室内土工参数测试过程技术对策

张艳山

长江三峡勘测研究院有限公司，湖北 武汉 430000

0 引言

涉及关于室内常见土工参数的大量实践性活动一再表明，为一定工程地质勘察报告目的服务的试验数据，经数理概率统计后作变异系数分析时，发现存在着程度不一的数据离散性问题。其中，有的单元地层内参数的离散性在置信度区间，有的则因各种外加作用影响造成离散较大而失真，最后只能加以舍弃，或采取补救措施加以修正与改正。

究其土工常数产生离散性较大而失真的原因，是多方面影响因素促成的。笔者认为主要表现在两个方面。

其一，作为客体研究对象的土，在天然沉积环境的长期各种地质营力的作用下，其宏观特征表现为土的三相体系特征[1]，微观结构存在着不均匀性和非均质的各向异性，即取样土体在单元地层的意义上，其物理结构与性状不尽一致。存在着不同成因条件与环境下的沉积差异性规律，从而表现出单元地层的意义上的非均质性。这是作为客体土的自然属性，非人力可以克服和控制，而只能通过场地整体宏观的把握。

其二，对于土工参数的实测数据而言，它是由于人—机试验行为的结果，方法的选择和人员操作的熟练程度非常重要。只有符合实际情况的试验方法选择才是适宜、合理的。

工程地质条件、水文地质条件的调查、分析与评价，又在工程地质勘察报告中成为工程建筑物设计，或者是建议方案提出的客观依据之一。

1 场地取样与样品原型

1.1 钻孔取样器的选择

钻孔取样器的选择，仅针对场地母体样品原型，即原状土，而不涉及扰动土的代表性。原状土是依托于场地母体的具有天然结构与物理性状的土。不同土的岩性，其含水湿度与密实程度的软硬特征是不一样的。因此，在通过取样器钻取试验用原状土时，必须合理选择相宜的钻取器具[2]。而钻取器具的技术参数，将对不同岩性的土层产生质量影响。比如，厚壁贯入式取土器，适用于均匀粘性土和部分砂土和粉土的取样；而薄壁贯入式取土器，则适用于可塑～流塑状粘性土，部分为粉土和粉砂土。在软土或砂土取样中，必须采用泥浆护壁技术措施。此外，相关的钻取方法与技巧，以及注意事项的严格遵守，对试验用土的质量也将起重要影响作用。为了保持样品原型在取样时不致较大扰动（实际上，钻孔取样无论何种先进技术或多或少都会产生扰动因素），合理选用适合一定场地岩性的钻孔取样器，是保证试验用土（原状土）质量的最初的关键性因素。

1.2 钻孔取样的包装与加工处理

通过钻孔取样器取出来的原状土试验用土在包装与加工处理时，应格外小心。注意其试样在具体土层深度的岩性特征，且仔细甄别，并加以适当切削多余的土，然后再用铁皮筒加固，在开口处用密封胶带缠绕，或用腊封，最后放入木箱内置于阴凉处，随即应立即送至试验室。钻孔取样倘若放置在露天下暴晒或冰冻，将会对试样的含水率及密度结构性指标等带来致命硬伤，因此必须严格禁止。

2 室内试样制备与物性实测

2.1 室内试样开封与切土工具的选择

送回试验室的原状土，一般不宜超过一周时间，即应及时开封并试验[2]。开封时，应事先对样品进行室内编号，以免野外试样编号过多造成混淆。开封工具应首先用长柄手术剪或平口起子小心剥离开密封胶或腊封物质，不可用猛烈方式开启密封铁皮样筒取出试样。样品打开后，应按样品的上、下方向正确放置于瓷盘内，待试样制备。在使用切土工具制备原状环刀试件时，要根据试样的软硬程度和颗粒的粗细情况，分别采用切土刀、刮土刀、钢锯和钢丝锯。软土、砂性土、粉土在制备试件时，尤须注意不宜用切土刀，而应采用钢丝锯小心切割成型；对于硬塑-坚硬状的粘土或含砾粘性土，切削制备中应注意避免用力过猛，避免砾石成分的干扰造成试件结构损伤，有少量砾石时可剔除、并修整填平试件土面。

2.2 密度和含水率的及时测定

试样在制备完原状试件后，应立即在天平上称量，求取其密度值，并对其余土的代表性试样，测定其天然含水率，不宜久放不测，使其改变性状。物理性参数，一般规程均规定需作两次或两次以上的平行测定，取其精度允许范围内的算术平均值。对于误差范围较大的试件，应视其具体试样的岩性特征作相宜技术处理。一般可结合野外标贯试验所获取的土工参数，加以比较与鉴别，最终选择合理的数据，作为物理土工参数值。

3 试验方法选择与饱和抽气问题

不同试验目的和施工条件，应采用不同的试验方法。一些力学性参数测定进行试样制备后需进行饱和与抽气，比如三轴剪切试件、渗透系数试件等。就直剪试验而言，有3种剪切方法（总应力法），分别为快剪、固结快剪和慢剪。3种不同方法所获取的抗剪强度指数大小顺序为慢剪＞固结快剪＞快剪。这与土的固结与是否排水及剪切速率关系密切。采用何种直剪试验方法，需视场地的实际土层负荷、施工期长短和土层的厚薄程度情形而定。可参照《规程》的实验具体操作条件及适用范围。而三轴试件宜在饱和度达到95%时方可实施试验。对于一般粘性土可分别采用真空饱和法和毛细饱和法。粘性愈强的土，不宜采用毛细饱和，而应采用真空饱和，有条件的地方，可以采用二氧化碳饱和或反压饱和。对于重塑土试件，应严格控制其土的密度和含水率，并保证土的颗粒级配满足试验用土的技术要求。一般情形下，宜直接采用扰动土作为制备用土，尽量避免因风干和过筛带来的颗粒级配成分改变。渗透系数测定时，在制备与安装试件、饱和试件的试验过程中，需注意按操作程序分步骤实施，做到每一步骤不存在疏忽遗漏的细节。比如，砂质土、软粘土在制备试件时需采用钢丝锯切割以保持其密度；安装时，环刀外壁应涂抹医用凡士林，防止间壁渗水；试验用水需采用脱气水，而不是一般蒸馏水；平行测定的次数宜控制在尽可能少的次数内，而不宜反复多次测定。反复多次测定，对某些土性来说往往参数失真；其原因是试样内的细小土颗粒在微小孔隙通道中会产生堵塞情形，从而造成水流速度降低。

4 固结试验稳定标准的选择与实际应用性

固结试验参数为地基变形计算设计标准提供很重要的依据。其试验的稳定标准各异。常见为24h稳定标准、＜0.005mm标准和快速压缩稳定标准。通常生产性试验时一般采用快速压缩法，即1 h读数，最后一级荷载，读二次：1 h读数和24 h读数，即以24h读数和1 h读数的比值(K)，作为试验校正系数，分别校正各级荷载下的1 h读数，即认为是该级荷载下的最终稳定标准值。但这种方法，对不均质各向特征明显的土质来说，有时会存在一定的偏差。因为K值校正并不具有等效同比例关系。所以，在试验周期和工期允许的情况下，仍应以采用24 h标准稳定或＜0.005 mm标准稳定作为正确的科学方法。这对试验参数的正确无误十重要。固结试验中，应对所用的固结仪定期校验其仪器变形量值和杠杆输出力值，砝码的质量标准一般不作硬性规定时间限制，但需有原始的校验精度与误差保证作为前提。人工值守读数的方式应在有条件的地方适时改变，以传感器接入仪器，并作土工原始数据的计算机处理，以避免人为的视觉误判，降低人工体力消耗，提高土工测试技术的标准化水平。

5 试验人员的专业知识与技能水平

提供高质量的土工参数，很重要的一个方面是依赖于试验人员的专业知识与技能水平。良好的专业知识掌握、熟练的土工试验操作技能及对不同试验仪器能较好运用和操作，将对土工参数的测试带来积极有效的作用。在一定范围内，实际上有相当一部分试验人员，尚缺乏较系统的专业化知识，往往停留在感性认识和一般性处理日常试验工作的水准上，对试验中需了解和注意的问题没有较清醒的认识，或根本不具备这方面的知识储备，不知道如何辨别作为客体土的研究对象在复杂特殊情形中出现的各种试验现象与客观事实之间，那些是属于自然属性产生的，那些是不属于土性原因的人为因素造成的，即不能正确判断出所测数据的真伪性，因而，给土工参数的高质量提供带来瓶颈。鉴于此种情形，应大力倡导在试验人员中努力钻研专业理论，熟练并精通各种仪器方法使用技术，为创造优化的人—机试验行为模式提供技术保证。

6 扰动样品的代表性与常见土工参数测定

扰动样品的代表性，关系到试验用土在实测土工参数时的最终正确提供。

对一般不含砾石成分的粘性土来说，在做界限含水率、土粒的密度和颗粒级配等时，可按相应规程规定经过一定筛孔径过筛制备，调试或烘干即可实施。但对于含砾石成分的粘性土，需注意对于砾石成分的粒组百分含量的考量（＞2mm 是否＞10%）。尤其是含砾石较多的复杂土性，在处理时应格外谨慎。比如界限含水率与颗粒级配参数，应相互对照比较分析，较为合理，而不宜简单化单一定名或分类处理，即土性不宜仅限细粒土部分，而舍弃较多含量的砾石成分作为土的最终分类和定名。对于粗粒土或细粒土的矿物成分，在本质上存在不同。前者主要为原生矿物（石英、长石和云母类），后者主要为次生矿物（粘土矿物及铁、钙、铝、镁等）。在做击实试验时，对一般粘性土可按一般击实加工处理即可。但对含一定砾石成分的粘性土，必须进行风干、过筛求取＞5mm颗粒的粒组累积百分含量。在试验计算中，必须进行修正计算，以得到修正后的最优含水率和最大干密度，其修正值，客观表现为最优含水率减小，最大干密度增大。对于扰动重塑土力学试件，原则上应视具体工程应用与研究目的，采取不同的击实方法（三层法或五层法：即轻型击实法与重型击实法）[3]，同时严格控制其土体原型的密度与含水率，并尽量避免颗粒级配的成分改变。

7 结论

影响室内常见土工参数的因素情况复杂，经上述考量分析，主要表现为：野外取样器具与方法的技术处理技巧和经验，这包括取样器的正确选择，样品的代表性和加工包装、运输等问题的正确处理等；在室内测试时，试验制备试件中的技术方法与仪器和试验条件的选择，显得十分重要。其中，最重要的，是土工参数结果的行为过程：人—机互动模式特征，即试验人员专业理论与试验技能等综合素质保证。

[1]东南大学，浙江大学，湖南大学，苏州科技学院合编.土力学[M].2版.中国建筑工业出版社，2005.

[2]李智毅，唐辉明主编.岩土工程勘察[M].中国地质大学出版社，2003.

[3]SL237-1999土工试验规程[S]，1999.