土工试验概述

土工试验概述

一、土的形成及土工试验的重要性

土是岩石分化的产物(火山灰除外)。岩石暴露在大气圈内，由于风、霜、雨、雪以及温度升降变化的影响，裂隙中积水结冰等原因(物理风化)，使岩石崩解成块。其大小从块石到黏粒皆有，其外形因圆顺或有棱角而不同，但它的化学成分与母岩相同。这些碎块再与水、二氧化碳、氧气接触(化学风化)以及受生物作用(生物风化)，其粒径变得更小，与母岩化学成分也有所不同的物质。这些由风化作用形成的沉积物或未经固结的松散集合体，在工程上统称为土。

由于土在形成过程中所受的风化作用不同，使它具有不同的沉积形式。土的主要成因类型有残积、坡积、洪积、冲积、湖积、冰积和风积。

从工程观点来看，土具有颗粒特性。颗粒与颗粒之间的黏结强度远较土粒本身的强度低，甚至没有黏结性。根据土粒之间有无黏结性大致可将土分为砂类土(砾石、砂)和黏性

土两大类。

自然界的土与工程大体可归纳为三个方面：作为建筑物或构筑物地基；作为土工构筑物(路堤、堤坝等)填料；作为构筑物的周围介质。在这些应用中，土与建筑物、构筑物产生着相互作用。例如：用于地基，会出现地基的变形和稳定问题；用作填料，会产生土的压实和变形问题；作为周围介质(渠道、土中隧道、地下洞穴等)需要考虑土的渗流及抗渗稳定性等。研究这类问题，涉及到土的强度、压缩性、密实性以及渗透性等，都需要研究土的颗粒特性和力学性能，通过土工试验确定颗粒特性和力学性能指标。这些指标也是评价地基和优选填筑土料的必备数据。在研究不良地基处理方案时，实测试验指标更是优选技术措施的重要依据。

由此可见，从认识土性，利用土体到改良土体，换句话讲，无论是研究岩土工程问题，或是解决岩土工程问题，土工试验皆是必不可少和至关重要的工作。它的重要性表现在：测试指标失真，不仅使按此设计的工程失稳甚至于破坏，就是造成财力、物力的浪费。另外，土工试验成果因试验方

法和试验技巧的熟练程度的不同，会有较大的差别。这种差别远大于计算方法所引起的误差。为了使土工试验比较正确地反映实际土的性状，要求试验人员必须了解和掌握以下五方面的情况：

▲试验的目的和所依据的原理。

▲使用的仪器设备性能，操作方法。

▲试验应获得哪些数据、分析出什么结论。

▲试验中的注意事项、误差的初步分析。

▲分析试验设计与实际问题的联系。

具体地说，要求试验人员既要学习和理解试验原理，又要训练和掌握试验方法，并能熟悉和正确使用仪器设备。概括为三句话，就是要具有基本理论，基础知识和基本技能。在此基础上，向测试技术的深度和广度发展。

二、土工试验项目

土工试验一般分为室内试验和现场原位测试两部分。

1．室内试验

从现场采取具有代表性的原状或扰动土样，送至试验室

进行测试。一般常规的项目包括以下内容：

（1)土的物理性能试验：包括含水率、密度、颗粒密度、界限含水率、颗粒分析、渗透、击实等试验。试验成果可分别用于土的工程分类、土的状态判定、渗透计算、填土工程施工方法的选择和质量控制。

（2)砂的相对密度试验：包括砂的最大和最小孔隙比试验，由此确定砂的相对密实度，可作为判断砂疏密状态的指标。

（3)土的变形试验：包括固结、压缩、湿陷性和膨胀性等。这些试验可为设计提供变形参数，即：压缩系数、压缩模量、体积压缩系数、压缩指数、回弹指数、前期固结压力、固结系数、湿陷系数、自重湿陷系数、膨胀率、膨胀力等指标。

（4)土的强度试验：包括直接剪切试验、反复直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验等。这些试验可为设计提供抗剪强度指标参数(黏聚力、内摩擦角)、无侧限抗压强度、灵敏度等。用以计算地基、边坡及挡土墙等的稳

定性，必要时用以计算地基承载力。

（5)土的化学性试验：包括黏土矿物鉴定、有机质和盐渍土试验等。黏土矿物成分是决定土的物理、化学性质的重要因素；有机质试验可测得土中的有机质含量，供研究其特性或供施工选择土料之用；盐渍土指土中易溶盐含量大于5％的土。随着其含量多寡和类别的不同，土的物理力学性质将有不同程度的改变，进行盐渍土试验，提供相应的指标，作为地基评价、采取工程措施或选料决策的依据。

2．现场原位测试

原位测试就是在土原来所处的位置基本保持土的天然结构，天然含水率以及天然应力状态测定土的性能。它与勘探一取样一室内试验相比，有以下优点：

（1)可以测定诸如砂土、流动淤泥层、贝壳层、破碎带等采样时不可避免会扰动的土层的工程性质。

（2)避免采样过程中应力释放的影响。

（3)原位测试的土体体积比室内试样大，因此代表性也大。

（4)可缩短勘探周期。

但原位测试也有不足之处，主要表现在以下几个方面：（1)各种原位测试都有其适用条件，如使用不当则会影响其效果。

（2)有些原位测试所得参数与土的工程性质的关系往往是建立在统计经验关系上，难以从理论上解释。

（3)影响原位测试效果的因素较为复杂(如周围的应力场、排水条件等)，使得对测定值的准确判定造成一定困难。

（4)原位测试中的主应力方向往往与实际工程问题中的主应力方向并不一致。

因此，土的室内试验与原位测试各有其独到之处，在全面研究土的各种性状中，两者不能偏废，而应相辅相成。

3．原位测试常用的方法

（1)静力载荷试验(简称载荷试验)：包括平板载荷试验、螺旋载荷试验、桩基载荷试验、动载荷试验等。试验成果应用于确定地基承载力、变形模量；预估建筑物沉降量；计算地基土的固结系数、不排水剪切强度；确定单桩(垂直、

横向)承载力。本章后边介绍K30平板载荷试验、E vd动态平板载荷试验均是平板载荷试验的变种。

（2)静力触探试验：适用于软土、黏性土、砂类土及含少量碎石的土层，常用于划分土层界面、土类定名，确定地基承载力和单桩极限荷载、判别砂土和饱和粉土液化可能性及测定地基土的物理力学参数等。

（3)动力触探试验：适用于黏性土、砂类土和碎石类土。利用动力触探测试资料，可以确定砂土、碎石土密实度及地基土的承载力；评定土的抗剪强度及变形模量等。

（4)标准贯入试验：适用于一般黏性土、粉性土和砂类土。本试验可判定砂土密实程度或黏性土的塑性状态判别饱和砂土、粉土的液化等。

（5)十字板剪切试验：适用于测定饱和黏性土的不排水抗剪强度及灵敏度等参数。

三、土的工程分类

自然界的土是在各种不同的成土环境中形成的。土的矿物成分和所经历的年代不同，工程性质的差别很大。在实际