土工试验中注意的问题与实验成果的综合分析
吕永高 李相然（烟台大学土木工程系，烟台 264005）
〔摘 要〕本文分析了土工试验中应当注意的问题和对土工实验成果进行综合分析的必要性，研究了土工实验指标综合分析的内容与方法。
〔关键词〕土工试验 实验指标 综合分析
土工试验是岩土工程勘察的重要工作内容，在土工试验室进行测试工作，可以取得土和岩石的物理力学性质指标，以供设计计算时使用。不同的建筑工程场地，土质情况的变化是很复杂的，实际工程中没有任何建筑地点呈现出与任何其他地点土质情况特别相似的情形，即使在同一地点，土的性质也可能发生变化，有时甚至相当显著，这就意味着，在进行详细的设计之前，必须对每一地点的土质情况进行详细地调查与测试〔1〕?。然而，由于岩土自身的不均匀性，取样、运输过程中的扰动，以及试验仪器和操作方法的差异及试验人员的素质不同，使得土工试验中测试的结果存在这样那样的问题，导致测试结果失真，在一定程度上影响工程设计的准确性〔2〕?。因此，研究土工试验中注意的问题和土工实验成果的综合分析有十分重要的意义。
1 土工试验成果综合分析的必要性
土是地壳表层的岩石风化后产生的松散堆积物，它具有三个特性：(1)土是松散性材料，不是连续的固体，因此，在一定程度上具有"流动性"；(2)土是三相体，是由颗粒（固相）、水（液相）和气（气相）所组成的三相体系，不是由单一材料构成；(3)土是自然地质历史产物，非人工制造产物。基于此，土具有不同于其它建筑材料的特征。一般的建筑材料可由设计人员指定品种和型号，品种、型号一经确定，力学性质参数也就确定，土则不同，建（构）筑物是以天然土层作为地基，拟建地点是什么土设计人员就以该种土作为设计对象。由于土是自然地质历史产物，各种土的颗粒大小和矿物成分差别很大，土的三相间的数量比例不尽相同，而且土粒与其周围的水分又发生了复杂的物理化学作用，因此，造成了土的物理性质的复杂性；土的物理性质又在一定程度上决定了它的力学性质，不同地区的土，又有不同的变化。土的物理性质、力学性质，相对于其它材料来说，是比较复杂的，如土的应力-应变关系是非线性的，土的变形在卸荷后一般不能完全恢复，土的强度也不是一成不变的，土对扰动还特别敏感等等。那么，通过室内实验测出的土的性质，就存在一个是否准确的问题。如何确定数据的准确性，以及各个指标存在那些必然的联系，对于从事土工实验的人员有很大的指导意义。因此，有必要对土工实验的成果，相关的指标摆在一起进行分析，从中找出一些共性的特征。鉴于此，本文结合长期实验的经验，对土的物性试验成果和土的变形、力学试验成果两大方面进行分析，从中找出规律性的东西，供实验人员参考。
2 土的物性试验及实验成果的分析
2.1 土的相对密度、密度、含水量实验
土的物性实验中，最常见的是土的相对密度、密度、含水量，是其中三个最基本的实验，用它们可以换算土的干密度、孔隙比、孔隙度、饱和度等指标，它们的变化，不仅影响其它指标的变化，而且将使土的一系列力学性质随之而异。因此，准确测定他们的值，有着重要的意义。
在这三个基本指标中，土粒的相对密度是一个相对稳定的值，它决定于土的矿物成分，它的数值一般是2.6～2.8。淤质土为1.5～1.8，有机质土为 2.4～2.5。同一地区同一类型的土的相对密度基本相同，通常可按经验数值选用（见表1）。值得注意的是当土中含有有机质时，土的相对密度可降到2.4 以下，此时应改用中性液体，如煤油、汽油甲苯和二甲苯，并采用抽气法排气。
表1 土粒相对密度参考值
土的含水量，则是三个指标中最不稳定的，一则不同的土，含水量就可能不一样，而且由于各种因素，如土层的不均匀；取样不标准；取土器和筒壁的挤压；土样在运输和存放期间保护不当等等。影响成果的准确度。在这些影响因素中，有的属于土样客观存在，有的属于人为造成，无论属于哪种，都需要实验人员结合实际情况，克服不利因素，测出土的比较准确的含水量。
土的密度指标，虽然也是一个变化的值，不同的土样重度值不同，但对于某一个土样来说，它的值较稳定和比较容易测准的。土的这三个指标是基础，土的其它指标也将通过换算计算出来。计算出来的指标，有时会出现和实际明显不符的情况，如饱和度超过100%等，这就说明，原始三个指标的测定有问题，而大多数情况下，问题出在含水量和相对密度的测定上，需要对这两个指标作进一步的确定，保证这两项指标试验值的准确，从而提高其它指标的准确度。
2.2 土的液限与塑限
对于工程来说，土的液限、塑限有着比较重要的实用意义。土的塑性指数高，表示土中的胶体粘粒含量大，同时也表示粘土中可能含有蒙脱石或其它高活性的胶体粘粒较多。因此，界限含水量，尤其是液限，能较好的反映出土的某些物理力学特性，如压缩性、胀缩性等。而当前对土的液限、塑限的测定，存在不少问题。其一，液限标准的确定，还处在过渡时期，即圆锥下沉10 mm和17 mm处为液限含水量，势必使人们对土的名称和状态产生不同程度的误解，特别是非专业人员，很难搞明白，为什么原来是一种土，而现在又是另一种土，原来处在一种状态而现在又处在另外一种状态。其二，大多数实验人员，只受过几个月的的培训，因此，它们对于土的状态的确定并不是很明确，比如，国标中把粘性土的状态按液性指数的大小分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑，而一旦测出土的状态为坚硬或流塑，就会产生怀疑，所测土并不像想象中那么坚硬或流塑。其实，规程中对土的状态的确定，只是在一定标准下，给土的状态定名而已，并不是人们想象中的坚硬就应该像石头一样，流塑就像水流动似的。其三，对于塑性指数小于10的土，以前叫做轻亚粘土，而新规程称粉土。这种土存在是否会产生液化的问题，因此，要根据工程要求，进行相关的粘粒（小于0.005 mm颗粒含量）的测定。其四，测定土的液、塑限时取标准样的问题，规程上大多规定土要过0.5 mm的筛，才能进行实验。在实际操作中，有一些土用眼睛观察含有较多砂粒，一旦过0.5 mm筛后做实验，测出的土塑性指数可能很大，不能反映土的实际情况。因此，对于这种土最好能采用筛分法确定砂粒含量，如果砂粒含量已达到确定该土为砂土的标准，那么就不必再做液、塑限试验，反之则可进行相应的液、塑限试验确定土的名称。实际上，有些土是处在杂土状态，无法确定名称，这种情况下，可以根据工程需要，作相应的处理。比如，以土中粘粒为主做试验或以砂粒为主做试验，目的就是反映土的真实情况，为工程建设服务〔3〕。
2.3 土的物性指标之间的对比分析
土的物性指标间是相互关联的，因此，当这些指标出来以后，可以将这些指标放到一起，进行综合的分析，从而对这些指标的准确性进行判别。比如，在有些成果中，会出现饱和度超过100%的现象，这就说明，在某些实验数据中，存在误差或者错误，就需要根据实际情况进行调整，必要的情况下要重做实验。再如：本来在开土的时候，发现土是处在硬塑状态，而结果却是土处在流塑状态，这种情况，一则说明含水量测定有问题；二则可能液限、塑限结果存在误差。大多数情况下，会是因为天然含水量不准造成土的状态确定不准。通过一系列对物性指标间关系统一分析，使得实验成果的精度进一步提高，为工程建设提供准确的数据。
3 土的力学试验及实验成果分析
3.1 土的固结实验
固结实验是测定土体在压力作用下的压缩特性。在实际工程中，由于土层的压缩，致使其上部建筑物或构筑物沿重力方向产生沉降。如上下土层的压缩性不等，或上部建筑物荷载不一，皆可促成同一平面上的不均匀沉降。在天然地基设计中，常需根据设计的要求，控制建筑物的沉降量；或其他各部的沉降差在某一允许范围之内，以满足使用上的要求及建筑物的安全条件。因此，要测定土的压缩性借以计算建筑物或构筑物的沉降量，作为设计的控制数据。除一些特殊工程要在现场做测试外，大多数实验是在室内进行的。影响成果准确度的因素也很多，有一些是比较容易找到原因的，如：在开土取土的过程中，感到土是较软的或测出的液性指数较低，而测出的压缩系数小，这说明实验操作有误或记录有误，要检查各个环节。实在找不出原因采取补救措施的话，就要重新取土测试。
3.2 土的抗剪强度实验
土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。在计算承载力，评价地基稳定性以及计算挡土墙的土的压力时，都要用到土的抗剪强度指标，因此正确地测定土的抗剪强度在工程上具有重要意义。抗剪强度的实验方法有多种，在实验室内常用的有直接剪切实验、三轴压缩实验和无测限抗压实验。在现场原位测试的有十字板剪切实验、大型直接剪切实验等。相对来说，室内实验的规律性，要比现场原位测试好得多。虽然如此，室内实验测出的结果，有时和理论上的数据存在很大的差距。比如，无粘性土的C值应为0，而在大多数实验中，测出的值不一定为0，这实际上也是正常的，因为在我们所测出的抗剪强度指标中，并不是说C值完全代表土的凝聚力，而Φ值也不完全代表内摩擦力，而是两者互相包含，都代表土的抗剪强度的一部分。在有些直接剪切实验结果中，有时甚至会出现粘聚力C为负值现象，主要原因在于取标准样时，所取试样的性质相差太大所致。也就是说不是同一种性质的土拿到一起做实验，结果自然不会符合规律。在三轴压缩实验中，如果采用不固结不排水剪，那么从理论上讲，抗剪强度包线应为水平线，即内摩擦角Φ为0，但是实际测出的结果中，总是或多或少地存在一定倾角Φ。造成这种现象的原因，一方面是取土质量问题，另一方面在安装试件时对土产生了一定的扰动，使土得到了不同程度的固结等原因。但这并不能说结果是错误的，因为它反映了土中的应力分布实际情况，对于实际工程来说，有着很大的实用意义。因此，我们在判断实验结果是否准确，不能仅从理论上确定，而要考虑多方面客观因素，结合实际分析，以期对土的受力情况有一个正确的判断。
3.3 土的固结实验成果与抗剪强度之间的联系
土的压缩特性和抗剪强度有着一定的关系，利用这种关系，我们可以直观判断压缩结果和抗剪结果是否准确。一般情况下，土的压缩性越高，压缩模量越低，而它的快剪强度则越小。当然，在有些情况下，要求做固结快剪，那么，这种关系可能就不成立了，需要按实际测出的强度情况判断。
4 物性实验成果和力学实验成果的统一对比与分析
土的物理性质和力学性质是紧密相关的。通常情况下，土的物理性质基本上能够决定土的力学性质。因此，在GBJ7-89中，把它们之间的关系列成表格，可以根据土的物理性质，判定土的承载力。而在室内实验中，也可以此为依据，做一比较。比如对于不同的密度、含水量、液、塑限的土，它的抗剪强度、压缩性质有怎样的变化，随着做实验时间的增长，慢慢可以从中找出一定的规律。当然由于土的形式的复杂性，经常出现一些意外情况，需要我们本着实事求是的态度，保证测出结果的准确性。如果将土的物性和力学性质统一起来，必将有利于我们对土的性质的认识，其中的规律也有待我们进一步探讨。
参考文献
〔1〕 Cheng Liu, Jack B. Evett 著，沈渭铨、杨荣民、陆念祖等译. 土的性质：试验、测定和评价. 青岛：青岛海洋大学出版社，1992.
〔2〕 华南理工大学、东南大学、浙江大学等编. 地基及基础. 北京：中国建筑工业出版社，1998.
〔3〕 中华人民共和国地质矿产部. 土工试验规程. 北京：地质出版社，1993.
作者通讯地址：烟台市烟台大学土木工程系，邮编：264005
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