水利工程土工试验若干问题探析

1、水利工程土工试验若干问题探析摘要：土工试验是水利工程勘察的一个重要环节，其目的 是测定土的基本物理、力学性质，为工程勘察和设计提供可 靠的计算数据。本文结合笔者多年的工作实践经验，剖析水 利工程土工试验中常出现的问题，并且探讨出解决方法与应 对措施。关键词：水利工程；土工试样；问题分析中图分类号：tv文献标识码：a文章编号：随着国民经济的迅速发展，水利工程项目也日益增多。而在水利工程项目施工过程中，土工试验占据着十分重要的 地位，土工试验需要准确的地质勘查和了解土的各项物理性 质和力学指标等，还要确定土样的定性、定理分析与各种评 价，为地质勘察报告提供重要资料。但是在细节处理和如何 更快捷得出

2、科学合理的结果还是需要一定的经验，因此，要 把地质勘查结果与工作实践经验相结合起来方能得出正确 的解决方法和应对措施，从而为施工单位提供准确的、有效 的和科学的土工试验报告，以便水利工程顺利完工。1试样制备1. 1把土样严格划分级别在开启土样筒后，先检查土样质量并划分土样质量等 级，土样质量等级的划分大致可按现场外观检查、测定回收 率、x射线检验及室内试验评价4种方法确定。上海地区利 用室内试验的破坏应变值* f和压缩试验的扰动指数id或 体积应变£v划分土样级别标准是：i级试样£f=l% 3%, id<0. 15, e v<1%； ii级试样 £ f

3、 = 3%5%, id = 0.150.30, e v=l%2%； iii级试样 e f=5%6%, id = 0. 30 0.50, e v = 2% 4%； iv级试样 e f = 6% 10%, id = 0. 500.75, e v=4%10%,其他地区可以参 考使用。1.2严格按试样制备要求制样室内制样主要方法是用环刀切取规定数量（一般是6组） 试验样品，室内制样操作不当同样会降低土样级别。制样的 关键点：在环刀内壁涂一薄层凡士林，目的是为减少环刀 与土样间的磨擦，避免土样压密扰动，据调查目前涂凡士林 这一步骤在实际操作中并没有被很好地执行；将环刀垂直 下压，环刀垂直下压是避免环刀偏

4、向受压时环刀一侧出现相 对压密而另一侧出现样品与环刀间的小缝隙，造成土的容 重、压缩模量失真；环刀下压过程中，边压边削，可避免 土样受到环刀外侧壁与土样间的过大摩擦而使土样下部受 到一定程度的压密；压入环刀后对土样的上下端面削平， 对于软土要用钢丝锯整平，若用切土刀整平则刀面极易带起 软土形成二次扰动，对其他土可采用切土刀削平。1.3做好开样记录工作在制样过程中要对土样的颜色、名称、包含物、矿物成 份、软硬程度、塑性状态、湿度（如粉土及砂土上下部含水 量明显不同）、结构构造等进行描述，这有利于后期数据整 理时进行对比和综合分析处理，得出符合工程实际的数据， 同时也有助于实验人员积累经验。2 土

5、的物理性质试验2. 1含水率试验土层的不均匀、取样扰动、取土器和筒壁的挤压、土样 在运输和存放期间保护不当而失水等均会引起含水率的变 化。在试验室若操作不合理同样会影响土样含水率的测试结 果，这主要表现在以下方面：取样点的位置不同，尤其是 对粉质含量高的粘性土、粉土、砂土，样品的上、中、下不 同部位含水量会有较大的差别，为克服这种影响可分上中下 不同部位同时取等量样品，加以混合后再取为含水量试验样 品；铝盒烘干时应开口，以利水的充分蒸发。铝盒质量应 定期标定；铝盒在长期使用过程中由于氧化、磨损其质量也 有一定变化，定期标定能有效降低试验误差；烘干时间及 温度也会对含水率构成影响。粘粒含量很高的

6、土类，如红粘 土、膨胀土粘粒含量很高，有更大的比表面积，吸附水能力 强，需10511109烘干8h以上，对砂土不得小于6h,但 对含有机质的土（尤其是有机质含量大于5%的土），应在 65工7ctc烘至恒重，温度过高会造成有机质的损失，使含 水量偏大。2.2 土粒比重试验土粒比重是土粒质量与同体积纯蒸馆水在4£时的质量 比值，是土的基本物理指标之一。从理论上讲要得到一个准 确的土粒比重值较为困难，因为国标中采用的试验方法存在 下列因素的影响：结合水的影响。土粒带负电荷，与其周 围的水相互作用，形成结合水，这部分结合水在土粒烘干温 度下仍然吸附在粘粒表面，使测出的土粒体积大于实际体 积，

7、从而测试结果偏小。土粒间胶结物固化的影响。制备 试样在烘干过程中，不可溶的胶态次生矿物如二氧化硅、粘 土矿物等易固化形成团粒，形成的团粒较难靠水的作用分 散，加热煮沸对团粒不能达到完全分散的作用，使计算出的 土粒相对密度偏小。2.3界限含水量试验液塑限联合测定法的理论基础是圆锥下沉深度与相应 的含水率在双对数坐标纸上具有直线关系。液、塑限联合测 定法的界限含水量土样制备方式对比较均匀的土可采用天 然含水状态的土样；对不均匀的土样，采用风干土样，当试 样中含有粒径大于0. 5mm的土粒和杂物时，应过0. 5mm的筛, 在实际操作中常存在对土中少量原生的铁、猛质结核直接压 碎混入土中情况，这种方法

8、造成土的液、塑限含水量偏小； 采用风干土样作界限含水率试验时，样品须浸泡过夜方可试 验，否则试验结果偏低。2. 4颗粒分析试验密度计法主要适用于粒径小于0. 075mm的土。颗粒分析 试验是不可缺少的室内试验步骤，由于密度计法颗粒分析试 验较复杂，有些单位重视不足甚至省略了该试验，颗粒分析 试验不仅对粉土承载力特征值深宽修正、液化判别有用，而 且颗粒分析试验是土体定名不可或缺的数据，规范规定：粉 土是粒径大于0. 075mm的颗粒质量不超过总质量的50%,且 塑性指数w10的土，目前仍然出现粉土定名不考虑颗分试验 结果而仅按塑性指数w10来定名的误区，我们知道粉砂有时 也可测定出一定的塑性指数

9、，若仅按塑性指数划分粉土必然 会造成一些误判。密度计法虽然使用广泛，但该法也并非完美。密度计法 的土粒粒径计算公式为斯托克公式，该公式是低速运动的微 小球形颗粒在层流条件下，仅考虑介质对粘阻力和有效重力 条件下导出的。层流的判定是根据水力学中的雷诺数 来判 定的，当试验悬液温度大于28*时，雷诺数将大于0.5,超 出公式适用范围，所以进行颗粒分析试验时悬液温度不应大 于28°co另外实际试验的土颗粒形状一般都不是球形，而是 具有不规则形状的颗粒，理论上颗粒形状愈不规则颗粒下降 阻力愈大，沉降速度越慢，而斯托克公式没有考虑颗粒形状的影响，结果是实测沉降速度l /t偏大，这会造成试验测得

10、的粘粒含量偏高。故在应用试 验结果时应对试验数据进行适当的经验修正，这可以根据经 验建立修正关系式进行解决。据资料可将斯托克公式修正 为，式中ps和pg分别为颗粒修正系数和干涉沉降修正系 数。结合5组对比试验数据，颗粒分析成果对比见表1,对 于采用修正公式计算的粘粒含量明显比采用理论公式低，一 般情况下粘粒含量越高，两者计算的值相差也越大。表1颗粒分析成果对比表3 土的力学性质试验3. 1固结试验土的固结试验是测定土体在压力作用下的压缩系数a、 压缩模量es及固结系数cv,是计算地基土的沉降量及判断 土体固结特性的重要参数。在试验时常有以下因素影响其准 确度：仪器必须定期校正，频繁拆卸仪器、透

11、水石磨损、 滤纸规格的变化等因素都会对测试结果产生影响。上、下 透水石的含水量应接近土的天然含水量，透水石的含水量差 异会对土体固结产生一定程度的变化，这种变化对一般的土 样影响比较隐蔽，不易发现，但对具膨胀性的土样会有很大 的影响。当透水石的含水量较土样含水量大时会引起土样吸 水膨胀，出现前后级荷载百分表读数差别很小的现象，有时 甚至出现后级读数较前级读数小的异常情况。在透水石含水 量较土样含水量小时，会加速土样的失水收缩趋势，造成压 缩量过大。安装试样仪器归零必须严格到位，环刀上、下 土面必须紧密与上、下透水石处的滤纸接触。由于环刀使用 时外力破坏会出现外径变化情况，使得环刀不能有效放入规

12、 定限位，造成透水石不能与环刀上、下土面有效接触，使初 级压缩偏大，产生实验误差。百分表归零时应使百分表量 测的活动轴杆有足够的量程，以避免压缩变形量较大时，仪 器量程小于土样压缩变形而造成压缩试验的失真。3.2抗剪强度试验3. 2. 1直接剪切试验直剪试验方便简单，是强度试验的重要手段。理论上根 据库仑定律s=c+tgd的各级荷载点应是直线的线性关系, 直线倾角为e,直线在纵轴截距即c,即抗剪强度指标可用 线性回归方法求解，在线性回归计算时，如果四级荷载剪切 试验点不同时在一条直线上时，可采用三角形重心法作图进 行计算取值。如果四级荷载剪切试验点c、e值相关系数满 足一定值时，则认为此组样的

13、线性相关性好，指标可信度就 高。但由于直剪试验受力条件复杂，在试验过程中常出现较 软的土缺少峰值强度的情况，剪切强度指标回归性较差、数 据可靠度低。3. 2.2三轴压缩试验三轴压缩试验由于试样受力状态可以控制，剪切时剪切 面是沿着软弱面破损的，又能控制试样的排水条件，能够准 确地测定土的孔隙压力及体积变化，和直剪相比具有明显的 优点，是目前认为的相对准确的室内剪切试验方法，尤其是 在重要工程勘察中必须进行三轴剪切试验。常规三轴仪在业 界广为应用，但并不完美，它仍存在设备柔性误差、端部约 束误差及基座误差。设备柔性误差指测量试样的初始高度及 剪切过程中的高度时不透水板（透水板）、橡皮膜、滤纸及 承载筒等设备的固有变形，虽然增大设备的刚度可消除该类 误差，但在小应变测量时由于橡皮膜部分嵌入试样表面颗粒 的空隙会对高度测量的影响比较明显，导致土体刚度小于现 场试验刚度。4结束语总之，水利工程是否顺利完工，与其土工试验报告是否 精确以及试样制备、土的物理性