土工試驗常見問題分析及應對措施

賈俊娥

中航勘察設計研究院有限公司 北京 100098

隨著中國建筑產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展壯大，施工項目也愈來愈多，對施工質(zhì)量需求也愈來愈高，所以工程勘察工作也愈來愈受到重視。強調(diào)科學設計，標準化施工。而土工試驗作為工程勘測工作中的組成部分也是十分重要，土工試驗是保證設計質(zhì)量與施工效果的一個重要環(huán)節(jié)，它能夠為設計提供準確的科學數(shù)據(jù)支撐，在土工試驗中，我們可以根據(jù)工程設計要求對試驗對象的各種物理指標與特性加以檢測，并以力學理論知識為基礎，根據(jù)各種巖土施工實踐需要判斷施工的勘察有效性，并以此為建筑工程設計工作提供科學數(shù)據(jù)支撐，從而提高了施工總體設計方案的科研性、合理化、時效性。

1 引言

土工試驗是勘測設計工作中的一個基本工作，試驗成果的可信度和準確度會對施工安全與質(zhì)量產(chǎn)生相當大的影響。由于土體自身結構比較復雜，在測試過程中常出現(xiàn)儀器設備、測試方法、人員素質(zhì)等方面的差異，所以在開展試驗工作時要注重于對出現(xiàn)問題的數(shù)據(jù)加以分析，提高土工試驗數(shù)據(jù)的準確度，為設計工作提供數(shù)據(jù)參考。

1.1 土工試驗的概念

土工試驗主要是指通過檢測對施工中填筑材料性質(zhì)和地基工程性能的測試，并通過對試驗成果的分類與匯總，為施工獲取可靠的參考，同時，土工測試還可以為力學性能指標以及土樣的物理性質(zhì)指標提供依據(jù)，土工試驗主要就是通過對土壤特性的分析，確定地基基礎的施工結構以及施工質(zhì)量安全，土工試驗中主要的測試內(nèi)容包括:塑限、液限、含水率、孔隙比和密度等。測試的方法主要包括:[1]固結試驗、抗壓強度試驗、三軸試驗、直接剪切試驗、滲透試驗、液塑限聯(lián)合測定儀法、比重瓶法;灌砂法;環(huán)刀法和灌砂法等。

1.2 土工試驗作用

試驗人員也可以通過將相關的指標與土工試驗的結果放到一起加以對比，從而發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共性，經(jīng)過分析對比以后得出的數(shù)據(jù)才是正確的。另外土工試驗過程中，試驗人員需要嚴格依據(jù)有關的技術規(guī)范和技術標準實施，完成土工試驗的所有過程，確保施工的穩(wěn)定性與安全，最后實現(xiàn)確保質(zhì)量的目標。

土工試驗是工程地質(zhì)勘察中一項重要的工作，通過土工試驗，可以獲得土的各種物理性指標，更能獲得與工程有關的力學指標，從而為正確評價工程地質(zhì)條件提供可靠的依據(jù)。

2 土工試驗中存在的問題

2.1 試驗人員問題

一個設備健全的土工實驗室人員組成一般包括一個技術負責人以及相應的試驗作業(yè)管理員，同時還應設有兼職品質(zhì)監(jiān)理人員、試樣管理者、實驗儀器設備管理員、試驗報告編寫員等。技術負責人還應當掌握土工的各種試驗作業(yè)過程，能處理日常試驗過程中各種技術問題，并承擔對土工成果報告的審查工作等。試驗技術人員應該能根據(jù)規(guī)范做好實驗操作、數(shù)據(jù)錄入和校驗。不過目前，很多實驗室人員配備并不齊全[2]。

試驗人員技術水平參差不齊。土工試驗室的操作試驗科技人員一般都是以科技工作者居多，而20世紀70時代末、80時代初進人實驗室的實驗科技人員，一般都具有較為豐厚的工程經(jīng)驗和過硬的專業(yè)知識。后來，由于試驗室的工作人員起源比較復雜，且大部分為缺乏相應專業(yè)知識基礎的工作人員，又缺乏經(jīng)過正確的專業(yè)訓練，很多試驗工作人員往往僅會一個項目的簡單試驗，而無法適應全面、完整的測試項目，因此他們往往不了解實驗基本原理、操作步驟和實驗標準，又或者把不標準的實驗操作結果當成了標準，有的以至于簡單化了過程，更有甚者編造各種數(shù)據(jù)，影響了測試結果的真實感、準確度。

2.2 設備問題

設備老化更新慢，先進設備維修技術不足

按照目前國標《土工儀器設備的基礎技術參數(shù)及一般工藝技術要求》(GB/T15406-2007)的有關規(guī)定，各類土工儀表裝置應當定期按照試驗規(guī)程檢定，經(jīng)檢查不合格者應予以檢修和淘汰，所使用的室內(nèi)土工儀表及裝置每年需要外部校核一次。平時試驗前儀表及裝置都要試驗人員調(diào)試檢查等，尤其近年來，有些土壤試驗儀器設備廠家所研發(fā)的許多使用簡單、精度高、效率較高的現(xiàn)代化土工實驗技術設備，如全自動氣壓固結儀、四聯(lián)直剪儀、自動擊實儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，普遍應用在各大土工試驗室中，使得很多土工試驗室的自動化儀器設施處在領先技術水準，但同時土工試驗儀器自動化設備長時間磨損及維修人員技術水平缺乏并由此導致了土工實驗成果的精準度都極大受到影響[3]。

設備缺乏及時維護與檢定

土工試驗結論的正確性也和儀器設備的穩(wěn)定性有關。這些儀器與設備在每經(jīng)過半年或一年后，會產(chǎn)生細微的誤差，而這種細微誤差直接影響到實驗結論的正確性。當微差疊加變大時，對測試成果的影響也將更加不容忽視。盡管如此，卻很少在土工實驗室中進行測定，使得土工測試結果的可信度也大大降低。

土工實驗儀器設備除要定期檢查以外，在平時的應用過程中也必須進行維修保養(yǎng)，并建立了儀器設備檔案，以保證儀器設備一直保持在正常狀況。但在實際有些小實驗室管理中，這項工作卻基本不能進行，一定程度上影響了試驗結果的準確性。

2.3 土樣問題

原始狀土樣常規(guī)土工試驗使用的建筑材料大多為土樣，是在施工過程中在土層某一深度處取的試樣，要保證測試樣本的代表性、有效性和完整性，對原始狀土樣的取樣、儲存、運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)，都要實施有效的品質(zhì)管理。但實際工作中也常常因為采樣、儲存、運輸中操作不嚴格造成原狀態(tài)樣被干擾，使測試結果產(chǎn)生偏差[4]。

(1) 取樣的不規(guī)范

主要表現(xiàn)在:一是采樣時，對土樣沖擊次數(shù)較多;二是由于鉆機的偏移、鉆具的提拉停止、洞底不清、從取樣器角度切入土樣的速率過慢等因素引起原始狀態(tài)樣被擾動;三是由于采樣情況與事實相悖，土樣缺乏現(xiàn)實代表性。

(2) 原狀樣的保存和運送問題

有些無法及時運到試驗室作試驗，也應該放到野外保存。野外存放天數(shù)不要大于三周，氣溫和相對濕度要適宜，防止風吹、日曬、防凍，并與樣箱密封。運輸途中要防震，避免土樣破裂。但有些工程的土樣經(jīng)取樣后并不能在當場進行封樣，因此往往出現(xiàn)了只貼粘膠布而不蠟封，甚至只蠟封而不貼膠布的現(xiàn)象，并缺乏抗凍、防曬、抗震等的保護措施。而這種不標準化的保存運輸，勢必增加了土樣的流失和擾動破壞，使數(shù)據(jù)更加缺乏真實感和代表性。

(3) 制備試樣

原始狀態(tài)土樣常規(guī)試驗中試樣的重點主要是切取環(huán)刀與液塑限試驗中的試樣。而切取環(huán)刀則是密度試驗、剪切試驗、壓縮試驗中的主要試樣方式，因此切取環(huán)刀質(zhì)量的好壞影響著密度數(shù)值、粘聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮系數(shù)和壓縮模量等技術指標的正確與否。在切取環(huán)刀步驟中往往有如下的不標準動作，影響著試驗成果。第一是在壓環(huán)刀時用力不平衡，造成切取的土樣體積較環(huán)刀體積小。其次是環(huán)刀不能垂直于土樣下切，導致切割測試和壓縮試驗中確定的技術指標均不正確。第三是切割步驟中，不斷翻動土樣或在表層多次刮削，導致土樣擾動，或液化。第四是在環(huán)刀切好后，未作檢驗，左右表面均不能嚴密與環(huán)刀持平。開土是界限含水量計算試驗制備的重點環(huán)節(jié)，由于相當部分測試人員開土時間太短或根本不熟練，造成土樣顆粒表層濕潤而內(nèi)層干涸，計算的界限含水量偏差很大[5]。

2.4 試驗方法問題

室內(nèi)土工試驗的全部流程，大致上可包括接樣、開樣、設計試樣、試驗、數(shù)據(jù)分析、編寫報告等六個環(huán)節(jié)，任何一環(huán)節(jié)使用的方式不合理或不規(guī)范都會影響到最后的實驗成果。土工實驗室的工作都是通過接樣進行的，但有些實驗室在收到試樣后就直接進行擺放，導致了土樣混亂、擾動甚至破壞，嚴重影響了實驗成果。開樣時并沒有做好對土樣的品質(zhì)分級鑒定和開土描寫，而無視土樣的擾動，甚至忽略了對開土狀況的觀測描寫，使得對試驗結果的異常分析和各種檢驗指標之間不配合缺乏理論基礎，結果無法提交給可信的試驗數(shù)據(jù)。

2.5 試驗過程

(1) 這一環(huán)節(jié)是整個土工試驗的核心環(huán)節(jié)，土工試驗結果的可靠性與否較大程度上決定這一環(huán)節(jié)的質(zhì)量，主要體現(xiàn)在試驗方式是否合理、試驗過程是否完善、試驗操作手段是否標準化等方面。烘烤法試驗做含水率，操作簡便，且誤差范圍較小，但是由于試驗人員往往在開樣后并沒有及時進行測定，因此造成了含水率的一些損失，而且有時由于烘烤時間不足或是在烘烤后不能進行干燥，造成試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生了一定的偏差。

(2) 土樣的液限、塑限的測量方式一般有聯(lián)合測定法，錐式液限儀法和搓條法等。搓條法雖然廣泛應用但國家標準卻無法把握，人為因素影響也很大，測試人員不能放棄空心土條、粗細差不合格土條等，對低塑性土樣危害很明顯，有的單位甚至根本不能進行計算，而只是使用相關的公式將它計算出來，誤差也難以估計。錐式液限儀法易發(fā)生的問題一般是制備好的土樣入杯時不平整、有明顯空隙，或者因為過度要求杯口表面的均勻性而多次抹壓，從而造成土壤表面液化，導致所計算的液限值錯誤。而統(tǒng)一測量方法中易發(fā)生的問題則主要有土樣入杯時不平整，或者每個含水率土樣與土表面錐點過于接近，而相互影響導致數(shù)值不正確。

(3) 直剪試驗測試方法也相當多，在有些試驗室中基本忽視了測試方式的選型提問。再次是在測試過程中有些細部問題易產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤差，如上下滲漏水石的大小差異，以及杠桿的調(diào)平、剪切圈的密封性問題等。三是，手輪轉速的一致性和試驗結果的正確標準都是很難掌握的。以至于一些試驗人員通過只讀峰值來確定是否剪斷，造成了試驗數(shù)據(jù)結果的巨大偏差。

(4) 在土的固結測試中，對數(shù)據(jù)質(zhì)量影響最大的主要問題便是測試方式的不標準化。目前，在試驗室中最廣泛采用的方法是一小時快速固結法，即假設每一級負載作用一小時后即變形平穩(wěn)，若實際情況沒有達到穩(wěn)態(tài)，則誤差便由最后一級負載修正值。雖然這個方法最大的好處便是比較省時，但是卻沒有標準中的方法，而且盡管在最后作了調(diào)整，但依然有偏差存在。另外，在具體操作過程中的某些困難問題也能引起試驗數(shù)據(jù)發(fā)生偏差，一般有忽略預壓，不能使實驗儀器完全觸及，致使第1級負載形變數(shù)達到的精確值太大;加壓時會形成撞擊，致使形變量偏大;加壓后忘記調(diào)平，致使試驗結果錯誤;百分表中活動軸桿量程不足，致使壓力試驗錯誤。

(5) 土工試驗數(shù)據(jù)包含了原始統(tǒng)計分析、指數(shù)計算、指標數(shù)據(jù)校核和統(tǒng)計分析等，但由于原始的統(tǒng)計分析常常被試驗工作人員所忽視，而指數(shù)的校核工作也基本是空白的，造成了部分不正確數(shù)值的出現(xiàn)。此外，報表編制人員主要是機械編制報表，不重視分析資料，沒有必要的經(jīng)驗，造成最后一個增加數(shù)據(jù)真實性的工序沒有發(fā)揮應起的作用。

2.6 試驗室環(huán)境問題

現(xiàn)行的土工試驗規(guī)范、標準中對試驗室的環(huán)境保護缺乏具體的規(guī)定，特別是氣溫、相對濕度的規(guī)定。很多試驗室環(huán)境要求較差，尤其是在夏、冬二種季節(jié)，因為室內(nèi)外氣溫均較高或偏低，且工作環(huán)境中所用的風扇、中央空調(diào)等氣溫變化隨機，所以常常使無法進行試驗的試樣由于刮風或暖空調(diào)而氣溫偏高或缺少水份，造成了下午試驗的數(shù)據(jù)和上午進行試驗的測量結果之間有很大誤差，從而影響了試驗數(shù)據(jù)的真實性。此外，一些試驗室的功能劃分也不恰當，既并未將精密儀器和震動范圍較大儀表等設備做分離，也并未把對環(huán)境條件要求高的檢測項目和常規(guī)項目相區(qū)別，造成了試驗室內(nèi)功能區(qū)混淆，影響了儀器設備的實際應用，甚至造成試驗結論不正確。

3 提高土工試驗結果可靠性的措施

3.1 嚴格遵照國家標準和相關準則規(guī)定開展試驗操作

試驗技術人員實行統(tǒng)一培訓，在進行專門試驗技術人員的考評合格后，持證上崗，提高試驗技術水平，確保人員素質(zhì)和質(zhì)量。在測試過程中要求測試人員綜合分析測試指標，對獲取的測試數(shù)據(jù)能夠有合理的評估，對于存在誤差或異常的數(shù)值，能準確找到病因并能準確地糾正[6]。

3.2 儀器設備對固結試驗的影響

所有的試驗儀器，到了一定時候。一定要檢查、維修、保養(yǎng)，維護設備正常的工作狀況，定時清理滲漏水石，檢查銅套，確保表面干凈無存垢，提高試驗準確度，定期檢測網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，檢查線路連接狀況，確保按照工程需要加規(guī)范的負載在土樣上，固結時間必須達到規(guī)定要求。雖現(xiàn)試驗室引進全自動化固結儀設備，但儀器設備長時間使用會影響到計算機線路，測試結果的準確度、設備靈敏性等，所以需要對測試儀器及設備進行定時的維修與檢查，修復影響測試質(zhì)量的儀器設備，并更換或報廢不符合標準的儀器設備。

3.3 土樣的水分、在天然密度測試中應注意的問題

土樣的含水率、密度數(shù)值和比重值經(jīng)過換算后可以得到干密度，初始孔隙比，飽和度等物理指數(shù)，但由于土樣的比重值現(xiàn)階段大多是根據(jù)各地方的實際狀況所進行的經(jīng)驗值，所以，含水率和天然密度系數(shù)的計算對土樣的物理指數(shù)定性來說更顯關鍵，在土工試驗前采樣的代表性也非常關鍵，在采樣和運輸過程中都要注意密封為好，以避免土樣水分的大量散失影響試驗成果;盡量避免摔、碰、擠壓樣品，導致含水量的改變。

3.4 健全制度體系建設

逐步完善對土工試驗室的建立與監(jiān)督管理，建立健全各種制度和管理體系。首先逐步健全土工試驗室認證管理體系，組建特設組織專業(yè)技術人員每年對土工試驗室裝置進行檢查，清除不合格和過時裝置;對試驗室工作環(huán)境規(guī)劃實施督導，合理劃定功能區(qū)并對氣溫、濕度控制裝置實施檢測；嚴格檢查試驗技術人員的數(shù)量和資質(zhì)。其次建立試驗技術人員準入機制，健全試驗技術人員考核機制，加強組織培養(yǎng)試驗技術人員，把培養(yǎng)管理工作列入強制軌道。其三要構建土工試驗裝置產(chǎn)品銷售制度系統(tǒng)，規(guī)范土工試驗裝置市場準入，防止不合格設備進入市場[7]。

3.5 加強人員培訓

在土工試驗中，人員的工作經(jīng)驗、所掌握的基礎知識等都會影響測試結論的正確性，因此作為個人需要重視加強工作基礎知識與對測試標準的掌握并不斷總結工作經(jīng)驗，才能更好的掌握、運用土工測試，從而減少試驗的人為差錯。另外，作為研究單位還需要進一步加大對試驗技術人員的培養(yǎng)，更多組織研究人員開展理論知識教學與技術比武，通過國際學術交流提升試驗技術，并聘請具備較高文化水平和業(yè)務素質(zhì)、具有豐富專業(yè)實踐經(jīng)歷的技術骨干把關，指導實驗管理工作，并檢查督促試驗技術人員嚴格執(zhí)行國家標準和規(guī)范，克服試驗工作中的疑難問題，有條件時甚至還可組織研究人員進行國外培訓，共同研究并開發(fā)新的試驗方式和裝置。

4 結論

為了提高土工試驗數(shù)據(jù)的準確度，針對土工試驗存在問題可以做出以下改善，為設計工作提供數(shù)據(jù)參考。

(1) 嚴格遵照國家標準和相關準則規(guī)定開展試驗操作。

(2) 對測試儀器及設備進行定時的維修與檢查，修復影響試驗質(zhì)量的儀器設備，并更換或報廢不符合標準的儀器設備。

(3) 在土工試驗前采樣的代表性也非常關鍵，在采樣和運輸過程中都要注意密封為好，以避免土樣水分的大量散失影響試驗成果;盡量避免摔、碰、擠壓樣品，導致含水量的改變。逐步完善對土工試驗室的建立與監(jiān)督管理，建立健全各種制度和管理體系。

(4) 進一步加大對試驗技術人員的培養(yǎng)，組織研究人員開展理論知識教學與技術比武，提高文化水平和業(yè)務素質(zhì)。