土工试验常见问题分析及应对措施

贾俊娥

中航勘察设计研究院有限公司 北京 100098

随着中国建筑产业的日益发展壮大，施工项目也愈来愈多，对施工质量需求也愈来愈高，所以工程勘察工作也愈来愈受到重视。强调科学设计，标准化施工。而土工试验作为工程勘测工作中的组成部分也是十分重要，土工试验是保证设计质量与施工效果的一个重要环节，它能够为设计提供准确的科学数据支撑，在土工试验中，我们可以根据工程设计要求对试验对象的各种物理指标与特性加以检测，并以力学理论知识为基础，根据各种岩土施工实践需要判断施工的勘察有效性，并以此为建筑工程设计工作提供科学数据支撑，从而提高了施工总体设计方案的科研性、合理化、时效性。

1 引言

土工试验是勘测设计工作中的一个基本工作，试验成果的可信度和准确度会对施工安全与质量产生相当大的影响。由于土体自身结构比较复杂，在测试过程中常出现仪器设备、测试方法、人员素质等方面的差异，所以在开展试验工作时要注重于对出现问题的数据加以分析，提高土工试验数据的准确度，为设计工作提供数据参考。

1.1 土工试验的概念

土工试验主要是指通过检测对施工中填筑材料性质和地基工程性能的测试，并通过对试验成果的分类与汇总，为施工获取可靠的参考，同时，土工测试还可以为力学性能指标以及土样的物理性质指标提供依据，土工试验主要就是通过对土壤特性的分析，确定地基基础的施工结构以及施工质量安全，土工试验中主要的测试内容包括:塑限、液限、含水率、孔隙比和密度等。测试的方法主要包括:[1]固结试验、抗压强度试验、三轴试验、直接剪切试验、渗透试验、液塑限联合测定仪法、比重瓶法;灌砂法;环刀法和灌砂法等。

1.2 土工试验作用

试验人员也可以通过将相关的指标与土工试验的结果放到一起加以对比，从而发现数据的共性，经过分析对比以后得出的数据才是正确的。另外土工试验过程中，试验人员需要严格依据有关的技术规范和技术标准实施，完成土工试验的所有过程，确保施工的稳定性与安全，最后实现确保质量的目标。

土工试验是工程地质勘察中一项重要的工作，通过土工试验，可以获得土的各种物理性指标，更能获得与工程有关的力学指标，从而为正确评价工程地质条件提供可靠的依据。

2 土工试验中存在的问题

2.1 试验人员问题

一个设备健全的土工实验室人员组成一般包括一个技术负责人以及相应的试验作业管理员，同时还应设有兼职品质监理人员、试样管理者、实验仪器设备管理员、试验报告编写员等。技术负责人还应当掌握土工的各种试验作业过程，能处理日常试验过程中各种技术问题，并承担对土工成果报告的审查工作等。试验技术人员应该能根据规范做好实验操作、数据录入和校验。不过目前，很多实验室人员配备并不齐全[2]。

试验人员技术水平参差不齐。土工试验室的操作试验科技人员一般都是以科技工作者居多，而20世纪70时代末、80时代初进人实验室的实验科技人员，一般都具有较为丰厚的工程经验和过硬的专业知识。后来，由于试验室的工作人员起源比较复杂，且大部分为缺乏相应专业知识基础的工作人员，又缺乏经过正确的专业训练，很多试验工作人员往往仅会一个项目的简单试验，而无法适应全面、完整的测试项目，因此他们往往不了解实验基本原理、操作步骤和实验标准，又或者把不标准的实验操作结果当成了标准，有的以至于简单化了过程，更有甚者编造各种数据，影响了测试结果的真实感、准确度。

2.2 设备问题

设备老化更新慢，先进设备维修技术不足

按照目前国标《土工仪器设备的基础技术参数及一般工艺技术要求》(GB/T15406-2007)的有关规定，各类土工仪表装置应当定期按照试验规程检定，经检查不合格者应予以检修和淘汰，所使用的室内土工仪表及装置每年需要外部校核一次。平时试验前仪表及装置都要试验人员调试检查等，尤其近年来，有些土壤试验仪器设备厂家所研发的许多使用简单、精度高、效率较高的现代化土工实验技术设备，如全自动气压固结仪、四联直剪仪、自动击实仪、数据采集系统等，普遍应用在各大土工试验室中，使得很多土工试验室的自动化仪器设施处在领先技术水准，但同时土工试验仪器自动化设备长时间磨损及维修人员技术水平缺乏并由此导致了土工实验成果的精准度都极大受到影响[3]。

设备缺乏及时维护与检定

土工试验结论的正确性也和仪器设备的稳定性有关。这些仪器与设备在每经过半年或一年后，会产生细微的误差，而这种细微误差直接影响到实验结论的正确性。当微差叠加变大时，对测试成果的影响也将更加不容忽视。尽管如此，却很少在土工实验室中进行测定，使得土工测试结果的可信度也大大降低。

土工实验仪器设备除要定期检查以外，在平时的应用过程中也必须进行维修保养，并建立了仪器设备档案，以保证仪器设备一直保持在正常状况。但在实际有些小实验室管理中，这项工作却基本不能进行，一定程度上影响了试验结果的准确性。

2.3 土样问题

原始状土样常规土工试验使用的建筑材料大多为土样，是在施工过程中在土层某一深度处取的试样，要保证测试样本的代表性、有效性和完整性，对原始状土样的取样、储存、运输等各个环节，都要实施有效的品质管理。但实际工作中也常常因为采样、储存、运输中操作不严格造成原状态样被干扰，使测试结果产生偏差[4]。

(1) 取样的不规范

主要表现在:一是采样时，对土样冲击次数较多;二是由于钻机的偏移、钻具的提拉停止、洞底不清、从取样器角度切入土样的速率过慢等因素引起原始状态样被扰动;三是由于采样情况与事实相悖，土样缺乏现实代表性。

(2) 原状样的保存和运送问题

有些无法及时运到试验室作试验，也应该放到野外保存。野外存放天数不要大于三周，气温和相对湿度要适宜，防止风吹、日晒、防冻，并与样箱密封。运输途中要防震，避免土样破裂。但有些工程的土样经取样后并不能在当场进行封样，因此往往出现了只贴粘胶布而不蜡封，甚至只蜡封而不贴胶布的现象，并缺乏抗冻、防晒、抗震等的保护措施。而这种不标准化的保存运输，势必增加了土样的流失和扰动破坏，使数据更加缺乏真实感和代表性。

(3) 制备试样

原始状态土样常规试验中试样的重点主要是切取环刀与液塑限试验中的试样。而切取环刀则是密度试验、剪切试验、压缩试验中的主要试样方式，因此切取环刀质量的好坏影响着密度数值、粘聚力、内摩擦角、压缩系数和压缩模量等技术指标的正确与否。在切取环刀步骤中往往有如下的不标准动作，影响着试验成果。第一是在压环刀时用力不平衡，造成切取的土样体积较环刀体积小。其次是环刀不能垂直于土样下切，导致切割测试和压缩试验中确定的技术指标均不正确。第三是切割步骤中，不断翻动土样或在表层多次刮削，导致土样扰动，或液化。第四是在环刀切好后，未作检验，左右表面均不能严密与环刀持平。开土是界限含水量计算试验制备的重点环节，由于相当部分测试人员开土时间太短或根本不熟练，造成土样颗粒表层湿润而内层干涸，计算的界限含水量偏差很大[5]。

2.4 试验方法问题

室内土工试验的全部流程，大致上可包括接样、开样、设计试样、试验、数据分析、编写报告等六个环节，任何一环节使用的方式不合理或不规范都会影响到最后的实验成果。土工实验室的工作都是通过接样进行的，但有些实验室在收到试样后就直接进行摆放，导致了土样混乱、扰动甚至破坏，严重影响了实验成果。开样时并没有做好对土样的品质分级鉴定和开土描写，而无视土样的扰动，甚至忽略了对开土状况的观测描写，使得对试验结果的异常分析和各种检验指标之间不配合缺乏理论基础，结果无法提交给可信的试验数据。

2.5 试验过程

(1) 这一环节是整个土工试验的核心环节，土工试验结果的可靠性与否较大程度上决定这一环节的质量，主要体现在试验方式是否合理、试验过程是否完善、试验操作手段是否标准化等方面。烘烤法试验做含水率，操作简便，且误差范围较小，但是由于试验人员往往在开样后并没有及时进行测定，因此造成了含水率的一些损失，而且有时由于烘烤时间不足或是在烘烤后不能进行干燥，造成试验数据产生了一定的偏差。

(2) 土样的液限、塑限的测量方式一般有联合测定法，锥式液限仪法和搓条法等。搓条法虽然广泛应用但国家标准却无法把握，人为因素影响也很大，测试人员不能放弃空心土条、粗细差不合格土条等，对低塑性土样危害很明显，有的单位甚至根本不能进行计算，而只是使用相关的公式将它计算出来，误差也难以估计。锥式液限仪法易发生的问题一般是制备好的土样入杯时不平整、有明显空隙，或者因为过度要求杯口表面的均匀性而多次抹压，从而造成土壤表面液化，导致所计算的液限值错误。而统一测量方法中易发生的问题则主要有土样入杯时不平整，或者每个含水率土样与土表面锥点过于接近，而相互影响导致数值不正确。

(3) 直剪试验测试方法也相当多，在有些试验室中基本忽视了测试方式的选型提问。再次是在测试过程中有些细部问题易产生数据误差，如上下渗漏水石的大小差异，以及杠杆的调平、剪切圈的密封性问题等。三是，手轮转速的一致性和试验结果的正确标准都是很难掌握的。以至于一些试验人员通过只读峰值来确定是否剪断，造成了试验数据结果的巨大偏差。

(4) 在土的固结测试中，对数据质量影响最大的主要问题便是测试方式的不标准化。目前，在试验室中最广泛采用的方法是一小时快速固结法，即假设每一级负载作用一小时后即变形平稳，若实际情况没有达到稳态，则误差便由最后一级负载修正值。虽然这个方法最大的好处便是比较省时，但是却没有标准中的方法，而且尽管在最后作了调整，但依然有偏差存在。另外，在具体操作过程中的某些困难问题也能引起试验数据发生偏差，一般有忽略预压，不能使实验仪器完全触及，致使第1级负载形变数达到的精确值太大;加压时会形成撞击，致使形变量偏大;加压后忘记调平，致使试验结果错误;百分表中活动轴杆量程不足，致使压力试验错误。

(5) 土工试验数据包含了原始统计分析、指数计算、指标数据校核和统计分析等，但由于原始的统计分析常常被试验工作人员所忽视，而指数的校核工作也基本是空白的，造成了部分不正确数值的出现。此外，报表编制人员主要是机械编制报表，不重视分析资料，没有必要的经验，造成最后一个增加数据真实性的工序没有发挥应起的作用。

2.6 试验室环境问题

现行的土工试验规范、标准中对试验室的环境保护缺乏具体的规定，特别是气温、相对湿度的规定。很多试验室环境要求较差，尤其是在夏、冬二种季节，因为室内外气温均较高或偏低，且工作环境中所用的风扇、中央空调等气温变化随机，所以常常使无法进行试验的试样由于刮风或暖空调而气温偏高或缺少水份，造成了下午试验的数据和上午进行试验的测量结果之间有很大误差，从而影响了试验数据的真实性。此外，一些试验室的功能划分也不恰当，既并未将精密仪器和震动范围较大仪表等设备做分离，也并未把对环境条件要求高的检测项目和常规项目相区别，造成了试验室内功能区混淆，影响了仪器设备的实际应用，甚至造成试验结论不正确。

3 提高土工试验结果可靠性的措施

3.1 严格遵照国家标准和相关准则规定开展试验操作

试验技术人员实行统一培训，在进行专门试验技术人员的考评合格后，持证上岗，提高试验技术水平，确保人员素质和质量。在测试过程中要求测试人员综合分析测试指标，对获取的测试数据能够有合理的评估，对于存在误差或异常的数值，能准确找到病因并能准确地纠正[6]。

3.2 仪器设备对固结试验的影响

所有的试验仪器，到了一定时候。一定要检查、维修、保养，维护设备正常的工作状况，定时清理渗漏水石，检查铜套，确保表面干净无存垢，提高试验准确度，定期检测网络传输系统，检查线路连接状况，确保按照工程需要加规范的负载在土样上，固结时间必须达到规定要求。虽现试验室引进全自动化固结仪设备，但仪器设备长时间使用会影响到计算机线路，测试结果的准确度、设备灵敏性等，所以需要对测试仪器及设备进行定时的维修与检查，修复影响测试质量的仪器设备，并更换或报废不符合标准的仪器设备。

3.3 土样的水分、在天然密度测试中应注意的问题

土样的含水率、密度数值和比重值经过换算后可以得到干密度，初始孔隙比，饱和度等物理指数，但由于土样的比重值现阶段大多是根据各地方的实际状况所进行的经验值，所以，含水率和天然密度系数的计算对土样的物理指数定性来说更显关键，在土工试验前采样的代表性也非常关键，在采样和运输过程中都要注意密封为好，以避免土样水分的大量散失影响试验成果;尽量避免摔、碰、挤压样品，导致含水量的改变。

3.4 健全制度体系建设

逐步完善对土工试验室的建立与监督管理，建立健全各种制度和管理体系。首先逐步健全土工试验室认证管理体系，组建特设组织专业技术人员每年对土工试验室装置进行检查，清除不合格和过时装置;对试验室工作环境规划实施督导，合理划定功能区并对气温、湿度控制装置实施检测；严格检查试验技术人员的数量和资质。其次建立试验技术人员准入机制，健全试验技术人员考核机制，加强组织培养试验技术人员，把培养管理工作列入强制轨道。其三要构建土工试验装置产品销售制度系统，规范土工试验装置市场准入，防止不合格设备进入市场[7]。

3.5 加强人员培训

在土工试验中，人员的工作经验、所掌握的基础知识等都会影响测试结论的正确性，因此作为个人需要重视加强工作基础知识与对测试标准的掌握并不断总结工作经验，才能更好的掌握、运用土工测试，从而减少试验的人为差错。另外，作为研究单位还需要进一步加大对试验技术人员的培养，更多组织研究人员开展理论知识教学与技术比武，通过国际学术交流提升试验技术，并聘请具备较高文化水平和业务素质、具有丰富专业实践经历的技术骨干把关，指导实验管理工作，并检查督促试验技术人员严格执行国家标准和规范，克服试验工作中的疑难问题，有条件时甚至还可组织研究人员进行国外培训，共同研究并开发新的试验方式和装置。

4 结论

为了提高土工试验数据的准确度，针对土工试验存在问题可以做出以下改善，为设计工作提供数据参考。

(1) 严格遵照国家标准和相关准则规定开展试验操作。

(2) 对测试仪器及设备进行定时的维修与检查，修复影响试验质量的仪器设备，并更换或报废不符合标准的仪器设备。

(3) 在土工试验前采样的代表性也非常关键，在采样和运输过程中都要注意密封为好，以避免土样水分的大量散失影响试验成果;尽量避免摔、碰、挤压样品，导致含水量的改变。逐步完善对土工试验室的建立与监督管理，建立健全各种制度和管理体系。

(4) 进一步加大对试验技术人员的培养，组织研究人员开展理论知识教学与技术比武，提高文化水平和业务素质。