在岩土工程勘察中的应用，并分析了在应用中应注意的相关问题，在试验过程中误差产生的原因及避免的方法。
【关键词】土工试验；含水率；液、塑限；湿陷；剪切；压缩；击实
1.引言
土工试验在岩土工程勘察中占有极其重要的地位，它是进行土类定名和划分土层的重要依据之一，同时也为工程设计、施工提供必要的参数。不论工程的大小，土工试验都是必不可少的一部分，只是测试的项目不同而已。随着我国现代化建设的飞速发展，对土工试验测试技术和手段提出了更高的要求。如城市的建设，公路、铁路、地铁、高层建筑、大型水库等的建设是否安全、经济、合理等等都取决于岩土工程勘察，因此和土工试验得出的数据资料息息相关。土作为建筑物的附着物，会出现地基是否稳定和变形；作为路面和水坝的填料时，会产生土的压实性与变形；作为渠道、边坡、隧道、地下洞穴的介质时，会出现渗透和稳定性等一系列的问题［1］。
2.试验分析探讨
2.1液、塑限试验。
（1）液、塑限试验是土最重要的试验指标之一，是判定其土的分类和组别的主要依据。采用联合测定法是进行液、塑限试验最主要的方法。
用烘干样制备液、塑限样品时，须浸泡过夜方可试验，否则试验结果会偏低。对于细粒均质的软土不应烘干样品后碎样，而是采用直接调土的方式试验，否则会造成结果偏低的现象。在直接调土时必须充分调拌均匀并破坏其结构，否则结果会偏高［2］。
（2）在铁路工程勘察当中，以往的《土工试验规程》规定以76g标准圆锥体自由下沉到2mm所对应的含水率为土的液限，下沉深度在17mm所对应的含水率为土的塑限。在新的《铁路土工试验规程》中除仍然按上述的规定外，还增加了圆锥体自由下沉到10mm所对应的含水率为土的液限，并将这个指标作为细粒土二级定名的依据；在一级定名是以塑性指数为依据，但此处没有明确指出该液限值是指10mm所对应的液限值还是17mm所对应的液限值，按照常规理解，应该指17mm所对应的液限值。因此，在采用联合测定法取得有效数据在双对数坐标上绘图时，在图中获得了两个液限数据，在一级、二级定名时分别应用。但在公路标准中和铁路标准有所区别，其采用100g标准圆锥体，并以圆锥体下沉深度20mm所对应的含水率为土的液限。
2.2剪切试验。
（1）剪切试验的目的是测定土的抗剪强度指标。土的抗剪强度参数在边坡稳定分析、挡土墙土压力的估算、建筑地基承载力的计算以及稳定性的评价中都是不可少的指标。因此正确地测定土的抗剪强度指标在工程上具有重要意义。但检测过程中，有时测定的结果与理论值相差比较大，比如剪切试验测出的凝聚力C值出现负值，主要是因为试验所取的一组试样的性质相差太大，自然与理论值出现偏差，因此在制样时需取代表性土样。
（2）直接剪切试验时遇到试验的样品不均匀时，可将样品按照“软——硬——软——硬”的顺序排列做试验。若按“软——软——硬——硬”的顺序排列试验时，会出现得出的粘聚力c值为负数或内摩擦角φ值偏大的现象。对于淤泥或淤泥质土，若按照土工试验方法标准［2］对剪切速率的规定进行试验时，会出现样品被挤出而无法试验的现象。对于这种情况，一般采取比试验规程中规定的速率要快的方法，且最好在30s内结束试验才会得出比较准确的试验结果。
2.3物理学指标对压缩变形的影响。
2.3.1压缩系数、压缩模量与含水率的压实度的关系。
压缩系数随含水率（饱和度）的增加而增大，压缩模量随含水率（饱和度）的增加而减小。并且含水率小于最佳含水率时，压缩系数（压缩模量）随含水率的增加（减小）变化不显著，当含水率大于最佳含水率后，压缩系数随含水率的增加明显增大，压缩模量随含水率的增大迅速减小。
2.3.2压缩变形系数与孔隙率的关系。
压实黄土的压缩变形系数与孔隙率基本呈线性关系。随着孔隙率的增大，压实黄土压缩系数减小。说明随着荷载的增加，压实黄土的压缩系数增大，孔隙率减小。
2.3.3压实度对压缩变形的影响。
将不同压实度下的压缩试验成果按压缩变形系数和垂直压力的关系整理，得出的试验结果表明，压实度越大，压缩变形系数越小，尤其是在压实度比较小，含水率比较大的情况下，压缩变形系数显著增大。因此，为了减小黄土路基的施工后沉降，提高压实度是一种比较有效的方法。
2.4湿陷性试验。
（1）土的湿陷性即湿陷系数，是指土在一定压力作用下，下沉稳定后，受水浸湿所产生的附加下沉。影响黄土湿陷性的因素总体上可归纳为两大类：内因和外因。外因主要是压力、水和温度的作用；内因则是一个非常复杂的物理化学过程。湿陷的发生，是由土内部固有的特殊因素和外界造成的适当条件共同作用的结果。其特点是速率快、变形大、危害大。根据工程建设的需要，将土按照湿陷性进行专门分类，土可分为湿陷性土和非湿陷性土。
（2）湿陷性土在我国分布广泛，除常见的湿陷性黄土外，在我国干旱和半干旱地区，特别是在西北地区山前洪、坡积扇中常遇到湿陷性碎石土、湿陷性砂土等［3］。
（3）黄土的湿陷性可通过室内浸水压缩试验或现场测定黄土湿陷起始压力的载荷试验两种方法来判定。在工程勘察实践中，一般常采用前者，即在一定压力下测定湿陷系数δs。以δs≥0.015作为判定黄土湿陷性的标准界限。而碎石土不能进行室内浸水压缩试验，只能采用现场浸水载荷试验作为其湿陷性的基本方法。
（4）影响黄土湿陷的外部因素主要为含水率及压力，纵观我国的黄土湿陷性规范［4］，除BJB20-66规范外，其余对黄土湿陷性试验浸水压力P的规定基本是一致的，即在基底下10m以内的土层取200KPa；10m以下至非湿陷性土层顶面取其上覆土层的饱和自重压力，当大于300KPa时，仍然用300KPa。依照《湿陷性黄土地基》的解释［5］，其理由是：“我国湿陷性黄土地区一般工民建基底压力大多小于200KPa，上部土层湿陷系数峰值所对应的压力大部分在这一压力附近”。按照这种说法，在200KPa压力下得出的湿陷系数δs为最大值，推而广之，只要保证在这一压力下黄土的湿陷系数δs＜0.015，也就消除了在所有浸水压力下的湿陷性。这是目前在湿陷性黄土地区岩土工程勘察中的一个误区。
2.5击实试验。
（1）标准击实试验就是近似地模拟现场填筑情况，利用标准化的仪器和方法测出土体的最大干密度和最优含水率，用于指导施工。标准击实试验所得出的最大干密度的标准性及真实性直接关系到路基工程的质量和成本，最大干密度小于真实值则会降低路基工程的质量，最大干密度高于真实值，则会增加压实成本。但是，由于其影响因素较多，也给试验人员带来一些困难，因此只有深入学习和理解相关规范，才能使试验结果更加准确，更好地指导施工。
（2）标准击实试验的制样方法分为干法和湿法两种，其最大区别在于：干法是将试样风干或低温烘干后碾碎过筛，而湿法是将天然含水率的试样碾碎过筛。对于非高含水率的土或砂性土而言，其相对易粉碎，两种试验方法的结果差别并不明显，一般采用干法制样。对于高含水率的粘性土来说要把大部分土体原有的结构破坏而重新排列几乎不可能，实际施工中的粉碎程度也很难达到风干或低温烘干过筛的程度，若对高含水率的粘性土用干法制样则会导致最大干密度偏大、最优含水率偏小［2］。
（3）含水率是影响土体压实效果最重要的因素，含水率过大或过小都不能使土体达到最紧密的状态。当土颗粒中含水较少时，土粒表面的结合水膜较薄，几乎只有强结合水，颗粒间主要通过引力结合，相对错动困难，并趋向于任意排列，不易密实，从而干密度较低。随着含水率的增加，结合水膜增厚，颗粒间排斥力增大，土粒间存在的弱结合水膜起到一定的润滑作用，是颗粒间容易错动，因此颗粒定向排列增多，干密度相应增大。当含水率超过某一值后，虽然颗粒间引力仍能减小，但颗粒间结合水膜承担了一部分击实功，颗粒间的有效应力减小，土体不易压实；含水率继续增加，只能使密度降低。而且土样偏干时含水率变动对干密度的影响比偏湿时更明显。
（4）标准击实试验所求得的最大干密度是一个相对值，为标准击实功下的最大干密度，而击实功的大小也是一定时期内实践经验的积累。但是随着大重型压实机械的研发和应用，在单位面积上的碾压程度往往大于室内标准击实功，从而导致压实系数大于1的现象出现。
3.结论
土工试验是为岩土工程勘察工作提供试验结果的手段之一，为工程勘察和设计提供可靠的计算数据，其数据的准确性直接到影响工程的质量和安全性。当然土体自身的复杂性，会出现一些异常现象，这就要求我们本着实事求是的态度，将土的物理性质和力学性质紧密的结合进行综合性分析。由于自然界的土层的不均匀性，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一些误差，在一定程度上影响到岩土工程勘察的准确评价。因此土工试验中存在的一些问题和试验结果的综合分析有着十分重要的意义。
参考文献
［1］洪毓康等.土质学与土力学［M］.第二版.北京：人民交通出版社，1995.1.
［2］中华人民共和国建设部.GB/T50123-1999.土工试验方法标准［S］.北京：中国计划出版社，1999.10.
［3］中华人民共和国国家标准编写组.GB50021-2001.岩土工程勘察规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.
［4］中华人民共和国建设部.湿陷性黄土地区建筑规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2004.8.
［5］钱鸿缙，王继堂，罗宇生等.湿陷性黄土地基［M］.北京：中国建筑工业出版社，1985.
