李翠芝

摘要：土工试验是水利工程勘察的一个重要环节，其目的是测定土的基本物理、力学性质，为工程勘察和设计提供可靠的计算数据。本文结合笔者多年的工作实践经验，剖析水利工程土工试验中常出现的问题，并且探讨出解决方法与应对措施。

关键词：水利工程；土工试样；问题分析

随着国民经济的迅速发展，水利工程项目也日益增多。而在水利工程项目施工过程中，土工试验占据着十分重要的地位，土工试验需要准确的地质勘查和了解土的各项物理性质和力学指标等，还要确定土样的定性、定理分析与各种评价，为地质勘察报告提供重要资料。但是在细节处理和如何更快捷得出科学合理的结果还是需要一定的经验，因此，要把地质勘查结果与工作实践经验相结合起来方能得出正确的解决方法和应对措施，从而为施工单位提供准确的、有效的和科学的土工试验报告，以便水利工程顺利完工。

1、土的物理性质试验

1.1 含水率试验

土层的不均匀、取样扰动、取土器和筒壁的擠压、土样在运输和存放期间保护不当而失水等均会引起含水率的变化。在试验室若操作不合理同样会影响土样含水率的测试结果，这主要表现在以下方面：①取样点的位置不同，尤其是对粉质含量高的粘性土、粉土、砂土，样品的上、中、下不同部位含水量会有较大的差别，为克服这种影响可分上中下不同部位同时取等量样品，加以混合后再取为含水量试验样品；②铝盒烘干时应开口，以利水的充分蒸发。铝盒质量应定期标定；铝盒在长期使用过程中由于氧化、磨损其质量也有一定变化，定期标定能有效降低试验误差；③烘干时间及温度也会对含水率构成影响。粘粒含量很高的土类，如红粘土、膨胀土粘粒含量很高，有更大的比表面积，吸附水能力强，需105℃～110℃烘干8h以上，对砂土不得小于6h，但对含有机质的土（尤其是有机质含量大于5%的土），应在65℃～70℃烘至恒重，温度过高会造成有机质的损失，使含水量偏大。

1.2 土粒比重试验

土粒比重是土粒质量与同体积纯蒸馏水在4℃时的质量比值，是土的基本物理指标之一。从理论上讲要得到一个准确的土粒比重值较为困难，因为国标中采用的试验方法存在下列因素的影响：①结合水的影响。土粒带负电荷，与其周围的水相互作用，形成结合水，这部分结合水在土粒烘干温度下仍然吸附在粘粒表面，使测出的土粒体积大于实际体积，从而测试结果偏小。②土粒间胶结物固化的影响。制备试样在烘干过程中，不可溶的胶态次生矿物如二氧化硅、粘土矿物等易固化形成团粒，形成的团粒较难靠水的作用分散，加热煮沸对团粒不能达到完全分散的作用，使计算出的土粒相对密度偏小。

1.3 界限含水量试验

液塑限联合测定法的理论基础是圆锥下沉深度与相应的含水率在双对数坐标纸上具有直线关系。液、塑限联合测定法的界限含水量土样制备方式对比较均匀的土可采用天然含水状态的土样；对不均匀的土样，采用风干土样，当试样中含有粒径大于0.5mm的土粒和杂物时，应过0.5mm的筛，在实际操作中常存在对土中少量原生的铁、锰质结核直接压碎混入土中情况，这种方法造成土的液、塑限含水量偏小；采用风干土样作界限含水率试验时，样品须浸泡过夜方可试验，否则试验结果偏低。

1.4 颗粒分析试验

密度计法主要适用于粒径小于0.075mm的土。颗粒分析试验是不可缺少的室内试验步骤，由于密度计法颗粒分析试验较复杂，有些单位重视不足甚至省略了该试验，颗粒分析试验不仅对粉土承载力特征值深宽修正、液化判别有用，而且颗粒分析试验是土体定名不可或缺的数据，规范规定：粉土是粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50%，且塑性指数≤10的土，目前仍然出现粉土定名不考虑颗分试验结果而仅按塑性指数≤10来定名的误区，我们知道粉砂有时也可测定出一定的塑性指数，若仅按塑性指数划分粉土必然会造成一些误判。密度计法虽然使用广泛，但该法也并非完美。密度计法的土粒粒径计算公式为斯托克公式，该公式是低速运动的微小球形颗粒在层流条件下，仅考虑介质对粘阻力和有效重力条件下导出的。层流的判定是根据水力学中的雷诺数 来判定的，当试验悬液温度大于28℃时，雷诺数将大于0.5，超出公式适用范围，所以进行颗粒分析试验时悬液温度不应大于28℃。另外实际试验的土颗粒形状一般都不是球形，而是具有不规则形状的颗粒，理论上颗粒形状愈不规则颗粒下降阻力愈大，沉降速度越慢，而斯托克公式没有考虑颗粒形状的影响，结果是实测沉降速度L/t偏大，这会造成试验测得的粘粒含量偏高。故在应用试验结果时应对试验数据进行适当的经验修正，这可以根据经验建立修正关系式进行解决。据资料可将斯托克公式修正为，式中Ps和Pg分别为颗粒修正系数和干涉沉降修正系数。结合5组对比试验数据，颗粒分析成果对比见表1，对于采用修正公式计算的粘粒含量明显比采用理论公式低，一般情况下粘粒含量越高，两者计算的值相差也越大。

2、土的力学性质试验

2.1 固结试验

土的固结试验是测定土体在压力作用下的压缩系数α、压缩模量Es及固结系数Cv，是计算地基土的沉降量及判断土体固结特性的重要参数。在试验时常有以下因素影响其准确度：①仪器必须定期校正，频繁拆缷仪器、透水石磨损、滤纸规格的变化等因素都会对测试结果产生影响。②上、下透水石的含水量应接近土的天然含水量，透水石的含水量差异会对土体固结产生一定程度的变化，这种变化对一般的土样影响比较隐蔽，不易发现，但对具膨胀性的土样会有很大的影响。当透水石的含水量较土样含水量大时会引起土样吸水膨胀，出现前后级荷载百分表读数差别很小的现象，有时甚至出现后级读数较前级读数小的异常情况。在透水石含水量较土样含水量小时，会加速土样的失水收缩趋势，造成压缩量过大。③安装试样仪器归零必须严格到位，环刀上、下土面必须紧密与上、下透水石处的滤纸接触。由于环刀使用时外力破坏会出现外径变化情况，使得环刀不能有效放入规定限位，造成透水石不能与环刀上、下土面有效接触，使初级压缩偏大，产生实验误差。④百分表归零时应使百分表量测的活动轴杆有足够的量程，以避免压缩变形量较大时，仪器量程小于土样压缩变形而造成压缩试验的失真。

2.2 抗剪强度试验

2.2.1 直接剪切试验

直剪试验方便简单，是强度试验的重要手段。理论上根据库仑定律S=C+tgφ的各级荷载点应是直线的线性关系，直线倾角为φ，直线在纵轴截距即C，即抗剪强度指标可用线性回归方法求解，在线性回归计算时，如果四级荷载剪切试验点不同时在一条直线上时，可采用三角形重心法作图进行计算取值。如果四级荷载剪切试验点C、φ值相关系数满足一定值时，则认为此组样的线性相关性好，指标可信度就高。但由于直剪试验受力条件复杂，在试验过程中常出现较软的土缺少峰值强度的情况，剪切强度指标回归性较差、数据可靠度低。

2.2.2 三轴压缩试验

三轴压缩试验由于试样受力状态可以控制，剪切时剪切面是沿着软弱面破损的，又能控制试样的排水条件，能够准确地测定土的孔隙压力及体积变化，和直剪相比具有明显的优点，是目前认为的相对准确的室内剪切试验方法，尤其是在重要工程勘察中必须进行三轴剪切试验。常规三轴仪在业界广为应用，但并不完美，它仍存在设备柔性误差、端部约束误差及基座误差。设备柔性误差指测量试样的初始高度及剪切过程中的高度时不透水板（透水板）、橡皮膜、滤纸及承载筒等设备的固有变形，虽然增大设备的刚度可消除该类误差，但在小应变测量时由于橡皮膜部分嵌入试样表面颗粒的空隙会对高度测量的影响比较明显，导致土体刚度小于现场试验刚度。

3、结束语

总之，水利工程是否顺利完工，与其土工试验报告是否精确以及试样制备、土的物理性质以及土的力学性质相关。因此，要及时对土工试验过程中出现的漏洞进行补漏和针对不同土质采用相对的灵活措施，做到谨慎严密和灵活变通，这样才能为土工试验提供极有力的地质勘查报告，然而建设更好的水利工程。

参考文献

[1]李健；土工试验中应注意的问题与试验成果的综合分析[J]；资源环境与工程；2018

[2]鲁琴；土工试验常见问题和试验成果分析[J]；河南水利与南水北调；2016

（作者单位：河北恒生永筑岩土工程有限公司）