淺談取樣擾動和試驗操作對室內土工試驗的影響

王齊建

（海南省核工業地質大隊，海南 海口 571100）

0 引言

土是自然界的產物，其形成過程、物質成分極為復雜。各類工程在很大程度上取決于土體能否提供足夠的承載力，因此取樣是在巖土工程室內試驗之前必不可少的工序，目的在于獲得代表所取土（巖）層的試驗樣品，然而在取樣過程中，取樣過程中鉆頭對土樣產生擠壓，使土層的原狀結構產生了破壞，使所取土樣孔隙比發生變化，取樣后的運輸和儲藏、試驗室的濕度和溫度、試驗樣品的削切和安置等均會引起土樣的擾動，所以取土樣時應具有代表性，盡量讓土樣受到最小程度的擾動，盡可能保持土的原狀結構和天然濕度以減少試驗誤差對工程質量帶來的影響。

1 對含水率、比重、密度試驗的影響

含水率、比重、密度是在土的物理試驗中的三個最基本物性指標，測出它們的數值可用公式換算出干密度，孔隙比，飽和度的數值。所以不僅能影響到物理指標，還能影響到土的力學指標的變化。

1.1 含水率是試樣在105～110℃溫度下烘至衡重時所失去的水質量和干土質量的比值，以百分率表示，它是是土工建筑物施工質量控制的依據。而含水率是最不穩定的，當土樣從地下取出后，土的周圍壓力解除，體積趨于膨脹，對于飽和土同時可導致含水量發生變化，同樣野外技術人員由于取樣好后沒能有效保護把樣品置于陰涼處，在陽光下暴曬，至水分蒸發，這樣在稠度、飽和度、物理力學性質方面會發生明顯變化，影響試驗結果。再加上試驗中用烘干法測量含水率時，試樣取得過多，為了節省時間沒有做到充分烘干，使得含水率失真，影響到其它數據結果的準確性。

1.2 土的密度定義為單位體積質量，它是土的重要物理性指標之一。

由于在野外鉆探和取樣過程中，由于操作不當導致外來土的混入，孔隙比發生變化，同時使原始密度發生變化。在室內試驗時，通常在開樣后用環刀法進行，由于粘性土比較均勻，所以密度比較準確，但沙質土通常含砂礫比較多，這跟樣品擾動和試驗操作人員取樣部位和方法有關，試樣取的不一樣和取樣時的用力壓擠樣品，都會造成孔隙比和密度變化大，容易造成試驗結果偏差。

1.3 土的比重是一個相對穩定的值，它是由土的礦物成分決定。它的數值一般在2.64～2.76之間，粘性土比重在2.69～2.76之間，砂性土在2.64～2.69之間。可見它們數值之間相差不大，由于比重試驗操作起來費時麻煩，各地實驗室一般都采取經驗值，根據土類定名來決定土的比重，這樣對試驗數據誤差比較小一些，以上含水率、密度、比重均要求進行二次平行測定，使誤差在規定范圍之內。

2 對液塑限和顆粒分析試驗的影響

2.1 液限和塑限是指細粒土處于可塑狀態的上限含水量和下限含水量，是粘性土的兩個重要物理指標，土隨著含水量變化，其物理性質和力學性質也在不斷發生變化，當處于液限狀態時，土體中結合水飽和，出現自由水，沒有聯結力，變為流動狀態。當處于在塑限狀態下，結合水膜變得很薄，土顆粒粘結力很強，因重力作用下能保持形狀，有一定的抗剪強度。所以液限和塑限可判斷黏性土的軟硬程度，估算地基的承載力。由于野外在鉆探過程中，由于泥漿中的化學物質進入土樣，孔隙水溶液中存在離子交換，化學物質沉淀形成粒間聯結等，使得土的稠度降低，再加上在陽光下放置一段時間，不能保持天然濕度，會影響室內液塑限試驗，在實際工作中，通常使用錐式液限儀做液塑限試驗，當取試樣做試驗時，盡量取中部的土樣，這是因為水分由于重力作用自上往下滲。粘性土中的如含小礫石等夾雜物時，要將雜物挑出，不然圓錐下沉時會落到雜物上，影響錐入深度，進而影響試驗結果。沙質土中往往含有較多砂礫、巖塊，如果土中粉粘粒較多，土要取過0.5mm的篩下粉粘粒做液塑限試驗。對一些含砂量比較多的粘性土，有些試驗人員仍用滾搓法測定塑限，所謂滾搓法，就是取接近塑限含水率的試樣，用手放在毛玻璃板上將其搓成橢圓形，當試樣發生裂縫或斷裂時，相應的含水率即為塑限，所以即便勉強搓成土條，也是毛細壓力構成的“假塑性”，只是毛細壓力使土粒結合在一起，而不是土的內部凝聚力起作用，由于滾搓法人為因素影響較大，每個試驗人員手法不一樣，發生裂縫或斷裂的部位和時間掌握不一樣，此時測得的塑限準確度很低，無形中增加了建筑工程質量的風險。有些實驗室采用液塑限之間的相關公式計算出塑限值，盲目套用，測試結果嚴重失真。對某些高液限的粘性土，試樣靜置時間可影響液限和塑限，所以開樣后要盡快進行液塑限試驗，總之，試驗人員手法不一致，得出的結果也不盡相同。有時會測出偏大的液限值，就判定為高液限土，高液限土含水量高，土的液限越大說明越容易吸水，容易漲縮，在干燥狀態下強度比較高，一旦遇水則迅速軟化，膨脹率迅速上升，強度降低，水穩定性極差，壓實性差，且壓實后壓縮性仍較高，變形穩定時間長，這對工期要求緊張的工程來說是行不通的，但是對于某些路段這類土量很大，如果全部換土，勢必增加成本并延長工期。這就要求試驗人員除應嚴格按照土工試驗規范規定進行液塑限試驗操作外，還應在試驗中時有足夠的耐心，認真試驗，盡可能得出準確結果。

2.2 顆粒分析試驗也是土類定名和土層劃分的重要依據之一，是用來測定干土中各粒組含量占該土總質量的百分數。在鉆進和取樣過程中，由于操作不當，外來土的混入及土樣內部各層間土粒的混淆，有可能改變顆粒占的百分比，進而影響試驗結果的土類定名。室內土工試驗中通常采用篩析法，在實際操作中，容易產生誤差，當土樣顆粒處于各層篩孔上并受到振動時，有的土顆粒不能通過有的可以通過篩孔，被堵在篩孔中，在實際操作過程中每一級篩子都會不同程度的堵篩現象，這就要求試驗人員耐心細心的堵篩的顆粒重新分篩，但大多數情況下都是一次性過篩，這就造成每一級土的留篩質量變化，進而影響到各粒組含量占該土總質量的百分數。在不同試驗人員，取試樣量也不同的情況下等因素下，會對土的定名和劃分產生不同程度的影響，使土的定名與土的實際天然狀況存在著差異。

3 對直接剪切和固結試驗的影響

3.1 土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土的力學性質重要指標之一，建筑物由于土的原因引起的工程事故中，強度問題比沉降問題要嚴重的多，所以在計算承載力，計算擋土墻上的土壓力以及評價地基，基坑穩定性時，都要用到土的抗剪強度指標，為確保各項工程的質量穩定安全，必須為其提供土體的準確抗剪強度指標。由于野外鉆探和取樣的擾動，使土層的原狀結構發生破壞，層理彎曲，層厚改變，孔隙比變化，使土粒錯動，土的粒間聯結弱化等都會影響到土的抗剪強度。室內試驗中直接剪切試驗通常采用四個試樣在不同的壓力下，按照100，200，300，400kPa施加水平剪切力，求破壞時最高剪切值，然后根據庫侖定律求出內摩擦角和凝聚力。所以破壞值的選取非常關鍵，但在實際試驗操作過程中試驗人員都是憑經驗取值，或者是百分表讀數過了峰值后才讀取，這樣求出的破壞值就會有誤差。況且每臺剪切儀都有自己的銅環系數，使用時間久了又發生新的變形，系數就會發生改變，在沒有檢定校準的情況下使用原來的銅環系數計算，這樣也會使結果誤差。

3.2 固結試驗的目的是通過測量各級荷載下土的變形來測定土的壓縮性，在室內試驗時，利用標準固結試驗測得的土的壓縮系數和壓縮模量試驗周期時間較長，難以滿足緊張的工期需要，為了節省時間，許多實驗室仍然采用快速固結試驗法來測定土的壓縮性指標。即用1小時加載一級的快速法，通常采用由壓力P1＝100kPa(0.1MPa)增加到P2＝200 kPa(0.2MPa)時所得的壓縮系數和壓縮模量來評定土的壓縮性，壓縮系數越大，則土的壓縮性越高。壓縮模量越大，則土的壓縮性越低。野外取樣時由于鉆探使孔底擾動，土變松，可引起試驗試樣附加壓縮，壓縮模量減小。試驗人員用環刀切取原狀土樣時，反復的壓入會使密度增大，使土的凝聚力增加，土中含有小雜物如礫石等，會影響土的力學試驗，若挑出礫石后，壓縮系數會增大。試驗人員在試驗時沒有考慮環刀與側面之間存在摩擦會影響試驗結果，為了減小它們之間的摩擦，要在環刀內壁涂上凡士林潤滑劑，這樣可以提高壓縮的準確性。所以壓縮性試驗是沉降計算的重要環節，沉降量的大小直接影響到建筑物的質量安全。

4 結語

可見取樣是巖土工程勘察重要的工作內容，而室內土工試驗是為工程的設計和施工提供可靠的參數，盡管野外人員對取樣各個環節都非常嫻熟和對土樣的細心的保護，但當土樣從鉆孔中取出后，由于應力釋放及一定的濕度和溫度的變化，導致土的三要素同時發生變化，可見在目前的技術條件下，我們無法得到真正不擾動的土樣，這就要求取樣要有代表性，做到盡量保持天然結構，再加上試驗人員在試驗時的規范操作，這樣測定的結果才更能反映土的真實性。

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［3］林紅,趙起超,賈桂紅.關于土工試驗中的問題及數據處理的探討[J].中國水運(下半月),2011,12:103-104.

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