北京地区土工试验成果及综合分析

韩素君

（北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

土工试验一直是岩土工程勘察最基础和重要的环节，原始数据的准确可靠是工程技术人员进行地层划分、岩土工程参数计算等的基础。由于土是地壳表层岩石风化后产生的松散堆积物，其工程性质具有三个基本特征［1］：①碎散性。土体是由大小不同的颗粒组成的，颗粒之间存在着大量的孔隙，可以透水和透气。颗粒之间有一定的黏聚力，但其黏聚力很弱。同其他材料（如岩石）相比，可以近似地认为土体是碎散的，是一种摩擦为主的集聚性材料；②自然变异性或不均性。由于形成过程的自然条件不同，也就产生了自然界中多种不同的土。随着土的生成条件和环境的不同，土体也会产生竖向和水平向的不均匀性，甚至还会产生各向异性；③三相体。土是由固体颗粒、水和气三部分组成的三相体系，它比单相固体复杂得多，如果再加上气相，土的性质就会变得更加复杂。鉴于上述的三个基本特征，土具有不同于其他建筑材料的特点。

建筑物以天然土层为地基，拟建场区是什么样的土层，建筑设计人员就以这种土做为设计对象。不同地貌单元、不同场区的土，颗粒大小和矿物成分差别很大，土的三相间的数量比例不尽相同，造成土的物理性质复杂多样。土的物理性质又在一定程度上决定了土的力学性质，不同地区的土又有不同的变化。土的物理力学性质相对于其他建筑材料来说，是比较复杂的，如土的应力-应变关系是非线性的，土的变形在卸荷后一般不能完全恢复，土的强度也不是一成不变的，土对扰动也特别敏感等等。从工程现场取回的原状土样通过室内土工试验，直接测得和通过计算得出的土的物理力学性质，对于勘察技术人员就存在着一个准确度的问题。如何确定土工试验数据的准确性，以及各个指标间存在哪些必然的联系，对于从事土工试验的人员有着很大的指导意义。

因此，有必要对土工试验的成果、相关的指标进行综合分析，从中找出一些共性的特征。本文结合在北京地区多年的试验经验，主要针对北京地区第四纪沉积的细粒土的物理性质试验成果和力学试验成果两个方面进行综合分析，找出其中的规律性，从而对于试验结果中出现的异常现象做出正确判断，提交数据准确合理的试验成果。

1 土的物理性质试验和成果分析

1.1 土的比重、密度、含水率试验

在土的物理性质试验中，土的比重、密度和含水率试验是最基本的试验，得出的三个指标称为土的三项基本物理指标。用它们可以换算出土的干密度、饱和密度、有效密度、孔隙比、孔隙度、饱和度等6个指标。它们的变化，不仅影响着其他指标的变化，而且将使土的一系列力学性质随之发生变化。因此，准确测定土的比重、密度和含水率的值有着重要的意义。

1.1.1 土的比重

在三个基本指标中，比重是一个相对稳定的值，它取决于土的矿物成分，同一地区、同一类型的土的比重基本相同。北京地区在经过多年大量试验的基础上，得出各种土的比重经验值，一般砂土为2.69，砂质粉土和黏质粉土为2.70，粉质黏土为2.71，重粉质黏土为2.72，黏土为2.73～2.74。值得注意的是，当土中含有有机质和泥炭时，其比重值会明显地降低。

1.1.2 土的密度

土的密度指标虽然也是一个变化的值，但对于某一土样来说，它的值通过环刀法容易测得。北京地区不同岩性的土，天然密度参见图1—图5及表1。通过以下图、表我们发现，不同岩性的土的密度值一般在一定的范围内。利用此规律，我们可以大致判断土的岩性。

图1 北京地区砂质粉土的天然密度图

图2 北京地区黏质粉土的天然密度图

图3 北京地区粉质黏土的天然密度图

图4 北京地区重粉质黏土的天然密度图

图5 北京地区黏土的天然密度图

1.1.3 土的天然含水率

土的天然含水率指土中所含水质量与干土质量之比，采用烘箱烘干法测定。其值由于受环境温度、放置时间、是否扰动等情况影响，最不稳定。北京地区不同的土，天然含水率不一样。其范围值参见图6—图10及表2。

表1 北京地区不同土的天然密度统计表g/cm3

图6 北京地区砂质粉土的天然含水率图

图7 北京地区黏质粉土的天然含水率图

图8 北京地区粉质黏土的天然含水率图

图9 北京地区重粉质黏土的天然含水率图

图10 北京地区黏土的天然含水率图

表2 北京地区不同土的天然含水率统计表 %

1.2 土的界限含水率试验

黏性土从一种状态进入另一种状态的分界含水率称为土的界限含水率［2］。

液限（wL）表示土从塑态转变为液态时的含水率，此时，黏性土的含水率处于可塑状态的上限，土中水的形态既有结合水，也有自由水。

塑限（wp）表示土从半固态转变为塑态时的含水率，此时，黏性土含水率处于可塑状态的下限，土中水的形态既有强结合水，也有弱结合水，并且强结合水的含量达到最大值。当含水率降低至塑限以下后，土就不再具有塑性了。

对于工程来说，土的液限和塑限有着比较重要的实用意义。用它来计算塑性指数（Ip）和液性指数（IL），评价细粒土地基的承载力，并可按塑性指数或塑性图进行土质分类。

土的塑性指数Ip反映黏性土处于可塑状态的含水率变化的最大范围。土的塑性指数越高，表明土的颗粒越细，比表面积越大，土中的胶体黏粒含量越大，同时也表示黏性土中可能含有蒙脱石或其他高活性的胶体越多。因此，界限含水率尤其是液限能较好地反映出土的某些物理力学特性。

北京地区不同岩性的土的液限图表参见图11—图15及表3。

图11 北京地区砂质粉土的液限图

图12 北京地区黏质粉土的液限图

图13 北京地区粉质黏土的液限图

图14 北京地区重粉质黏土的液限图

图15 北京地区黏土的液限图

表3 北京地区不同土的液限统计表 %

1.3 土的物理指标之间的成果分析

土的物理指标间是相互关联的，由以上图表可知，天然含水率、密度、液限、塑性指数之间具有一定的规律性［3］。随着塑性指数增大，土的岩性由砂质粉土、黏质粉土、粉质黏土、重粉质黏土到黏土，它们具有天然含水率增大、密度减小、液限增大的规律。因此，当这些指标出来后，可以将这些指标放在一起进行综合分析，从而对这些指标的准确性进行判断。比如在有些试验中，出现饱和度大于100%的现象，这就说明在某些试验数据中存在误差或错误。一般情况下是含水率或密度的测定出现了问题，需要对这两个指标进行分析或重新测定，保证这两个指标的准确性，从而提高其他指标的准确度。

再比如，在开土的时候发现土试样处于硬塑状态，试验主持人描述为硬塑，而试验结果却是流塑状态。这种情况有两种可能：一种是含水率测定有问题，另一种是液限、塑限测定出现误差。大多数情况下，是因为液限的测定时手动落锥不准，造成土的状态确定不准。通过对一系列物理指标之间的关系的统一分析，使得试验成果的精度进一步提高，为勘察技术人员提供更加准确的试验结果。

2 土的力学性质试验和成果分析

2.1 土的固结试验（压缩模量）

土的固结试验是测定土体在压力作用下的压缩特性。土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的特性。压缩量由四部分组成：固体颗粒的压缩、土中水的压缩、空气的排出、水的排出。其中，固体颗粒的压缩、土中水的压缩占总压缩量的1/400不到，可忽略不计。而空气的排出、水的排出才是压缩量主要组成部分。所以，土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果。

在实际工程中，由于土层的压缩，使其上部的建筑物会沿着重力方向产生沉降。在天然地基方案设计中，常需要根据设计的要求控制建筑物的沉降量，或其他各部分的沉降差在某一允许的范围内。以满足使用上的要求或建筑物的安全条件。所以，需要测定土的压缩性从而计算建筑物或构筑物的沉降量，作为设计的控制数据［4］。影响固结试验成果准确度的因素很多，比如，在开土描述的过程中，土样描述是软塑，而固结试验测出的压缩模量大，就需要检查各个环节，找出错误原因，采取补救措施。

2.2 土的剪切试验（抗剪强度）

剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法。土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力。它是评价地基稳定性、估算地基承载力等土的力学性质的主要指标之一。

土的抗剪强度由黏聚力（c）和内摩擦角（φ）两部分组成。

1776年，库仑根据砂土剪切试验得出库仑定律。

在剪切试验测出的结果中，实测值和理论值有时候会存在很多差距。比如砂土的c值理论值应为0，而实际测得的值不一定为0，这也是很正常的。因为在所测得的抗剪强度指标中，并不是c值完全代表土的黏聚力，而φ值也不完全代表土的内摩擦力。而是两者互相包含，都代表抗剪强度的一部分。影响剪切试验成果准确性的因素有很多，比如土的物质成分、结构、构造特征、剪切速率、垂直压力、土样制备等。

2.3 土的力学指标之间的成果分析

土的压缩模量（ES）与抗剪强度有着一定的关系。土的压缩性越高，压缩模量越小，则它的抗剪强度越小；反之，土的压缩性越低，压缩模量越大，则它的抗剪强度越大。利用这种关系，可以直观判断压缩模量结果和抗剪强度结果是否准确。

3 土的物理指标与力学指标的综合分析

现场取回的土试样经过室内试验，得出一系列物理力学试验数据。为了得到准确合理的试验结果，非常有必要对这些第一手试验数据进行综合分析。

土的物理指标与力学指标紧密相连，一般土的物理性质决定土的力学性质。经过多年的土工试验研究发现，北京地区不同岩性的土，其物理性质指标与力学性质指标之间具有如下的规律性。

3.1 北京地区黏性土压缩模量与天然含水率的关系

图16—图18显示出压缩模量与天然含水率之间存在着比较好的规律性：无论P0在哪个区间段，随着天然含水率的增大，压缩模量都呈现相应减小的变化规律。

图16 黏性土的压缩模量与天然含水率的关系图（一）

图17 黏性土的压缩模量与天然含水率的关系图（二）

图18 黏性土的压缩模量与天然含水率的关系图（三）

3.2 北京地区黏性土的压缩模量与液限的关系

土的液限wL可以间接地反映土的压缩性的高低，从图19可以发现，压缩模量随着液限的增大而降低的一种变化规律。

图19 北京地区黏性土的压缩模量与液限的关系

3.3 北京地区黏性土的压缩模量与天然密度的关系

图20 显示出压缩模量与天然密度之间存在的规律性：随着天然密度的增大，压缩模量都呈现相应增大的变化趋势。

图20 北京地区黏性土的压缩模量与天然密度的关系

3.4 北京地区土的抗剪强度与含水率的关系

3.4.1 土的黏聚力与含水率的关系

含水率是直接影响抗剪强度大小的重要因素，一般对黏性土来说，天然含水率w越大，其抗剪强度越低；天然含水率w越小，其抗剪强度越高。对不同岩性的相同含水率的土样来说，抗剪强度还与密度、颗粒成分组成等因素有关。

图21—图24显示出了北京地区的黏性土的黏聚力与天然含水率之间存在的规律性。图25展现出的却是砂质粉土的黏聚力与天然含水率规律性不明显。

图21 北京地区黏土的黏聚力与天然含水率的关系

图22 北京地区重粉质黏土的黏聚力与天然含水率的关系

图23 北京地区粉质黏土的黏聚力与天然含水率的关系

图24 北京地区黏质粉土的黏聚力与天然含水率的关系

（）（）

图25 北京地区砂质粉土的黏聚力与天然含水率的关系

3.4.2 土的内摩擦角与天然含水率的关系

图26显示出，北京地区的各类土的内摩擦角随着天然含水率的增大呈现出减小的变化趋势。

图26 北京地区黏性土的内摩擦角与天然含水率的关系

利用上述的规律，可以很好地解决试验中出现的问题，比如试验中由于操作人员失误，将两块土试样颠倒导致试验数据出现错误，这时我们就用得出的物理指标、力学指标进行综合分析，还原土试样的准确试验数据。

4 结论

本文通过对北京地区各类土的多年试验成果中的物理力学性质指标的综合分析，绘制了一些物理性质指标与力学性质指标的关系图，总结出了一些规律性的认识和结论，对于土工试验成果综合分析有较重要的指导意义。

土的物理指标以w、ρ、wL、Ip为典型表现对象，本文结合不同土质得到土的物理指标之间具有的规律性。

土的力学指标以Es、c、φ为典型表现对象，相关性显著。

土的物理性质指标和力学性质指标是统一的整体，具有比较显著的相关性，如Es-w、Es-ρ、c-w等。

土工试验数据作为工程勘察报告的重要依据，也是工程建设设计的重要参数，土工试验测试的准确程度直接影响着工程质量和安全。由于土体自身存在的复杂性，在试验结果中，经常出现一些异常现象，这就需要将土的物理性质和力学性质紧密结合起来，利用以上规律性进行分析，综合运用到对土工试验出现的不合理数据的分析探究中，并查找原因，采取适当的、合理的纠正措施，最终提交满足勘察设计技术要求的数据准确的试验成果。

收稿日期：2018-11-21