土工試驗中土的物理力學指標影響因素分析

張宏亮

(山西交通建設監理咨詢集團有限公司，山西 太原 030012)

0 引 言

作為巖土工程勘察工作的重要環節，土工試驗所得到的數據能夠對后續的設計及施工提供重要的參考，是一項重要的依據。但由于人為因素或者試驗儀器的影響，試驗成果在準確性及精確性方面均會受到一定程度的影響，導致工程設計及施工的質量會受到一定的影響。因此，對土工試驗數據的準確性及精確性進行判斷，并分析其影響因素是一項重要的工作[1]。

1 土工試驗的意義及研究內容

1.1 土工試驗的意義

土工試驗為土木工程的快速發展奠定了良好的基礎，它的最大貢獻在于為工程建設提供非?？煽康臄祿罁?，可有效的避免在建設過程中發生安全事故[2]。作為巖土工程勘察的重要工作內容，土工試驗主要運用物理及力學原理，對建設場地內的巖土體進行分析，為工程設計提供參考依據。因此，確保土工試驗數據的準確性是一項重要的工作。土工試驗是在試驗室內對土的各項指標進行測定，主要為包括運用物理性試驗得到的物理指標與運用力學性試驗得到的力學指標[3]。其中物理指標主要包括含水率、液塑限、顆粒分析及CBR值等，主要的作用是對土樣進行定性，并作為對工程建設場地內地基土層進行劃分的重要依據。力學指標包括抗剪強度及壓縮性等，是指土對外力作用所導致的變形的抵抗能力。

1.2 物理指標

(1)含水率

含水率作為土的一項重要物理指標，會對土的強度、壓實性、彈性模量以及凍脹性與滲透性起著重要的影響。因此，土的含水率測定是土工試驗中的一項重要內容。土的含水率是指將土樣在恒溫條件下烘干，計算蒸發失水的質量與干土質量的百分比值。含水率作為一項基本的物理指標，是進行其他物理指標計算的基礎。

(2)液塑限

液塑限是一項對土進行類別劃分與工程性質評價的指標，其中塑限含水率是指土的由半固態變為可塑狀態，液限含水率則是指土的由可塑狀態進入流動狀態，然后根據所得到的液塑限數據，從而計算得出塑性指數、液性指數兩項指標，通過這兩項指標從工程的角度對土進行分類，并用作對地基容許承載力以及單樁承載力進行預測評價。

(3)顆粒分析

土作為一種特殊的顆粒集合體，它具有不同的工程性質，而且它的組成成分與形狀差異都非常明顯，所以需要對其進行粒組分類，以此對土顆粒的組成進行研究。將土按照顆粒大小進行粒組分類的過程即顆粒分析，繪制反映顆粒的級配的單對數曲線，可用于測定有效粒徑，并對不均勻系數Cu與曲率系數Cc進行計算，上述兩項參數是對土顆粒級配進行判定的標準。

(4)CBR值

CBR值即加州承載比，是廣泛應用于公路工程行業中的一項指標，主要作用是對公路路基填土強度及穩定性進行評價，是公路路基填料選擇的重要依據。CBR值的測定是將最佳含水率的土樣經標準擊實成型，飽水浸泡96 h后測定貫入量為2.5 mm條件下所加載的試驗荷載與標準荷載之間的百分比。

(5)密度

作為以一項重要的物理指標，土的密度是計算干密度以及孔隙率等指標的基礎[4]。土的密度可用于分析其工程特性，計算自重應力、沉降指數以及地基的穩定性。

(6)最佳含水率

最佳含水率是指土體的壓實效果達到了最佳狀態時的含水率，這時土體的干密度即為最大干密度。通過擊實試驗，可得到含水率與干密度的關系曲線，關系曲線的拐點處所對應的縱橫坐標值即為最佳含水率和最大干密度。

1.3 力學指標

土工試驗所測定的力學指標通常為壓縮性指標與抗剪強度，其中壓縮性指標通過固結試驗測定，抗剪強度則采用剪切試驗進行測定。壓縮性指標一般可以直觀反映出土的壓縮性，它的最大貢獻在于可用作對地基沉降進行計算，試驗結果計算的數據為壓縮系數與壓縮模量?？辜魪姸戎饕峭ㄟ^分析粘聚力與內摩擦角兩項指標，也可用來對地基承載力與側向土壓力進行計算，并對土體的穩定性進行評價。

2 土工試驗方法及其影響因素分析

2.1 物理指標試驗

(1)含水率試驗

含水率試驗最常用的方法為烘干法，該方法最符合含水率的定義，加之測定結果精確性高，是進行含水率測定的首選試驗方法，也可用來對其他試驗方法結果進行驗證[5]。烘干法是將土樣放入提前準備好且質量固定的鋁盒中，然后進行稱重，將其放入105 ℃恒溫烤箱中烘干8 h后取出，再將其放置在干燥器內，冷卻之后進行第二次稱重，然后根據兩次稱重的差值結果以此計算出土樣中水的質量，最終進一步得出土樣的含水率。烘干法由于耗時過久，無法滿足在現場快速的對含水率進行測定的要求，為確保檢測速度，可采用酒精燃燒法與比重法進行含水率的測定。含水率試驗受到環境因素的影響較大，除了要定期對鋁盒的質量進行標定之外，將土樣放入鋁盒之后要及時稱重，避免因水分蒸發導致測定結果偏低。同時還要注意土樣要有足夠的烘干時間，在取出之后要及時放入干燥器中冷卻，防止因吸水導致結果偏大。對于土質不均勻的試樣，宜多取幾組試樣進行試驗。

(2)液塑限試驗

由于圓錐儀法、滾搓法對試驗人員的經驗要求比較高，容易受到人為因素的影響，因此目前不論是工程實踐還是研究，液塑限試驗主要采用液塑限聯合測定儀來進行，如圖1所示。其中搓條法用來對塑限進行測定，試驗的具體操作為將試樣搓為直徑為3 mm的土條并發生脆性斷裂，測定此狀態下的含水率；圓錐儀法是通過對圓錐儀進入特定深度時土樣的含水率進行測定以此來獲得液塑限值；液塑限聯合測定儀的則是所選用三種不同的含水率的土樣樣本，通過測定圓錐進入土樣的深淺程度，從而繪制出含水率與入土深度的雙對數曲線，以此來對液限及塑限進行測定。液塑限試驗的影響因素主要有3項：①土樣不均勻；②儀器陳舊存在偏差；③土樣中有大粒徑的顆粒以及雜物。

圖1 液塑限聯合測定儀

(3)顆粒分析試驗

顆粒分析試驗是將土樣顆粒根據粒徑區間進行分組，并計算每組土樣占總質量的比值，以此來揭示土樣粒徑的分布情況，用來對土樣進行分類，并作為對土的分類與工程性質進行判定的依據。根據顆粒直徑與級配的不同，可采用4種試驗方法，即篩分法、密度計法、移液管法以及三種方法的組合。顆粒分析試驗的影響因素有以下3種：①長期使用導致篩孔因磨損而變大；②攪拌懸液的時間存在差異；③人為因素。

(4)CBR試驗

進行CBR試驗時首先要制作試樣，試樣的含水率為經擊實試驗所測得的最佳含水率，進行分層擊實成樣之后要在水中浸泡96 h之后方可進行試驗，水面宜高出試樣的頂面不小于2.5 cm。試驗過程中貫入桿的速度要控制在1～1.25 mm/min，一般以貫入量為2.5 mm時數據進行CBR值的計算，也可以貫入量為5 mm的數據進行CBR值的計算。CBR值的測定會受到制樣方法以及試驗方法的明顯影響，如浸水方式、浸水時間以及上覆壓力等。

(5)密度試驗

根據土樣類別的不同，密度試驗方法多種多樣，而目前大多數情況下還主要采用環刀法[6]。它的原理是采用環刀來切取固定體積的土樣，然后進行稱重，從而計算出土樣的密度。同一土樣要進行多組試驗，取各組試驗的平均值，以此來確保試驗數據的精確度，且差值應不大于0.03 g/cm3。土密度試驗首先需要注意的是取樣之后應立即實施；其次是確保土樣表面的平整，避免因出現裂紋、缺口及不平整而對密度試驗結果產生影響，從而進一步導致飽和度與孔隙率的計算出現偏差。

(6)擊實試驗

擊實試驗分為輕型與重型兩種，需要對土樣進行分層擊實，每層擊實固定次數，且每層土樣擊實后頂面應拉毛。若采用手工擊實，應確保擊錘垂直自由落下，且錘擊點在土樣頂面應均勻分布，避免出現集中現象。擊實完畢之后從擊實桶內取出土樣，從土樣中心處取兩塊一定質量的土樣，輕型擊實試驗取15～30 g的土樣，重型擊實試驗為50～100 g，對含水率與干密度平行進行檢測。

2.2 力學指標試驗

(1)固結試驗

固結試驗是將試樣放置于金屬容器內，在側向變形受到限制的條件下對其施加軸向壓力，測定不同軸向壓力條件下試樣的壓縮變形，以此來得到壓縮系數與壓縮模量指標。固結試驗過程中下一級壓力施加之前，在上一級壓力的作用下試樣的壓縮變形要求達到穩定，根據穩定狀態標準的不同，可將固結試驗分為穩定壓縮與快速壓縮兩種，兩者最大的區別在于每一級壓力作用的時間不同，其中穩定壓縮為24 h，而快速壓縮則為1 h。固結試驗的結果會受到以下因素的影響：儀器精度；透水石發生磨損、與試樣含水率相差過大；不規范操作均。

(2)抗剪強度試驗

抗剪強度試驗有直剪試驗、三軸試驗與無側限抗壓強度試驗等方法，但是目前應用最廣泛的為直剪試驗，主要原因為其原理簡單、具有便捷性的優點，在工程實踐中應用最為廣泛。但同時也存在著一些明顯的缺陷，主要表現在控制土樣的排水條件不太嚴格，剪切面為人為固定與實際有所差距，剪切盒與試樣之間存在摩擦會導致結果偏高。根據不同的軸向壓力狀態下所實測的剪切應力值，以庫倫公式來計算出抗剪強度指標粘聚力與內摩擦角。剪切試驗的影響因素有以下幾方面：所采用的試樣非同一地層，密度值誤差過大；土樣不均勻程度差；人為因素。

2.3 原位測試

由于目前技術發展的限制，鉆探所取得的土樣在取樣與運輸環節中存在一定弊端，所取得的土樣會受到外界因素的干擾，導致試驗所得到的數據與現場實際情況存在偏差。因此，為確保試驗數據的準確性，可在土體不受到破壞及擾動的狀態下在現場對其物理力學指標進行測定，即原位測試[7]。原位測試可對不易取樣的土體進行有關的物理力學指標測定，但在實際操作中，不容易直觀、精確的對某個參數進行測定，通常是將原位測試的結果與室內試驗對比、擬合之后綜合進行確定[8]。

(1)十字板剪切試驗

十字板剪切試驗是將標準十字板探頭插入試驗深度的土體中，對鉆桿施加扭轉，量測土體發生破壞時的十字板所受到的抵抗力拒，以此來測定不排水抗剪強度及殘余抗剪強度，由于可與靜力觸探試驗貫入設備通用，可將兩者聯合使用。將十字板剪切試驗與鉆探取樣成果相結合，可大幅度的提高勘察工作的效率，并降低成本。

(2)靜力觸探試驗

靜力觸探試驗是將速率進行固定，然后把內置有阻力傳感器的探頭壓入土中，其在工作過程中將測到的阻力轉化為電信號，通過外接的儀表進行測量，兼具有勘探與測試兩種功能，可測定土的變形模量及容許承載力。

(3)荷載試驗

荷載試驗根據所采用的荷載板的不同，分為平板荷載試驗與螺旋板荷載試驗兩種。平板荷載試驗的荷載板埋深相對較淺，且在地下水位線之上，上部堆載直接施加于荷載板之上。其中淺層平板荷載試驗適用于對埋深小于3 m的地基土進行承載力及變形特征的檢測；深層平板荷載試驗可用于埋深超過3 m且在地下水位線以上的地基土承載力與變形特征檢測。螺旋板荷載試驗荷載板所受到的力則由傳力桿施加，檢測深度可達到10～15 m。

3 結 語

土工試驗作為巖土工程勘察的重要內容，旨在為后續的設計及施工提供重要的參考依據。因此在土工試驗成果、技術資料的科學性、準確性以及真實性方面有著非常高標準的要求。本文通過對土工試樣中經常測定幾項物理力學指標進行分析，并針對性的研究了這些指標的試驗方法及結果影響因素，能夠對巖土工程勘察工作提供一定的指導及建議。