土工试验(培训教材)

土工试验

前言：土工试验实际上包含三个方向的内容。一是机理实验，为少数研究人员为研究力学现象发生的机制而做，为学术研究方向；二是特性实验，主要为测定计算参数服务；三是物理模型或模拟试验，目的是为了寻求边值问题和工程问题的解答及应用。我们这里讲的土工试验通常指的是第三种，应用性土工试验。

一、土的工程分类及土样制备

土工试验是一项影响因素复杂，变化性较大的试验工作。不同的人因为试验方法、手法以及试验技巧的熟练程度不一样，所获得的试验结果也会有较大的差异。因此土工试验相对于其他常规检测而言，对于人员的实践操作经验和基本理论知识的要求要高些。为了比较正确的反映实际土的性质，试验人员应该多现场操作试验，不断积累经验，并且要掌握土工的基本原理和知识，这样才能对于土工试验进行熟练掌握。

在了解试验步骤和作业方法前，先对土的性质、分类以及土样制备进行大概的介绍。

土的分类方法目前主要有两种，分别为按颗粒粒径大小分类法和按塑性指数分类法。

一般土按其不同粒径的相对含量可划分为巨粒土和含巨粒土的土、粗粒土、细粒土；巨粒土和含巨粒的土、粗粒土按粒粗、级配、所含细粒的塑性高低可分为16种土类；细粒土按塑性图及所含粗粒类别、有机质多少可划分为16种土类。

1、试样中巨粒组质量多于总质量的50%的土称巨粒土；试样中巨粒组质量为总质量的15%~50% 的土称巨粒混合土；试样中巨粒组质量小于总质量的15%的土，可扣除巨粒，按粗粒土或细粒土的相应规定分类定名；

2、试样中粗粒组质量多于总质量的50%的土称为粗粒土，其中试样中砾粒组质量多于总质量的50%的土称砾类土，试样中砾粒组质量小于或等于总质量的50%的土称为砂类土；

3、试样中细粒组质量多于或等于总质量的50%的土称为细粒土，具体区分为：试样中粗粒组质量小于总质量的25%的土称细粒土；试样中粗粒组质量为总质量的25%~50%的土称为含粗粒的细粒土；试样中含部分有机质的土称为有机质土。

对于现场土样为了方便常采用简易鉴别方法来初步判别土类。如确定土粒粒径含量时可将碾散的风干试样摊成一薄层，凭目测估计土中巨粒、粗粒和细粒组所占的比例，再按照粒径土的分类方法确定其为巨粒土、粗粒土（砾类或砂类土）

或细粒土。

土样制备主要有两种，一是原状土试样制备，一是扰动土试样制备。

扰动土试样制备按下列步骤进行：

1、将土样从土样筒或包装袋中取出，对土样的颜色、气味、夹杂物和土类及均匀程度进行描述，并将土样切成碎块，拌合均匀，取代表性土样测定含水率；

2、对均质和含有机质的土样，宜采用天然含水率状态下代表性土样，供颗粒分析、界限含水率试验。对非均质土应根据试验项目取足够数量的土样，置于通风处晾干至可碾散为止。对砂土和进行比重试验的土样宜在105~110℃温度下烘干，对有机质含量超过5%的土、含石膏和硫酸盐的土，应在65~70℃温度下烘干；

3、将风干或烘干的土样放在橡皮板上用木碾碾散，对不含砂和砾的土样，可用碎土器碾散（碎土器不得将土粒破碎）；

4、对分散后的粗粒土和细粒土，应按标准要求过筛。对含细粒土的砾质土，应先用水浸泡并充分搅拌，使粗细颗粒分离后按不同试验项目的要求进行过筛。

原状土试样制备按照以下步骤进行：

1、将土样筒按标明的上下方向放置，剥去蜡封和胶带，开启土样筒取出土样。检查土样结构，当确定土样已受扰动或取土质量不符合规定时，不应制备力学性质试验的试样；

2、根据试验要求用环刀切取试样时，应在环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上，将环刀垂直下压，并用切土刀沿环刀外侧切削土样，边压边削至土样高出环刀，根据试样的软硬采用钢丝锯或切土刀整平换刀两端土样，擦净环刀外壁，称环刀和土的总质量；

3、从余土中取代表性试样测定含水率。比重、颗粒分析、界限含水率等项试验的取样按照扰动土步骤2的规定进行；

4、切削试验时，应对土样的层次、气味、颜色、夹杂物、裂缝和均匀性进行描述，对低塑性和高灵敏度的软土，制样时不得扰动。

土工现场见证取样注意事项

对于电厂建设等工程，土方回填量相对较大，回填要求也比较高。常规要求0.93压实系数。现场检测和取样影响因素较多，所以需要多加注意，避免因为作业因素干扰多引起数据误差较大，影响检测结果。参照规范并结合现场的实际作业经验，总结了几点注意事项如下：

1、在回填前应在现场取回填材料做击实试验，采取的土样应具有一定的代表性，取样量应能满足试验的需要。很多单位不熟悉这个流程，在委托或者取样时有随意性，所以击实试验尽量与监理人员一同前往取样点查看，并且及时提醒委托单位做好取样委托（击实试验至少要提前三天送样）；

2、鉴于基础回填材料基本上是扰动土，在按设计要求及所定的测点处，每层应按要求夯实，采用环刀取样时，应注意以下事项：现场取样必须是在见证人监督下，由取样人员按要求在测点处取样，而取样、见证人员，必须通过资格考核。取样时应使环刀在测点处垂直而下，并应在夯实层2/3处取样。取样时应注意免使土样受到外力作用，环刀内应充满土样，如果环刀内土样不足，应将同类土样补足。尽量使土样受最低程度的扰动，并使土样保持天然含水量。

3、密实度取样量应符合下列要求：对于场地平整：每层100m2～400 m2取1组；单独基坑：20 m2～50 m2取1组，且不得少于1组；室内回填：沟道及基础，每层20 m2～50 m2取1组；其他50 m2～200 m2取1组。根据现场的实际

情况判断取样点数。对于重点控制的地方尽量加大取点点数。

二、现场检测作业及注意事项

1、作业前准备工作：

土工试验是我们常规现场检测作业，有时候作业地点距离试验室比较远，需要做好准备工作，仪器工具等要携带齐全，否则现场很难操作。主要仪器及工具有：标准环刀；铲刀；取土用勺子；小锤；灌砂筒；标准砂；电子称；毛刷；塑料袋若干。回到室内作业时需要调试准备好以下设备：马歇尔击实仪； 101-3A 型恒温干燥箱；平底瓷盘若干；电子天平两个（10Kg 量程，最小分度值5g ；称量500 g,最小分度值0.1g ）。

作业人员在试验操作前一定要对委托单的信息内容有所熟悉了解，最好能在作业前预先熟悉一下作业流程，做好记录准备，做好预备方案。这样做的好处是尽量避免因为某一个流程的失误而造成整个试验的失败。因为土工试验做一次下来相对费时些，尽量做好这些工作可以避免做无用工。

2、作业具体操作要求：

1）含水量试验:

取代表性试样，粘性土15～30g,砂性土有机质50g ，放入称量盒内盖上盒盖，将盒置于烘箱内，在105～110℃恒温下烘干；烘干时间，粘性土不得少于8h,砂性土不得少于6h ；

将称量盒从烘箱中取出，放入干燥容器内冷却至恒温，称干土质量（精确至0.01g ）；

试验数据要及时进行记录，含水量按下式计算：

1001?-=）（d m m

ω

式中ω——含水率，%；

m ——湿土质量，g ；

md ——干土质量，g 。

含水率做两次，差值超过1%，应重做。

值得注意的是，含水率试验取代表性试样时一定要注意“代表性”这三个字，有个别土样会有粒径很大的石头或者颗粒，一定要筛选掉，这些颗粒含水量不能代表试样的平均状态，会直接影响试验结果。装样入盒时候要在注意盒盖与盒身标识编号对应记录，避免混淆。

2）密度试验步骤（环刀法）：

环刀法适用于细粒土，具体操作也相对简单：

在选好取样点做好了取样准备后，将环刀垂直压入土中，取出后削去环刀两端余土，擦净环刀外壁，称环刀和土的总质量，并取余土测定含水量，取出环刀内土样称重；

试验过程中各项数据及时记录，按照公式计算其结果：

试样的干密度按下式计算：

ωρρ01.01+=d 式中d ρ——干密度，g/cm3

ρ——湿密度，g/cm3

ω——含水率，%。

环刀法试验也要进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于0.03g/cm 3

,取两次测值的平均值。

3）密实度试验（灌砂法）：

灌砂法密实度试验适用于现场测定粗粒土的密度，具体步骤如下：

做好仪器等准备工作后，将选定试验处的试坑的试坑地面整平,除去表面松散的土层,按确定的试坑直径划出坑口轮廊线,在轮廊线内下挖至要求深度,边挖边将坑内的试样装入盛土容器内,称试样质量,准确到10g 。（土样要做好标识和密封，待回室内方便做试样的含水率测定）

向容砂瓶内注满砂，关阀门，称容砂瓶，漏斗和砂的总质量，准确到10g 。 将密度测定器倒置（容砂瓶向上）于挖好的坑口上，打开阀门，使砂注入试坑。在注砂过程中不应震动。当砂注满试坑时关闭阀门，称容砂瓶、漏斗的余砂的总质量，准备至10g,并计算注满试坑所用的标准砂质量。

记录各次称量数据，根据土样含水率按照公式计算试样密度和干密度。计算公式如下：

s s p m m ρρ?=0 式中0ρ——试样密度，g/cm 3

s ρ——标准砂密度，g/cm 3

s m ——注满试坑所用标准砂的质量，g

p m ——试样质量，g 。 试样的干密度按下式计算： ωρρ01.010+=

d 式中d ρ——干密度，g/cm 3

0ρ——试样湿密度，g/cm 3

ω——试样含水率，%。

灌砂法试验应注意现场实际情况，挖坑时候要尽量避开下面有大颗粒石头的地方，发现这样的情况要另外选坑，避免试验结果失真。另外在放砂时候保持试坑周围无扰动，避免大型机械在周围作业的影响以及人为因素影响。否则试验结果不准确。灌砂基板选用根据压实表面情况而定，表面粗糙空隙较大时候要扣除基板空间，具体操作按照统一的灌砂法现场记录表格内容进行即可。

另外可以将几种方法结合核子密度仪法对比进行。这样可以相互参考，获得较为真实的结果。（核子仪操作要严格按照核子仪规程进行。）

4）击实试验：

室内击实试验的目的是要确定扰动土在一定的击实功能下干密度随含水率变化的关系曲线，以求得土的最大干密度和最优含水率，以此作为土的压实特性参数，为工程设计和现场施工碾压提供参考。

击实试验分轻型击实和重型击实。轻型击实适用于粒径小于5mm的粘性土，重型击实适用于粒径不大于20mm的土，若采用三层（每层94击）击实时，最大粒径不大于40mm。

击实试验试样制备分为干法和湿法两种：

干法制备是用四分法取代表性土样20kg（重型50 kg）,风干碾碎后过5mm 筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的风干含水量；根据土的塑限预估最优含水量，取5个土样，按不同的含水量加水拌匀，装入盛土器内润湿一昼夜；相邻两个含水量的差值宜为2%。其中应有2个含水率大于塑限，2个小于塑限，1个接近塑限。

湿法制备试样应按下列步骤进行：取天然含水率的代表性土样20kg（重型为50kg）,碾碎，过5mm筛（重型过20mm或40mm），将筛下土样拌解剖匀，并测定土样的天然含水率。根据土样的塑限预估最优含水率，按本条1注的原则选择至少5个含水率的土样，分别将天然含水率的土样风干或加水进行制备，应使制备好的土样水分均匀分布。

击实试验操作具体步骤如下：

首先将击实筒平稳置于刚性底板上，击实筒与底座联接好，装好护筒，在击实筒内涂一薄层润滑油，称取一定量试样，倒入击实筒内，分层击实，轻型击实试样为2-5kg,分3层进行，每层25击；重型击实试样为4-10kg,分5层进行，每层56击，若分3层，每层94击。每层试样高度宜相等；二交界处的土面应刨毛，击实后超出击实筒顶端的试样高度应小于6mm。

拆去护筒，用刀修平击实筒顶部的土样，拆除底板，试样底部若超出筒外，也就修平，擦净筒外壁，称筒和试样的总质量（精确至1g），算出试样的湿密度。

用脱模器将试样从击实筒中推出，取2个代表性试样测定含水率，2个含水率的差值就不大于1%。

对不同含水量的试样按上述方法依次进行击实试验。

需要注意的是，在试验过程中要及时进行数据记录，最后进行数据计算填入计算表中自动绘制曲线。若关系曲线不能绘出峰值点时，应进行补点，土样不宜重复使用。重复使用土会因为部分颗粒在反复击实中破碎而改变土的级配，也会在再加水时难于净透从而影响试验结果。在试样击实后会有部分土超过筒顶高，这部分土柱称为余土高度。当余高度不超过6mm时，干密度的误差才能控制在允许误差范围内。因此，为了保证试验准确度，需要控制余土高度不超过6mm。轻型击实试验中，试样的粒径大于5mm的土质量小于或等于试样总质量的30%时，可以按照标准中的计算公式对试验结果进行校正。但是当土料中大于5mm以上的颗粒含量超过30%时，由于大颗粒间的空隙不能被细粒土所填充，所以校正无效，应采用其他试验方法。

土工试验是影响因素较多，一定要多实践多操作，多研究总结，直到有了一套自己的经验，否则任何一项影响因素没有掌控好就会因为偏差较大二导致试验结果失真，不能真实反映土质状况，不能有效指导工程应用。