土工室内试验

土工室内试验

土工试验是测定土的物理、力学、化学和其他工程性质（见土的工程性质），供岩土工程设计和施工控制使用。土工试验有两种方式,即室内试验和原位试验,前者是对采取的土样进行试验，后者是在现场自然条件下直接进行试验。

室内土工试验包括土的物理、力学、化学和矿物等分析试验。前两项较为常用，后两项在特殊情况下进行。土工试验方法从40年代开始制定标准,1942年,美国各州公路工作者协会(AASHO) 已开始就土的物理性质试验方法和设备制定标准，中国水利部1956年颁发了《土工试验规程》，许多国家也都制定有本国的试验规程。

基本物理试验包括土的单位容重、含水量和比重三项，并由此求算土的孔隙比，孔隙度、饱和度等指标。

粒径分析试验将一定重量的土烘干碾散后用顺序叠好的筛组过筛、称重，确定各个粒径范围内土粒重的百分数。小于2毫米的土团粒，干时不易碾散,需置于水中充分浸润分散后并通过2.0～0.1毫米的细筛。小于0.1毫米的细粒土,用比重计法或移液管法确定其各种粒径的含量。通过筛分和比重计结合粒径分析试验，绘制土样的粒径分布曲线供土分类使用。

阿太堡界限含水量试验测定土在液性界限和塑性界限时的含水量。因液性界限和塑性界限的定义不够准确，其测定方法有人为规定的因素。A.卡萨格兰德于1932年提出一种测定土的液性界限的碟式仪及其测定方法，已被西欧、美、日等国采用至今。苏联、中国多用平衡圆锥仪测土的液性界限。两者测得结果不尽相同，其差异与土的塑性大小有关。塑性界限试验各国仍采用人工搓条法。

相对密度试验测定无粘性土在最松和最密实状态下的最小和最大容重，以计算它的最大、最小孔隙比和相对密度。测最小容重多使用量筒法、漏斗法和各种松砂器。测最大容重最常用的是击实法和振动法。测无粘性土的最小和最大容重方法，有时需根据土质条件而定，在有疑问时应用几种方法进行对比试验。

击实试验用标准的容器、锤击和击实方法，测定土的含水量和容重变化曲线，求得最大干容重时的最佳含水量，是控制填土质量的重要指标之一。

加州承载比(CBR) 试验美国加利福尼亚州公路局于30年代初提出的，用以检验公路路基承载能力的测试方法。现已被欧美各国广泛采用，可在室内或现场进行测试。室内试验是将扰动土样在特制容器中击实到最大容重，然后在顶面注水,使土样在5公斤荷载下浸水96小时,测其膨胀量。再将土样用5厘米直径圆柱等速压入土样表面，测出土样的荷载与贯入量关系曲线。相应于25毫米时的荷载与标准荷载的比值即为加州承载比。现场试验的原理和室内试验相同，可直接测定路基的CBR值（见柔性路面设计）。

压缩和固结试验将原状土样放在有侧限和允许轴向排水的容器中逐级加压，测定各级压力与土样压缩量之间的关系,每级压力下土样压缩与时间的变化关系,以及卸荷过程中压力与回弹变形的关系（见土体的压缩和变形）。

常规固结试验法（见土体固结理论）耗时多，因而约在60年代提出一些新的节省时间的试验方法，如等应变速率法、等梯度法、等加荷速率法和连续加荷法等。但所得固结系数和先期固结压力与常规法有差别，目前尚未普遍使用。

剪切试验测定土的抗剪强度参数。常采用无侧限压缩试验，直剪试验和三轴剪切试验。①无侧限压缩试验是将圆柱形土样在垂直方向加压直至破坏，测出土在不排水条件下的总强度。②直剪试验是将试样放在方形或圆形剪切容器内，施加不同的垂直压力，然后使试样沿一固定水平剪切面剪断，测定不同垂直压力下的破坏剪应力。直剪试验方法操作简单，但土样中的受力条件较复杂。③三轴剪切试验是将数个圆柱形土样安装在三轴压力室中，在不同的周围压力下，施加轴向压力，使土样剪切破坏,然后根据莫尔-库仑定律确定土的强度参数(见土的抗剪强度)。三轴试验中可测定土在完全不排水，固结不排水或完全排水条件下

的强度参数，也可用来进行不同应力途径下的剪切试验。三轴试验是目前各国使用最普遍的剪切试验法。此外，还有扭剪试验、平面应变剪切试验和真三轴剪切试验等，但目前仅用于研究实验工作。

土动力性质试验测定在动荷载下，土的性状试验仪器有共振柱仪、动三轴仪、动单剪仪和动扭剪仪等。中国多用动三轴仪。圆柱形土样在周围压力下，可在土样轴向施加某种谐波或随机波动荷载，测定往复荷载下土样变形和孔隙水压力的发展，据以确定土的动强度参数，包括饱和砂的液化特性（见土的动力性质）。加荷动力有气压式、电液伺服式和电磁式。有的动三轴仪配备有微处理机，光电伺服反馈系统以进行随机动荷载下的试验。土的动力试验在60年代以后才有较大发展，试验方法、设备和标准尚在改进中。

化学性质和矿物分析一般工程不要求做土的化学和矿物分析。化学分析包括测定土中易溶盐、石膏和难溶盐碳酸钙的含量，腐植酸含量，酸碱度和离子交换量等。矿物分析在岩土工程中最主要的是测定粘土矿物的类型，为确定矿物的类型除进行化学分析外，还采用差热分析和X射线衍射分析等物理化学分析法。

原位试验在现场保持土体的原有应力条件和环境条件，不用钻探取样而直接测定土体的工程性质。包括范围广，种类多，而且仍在发展中。常用的有：

十字板剪切试验在钻孔底部压入十字板型测头，旋转十字板可测定土层的不排水抗剪强度。此法在40年代由挪威首先提出，是较普遍采用的钻孔中测饱和粘性土强度的方法。

平板荷载试验用于模拟基础对地基的作用，通常是将与基础刚度近似的圆形或方形压板（压板直径不能小于30厘米），置于整平的基坑底部，在压板上分级加荷，每级荷载加上后记录压板的沉降至基本稳定，再加次一级荷载直至地基破坏。从试验得到的荷载-沉降曲线，可分析地基土的承载力和变形特性。荷载板试验不仅用于常规生产试验，也是一种良好的研究土的基本性质的手段。

标准贯入试验钻孔钻到指定标高并清底后,用63.5公斤重的穿心锤，以76厘米的自由落距，将一定规格的对开式取样器打入土层30厘米，记录打入击数，根据击数多少判别土的密实程度。标准贯入试验虽人为误差因素较多，但因其适用于各种土层，贯入过程可同时取得土样，在美国和日本及其他许多国家广泛使用。特别是在判定饱和砂土的液化势方面，标准贯入试验更有其独到的作用。

静力触探最常用的是圆锥贯入仪。将一圆锥探头连续压入地层，测定各土层对圆锥的阻力，根据阻力与深度变化曲线，给出土层改变的清晰图形。通过经验统计相关关系，许多学者提出了根据土层的锥尖阻力估算其各种工程性质的经验公式。1964年，中国研制成功电测探头，提高了测试精度，并在全国迅速推广。近十余年，多参数探头有所发展，如测地温、孔斜或孔隙水压力等。仪器的数据收集和整理系统已采用近代电子和微处理机技术，可对测定数据自动记录和处理。静力触探还较普遍地用于近海平台的海底勘探，为此设计了可以遥控的钻孔内静力触探头。

旁压仪试验也称横压试验，测头为圆柱形，其测量段外壁为硬橡皮或金属铠装加筋乳胶膜，中空。置于钻孔中用水或氮气通过测头的膜向孔壁四周横向逐级加压，得到孔壁径向应力和应变曲线及极限压力，从而根据经验估算土的各种工程性质。由于试验条件接近圆柱形空洞膨胀理论，并能得到土的应力-应变曲线,有的学者认为是一种较理想、有发展前途的原位测试方法。但一般认为它和其他原位测试方法一样，只能通过经验相关为工程提供所需参数。70年代后期，英国和法国都试制了自钻式横压仪。测头前方带有碎土钻头，借循环泥浆将碎土带出孔口，测量段紧随探头环刀进入土层，最大限度地减少了孔壁的扰动。新测头还带有孔隙水压力传感器。

动弹性模量试验通过测定波在土层中的传播速度以计算土的动弹性模量。有两种方法:一种是单孔法,也称下孔法，将拾震器牢固地贴于钻孔内的孔壁并与地面动态示波器相连，

在孔口地面按所要求的震波类型（横波或纵波）击震。从示波器记录的震波曲线可计算波传到拾震器的时间，结合拾震器在钻孔内的深度即可计算该深度内土层的平均波传播速度。此法较简单，但不能准确测定地层中夹层的波传播速度。另一种是跨孔法，在一个钻孔中的要求深度处，用落锤或暴破激震，在周围另一个或数个平行钻孔的相同深度处，安置拾震器接受震波，只要能准确测出孔中击震点与拾震器间的水平距离即能计算该层土中波的传播速度（见工程地球物理勘探）。

现场原型观测在工程建筑物的有关部位埋设仪器，长期监测施工或使用过程中，建筑物或地基土的工作性状，以检验计算方法和参数是否符合实际情况。最经常观测的是应力和位移的变化。

应力测定为观测土与结构物的相互作用，可在结构物的构件中设置钢筋计，在土与结构物接触面或土层中埋设压力计，定期观测各部位应力的变化。但测定土层中应力较困难，传感器的刚度和埋设方法对观测结果的影响尚未很好的解决。应力测定的另一重要方面是土体中孔隙水压力的测定。在饱和软土上修建油罐、高路堤等，常用加载预压法以减少使用期间的沉降。预压过程常在地层中事先埋设孔隙水压力测头，通过对孔隙水压力增长速度的监测，以控制预压加荷的速率保证工程的安全。

位移观测设置水准点用精密水准仪定期测量其垂直位移，仍是最常用的可靠方法。地基深层沉降最早也采用在钻孔中埋沉降杆，杆顶伸出地面，用水准仪观测（见地面沉降和水平位移观测）。目前，较常用的是在钻孔中下塑料套管，在需观测的不同深度处分别将一铁圈挤入土层。铁圈随土层的沉降而下沉，观测时从孔口放下一个与钢尺相连的电磁测头，测头通过铁圈时即发生音响，从而可测出各铁圈的深度及其相对沉降。自动记录深层沉降计也已被使用。为测土的水平或侧向位移，在垂直钻孔中埋置塑料或金属套管，套管将随土层的侧向位移而变形。将特制的测斜仪顺套管中的导向槽放入管内,即可测得不同深度套管的倾斜度，精度可达0.1°。为观测岩土体地表的三维位移，近年来大多用摄影测量方法。

室内试验

第4.3.1条室内试验一般包括土的物理性质指标测试，力学性质指标测试及化学分析。实际试验项目应根据工程性质、基础类型、设计要求和土质特性等因素综合确定，以满足设计和施工的需要。试验方法、技术标准及仪器设备，应按现行的《土工试验方法标准》（GBJ123）执行，并应满足本节要求。

第4.3.2条土粒相对密度，对一级建筑物应采用比重瓶法实测，对二、三级建筑物可按本地区经验值来确定。也可参照附录五附表5.1采用。

第4.3.3条液限含水量试验，应采用圆锥仪方法。工程需要时也可采用碟式仪方法。两种试验方法测得的液限之间的关系，应按各地区经验公式换算。

第4.3.4条对圆锥入土后随时间持续下沉，塑限搓条又无法按规程要求操作的土，应进行颗粒分析，以颗粒组成定名。

第4.3.5条土的渗透试验应同时测定土的垂直向和水平向的渗透系数。且应根据地下水的温度以K20或K10作为标准提供数据。

第4.3.6条土的化学分析：应主要测定pH值，氯化物、硫酸盐和碳酸盐等成分的

含量。用于评价对金属和混凝土腐蚀性及其防护。评价标准和防护措施，可按现行的《岩土工程勘察规范》有关规定执行。

第4.3.7条常规固结试验对于一级建筑物其最后一级压力，可依建筑物的附加压力和土的自重压力来选定。对于二、三级建筑物其最后一级压力，不宜超过400kpa。

试验报告中的压缩系数α1－2和压缩模量Es为相应于垂直压力为100～200kpa的值。

第4.3.8条固结系数Ｃｖ，先期固结压力Ｐｃ用于评价土的压缩性、地基变形、固结速度及基坑边坡稳定时，试验采用的最后一级垂直荷重，加荷级数及稳定标准等，应按土质特性，上覆压力和建筑物性质来确定。

固结系数应包括垂直向Ｃｖ和水平向Ｃｈ的测定，压力范围可采用在土的自重压力至土的自重压力加附加压力之和的压力范围内进行选定。

式中Po——土的自重压力。

第4.3.9条软土的静弹性模量可在应力控制式三轴压缩仪上在侧压力σ2＝σ3条件下，用轴向反复加，卸荷的方法确定。其垂直压力的施加应模拟实际加、卸荷载的压力状态。

第4.3.10条抗剪强度试验，对一级建筑应采用不固结不排水三轴剪切试验,对于其它等级建筑物可采用室内直接剪切试验。对加荷或减荷快的工程，应做快剪试验。对土体可能发生大应变的工程应测定残余抗剪强度。

固结快剪试验试样（厚2cm）的固结时间不得少于2h。当土质极软弱时，垂直荷重应适当减小，以试样在剪切盒内不发生加荷挤出为宜。

第4.3.11条软土动力特性试验，施加动荷载的波形、频率、振幅、持续时间、试样的固结应力和破坏标准，以及操作方法和成果整理等，都必须先编制能满足工程需要的试

验方案设计。

第4.3.12条土的泊松比v，对一级建筑物应通过试验求得。对其他等级建筑物可应用本地区的经验值或参照附录五附表5.2采用。

第4.3.13条判定软土的结构性，应采用现场十字板剪切试验，也可采用无侧限抗压强度的试验方法，测定其灵敏度St，按表4.3.13判定。

结构性分类表4.3.13

注：无侧限抗压强度试验土样，应用薄壁取土器取样。

第4.3.14条有机质含量宜采用重铬酸钾容量法测定。