土工试验技术现状及发展趋势

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我们通常所说的土工试验技术，其主要包括土工试验仪器、人员以及方法、标准、环境等内容。单单就土工试验内容而言，包括土的物理性质、力学性质、化学性质等试验类型。土的物理性质试验主要指土的三项基本指标（含水率、密度、比重）及颗粒分析，液塑限、相对密度试验等，这类试验在土工试验中工作量较大、占用试验时间较多。仪器设备的先进与否和自动化程度决定了试验室的工作效率和经济效益。而力学性质试验可分为击实试验、回弹模量试验、固结试验、三轴压缩试验、承载比试验、渗透试验、黄土湿陷试验、自由膨胀率试验、收缩试验、冻结温度等试验；化学性质试验分为酸碱度试验、易溶盐试验、中溶盐石膏试验、难溶盐碳酸钙试验、有机质试验、阳离子交换量等试验类型。在工程实践中，必须具体问题，具体分析，按照规程规范和强制性标准要求等，根据工程项目的实际工况来选取所需做的土工试验项目。

1土工试验仪器与自动化系统

1.1物理试验仪器

土工物理性质试验，通常指的是对土的含水率、密度、比重三大基本指标，以及土颗粒、液塑限等进行分析试验的过程，此类试验不仅工作量大，而且面广，耗时费力。若能改进仪器设备，增强土工试验仪器的自动化程度，将会显著提高土工试验的效率和效益。（1）电子天平。这是物理性质试验中利用频率最高的设备之一，我院土工试验室目前使用的电子天平型号是SPS402F，感量包括1g，0.1g，0.01g，分别可以对含水率、密度、比重、相对密度、膨胀率、收缩、颗粒分析、击实、液塑限等试验进行称重。SPS402F电子天平有多种称量单位，包括克、千克、磅等；和多种应用模式,包括计数称量、百分比称量、累加称量等。且选配USB或者RS232通讯接口，以便连接打印机、电脑和其他外围设备。（2）颗粒分析仪。就粒径大于0.075mm的颗粒而言，通常需要通过系列标准筛进行分析，目前我院采用的是符合国家标准GB6003-85要求的FB-2和FB-3标准土壤筛和符合国标GB9909-88要求的SZS型三维振筛机。FB-2和FB-3标准土壤筛具有噪音低、筛滤样品效率高、试验精度高等优点。SZS型三维振筛机广泛用于地质﹑水利、冶金﹑化工﹑建筑﹑煤炭﹑国防﹑科研﹑水泥等部门的化验和实验室对物料进行筛分分析，效率高、设计精巧耐用，三维动力突出，处理土料效率高，精度细。就粒径小于0.075mm的颗粒而言，则需要借助于悬液沉降分析方法，多数单位采用密度计法，也有一些单位采用移液管法。目前我院土工试验室采用的是甲种密度计法，甲种密度计是利用土壤不同颗粒的悬浮特性测量土壤密度的一种测量工具，是做土工试验颗粒分析必不可少的试验仪器，由于其简单、易于操作、精度能够满足试验要求，因而被很多土工试验室广泛应用。（3）液塑限试验仪。就多数单位而言，当前所采用的多为圆锥仪、搓条等方法，来对土的液限塑限进行确定。但是，对于水电、铁路、公路等很多部门而言，已开始全面推广和应用液塑限联合测试仪，该仪器解决了人为因素的影响，提高了测定结果的精确度，解决了人为因素对试验质量的影响，但目前国内生产的液塑联合测定仪的质量及自动化程度还有待进一步提高。我院土工试验室使用的是GYS-2型光电式液塑限联合测定仪。GYS-2型光电式液塑限联合测定仪用于测定细粒土在可塑状态的上限含水量（液限）和下限含水量（塑限）。液限、塑限联合测定法是综合国内外长期研究的成果基础上提出的测试方法，该仪器对土类的适用性广，具有标准统一，解决了在不同塑性状态下圆锥仪入土深度的量测技术，提高了工效。仪器具有自动放锥，无摩擦阻力，能测出圆锥任意入土深度等特点。

1.2力学试验仪器

（1）固结试验仪。近几年，固结试验仪的种类、规格开始向着系列化、功能多样等格局发展，目前主要有如下类型：一是砝码杠杆式固结仪，这是最传统的固结试验仪器，已经实现了系列化。就施加压力程度而言低压固结仪能够对50cm2的面积加压到400kPa，中压、高压固结仪分别可加压到800kPa，1600kPa～2000kPa。对于30cm2的面积土样而言，中压固结仪能够加压到1600kPa，高压固结仪则能够加压至3200kPa～4000kPa，并可用于高压回弹试验，来求得土的先期固结压力。目前我院使用的是WG型单杠杆固结仪(三联中低压)和WG型单杠杆固结仪(三联高压)。这种固结仪具有直观、稳定性能佳、精确度高等优势，但由于自动化水平不高，劳动强度较大，加缷砝码过程中的振动会影响试验结果等问题，因而应用越来越少；二是气压式固结仪。该试验仪器采用高压气体作压力源，不仅加荷过程方便，而且操作简便，减弱了劳动强度，提高了自动化水平，但易出现漏气，压力不稳等一系列问题，但若能及时解决这个问题，其发展前景还是相当乐观的。我院以前使用过气压固结仪，由于诸多原因，现在已经不再使用。我院目前使用的是WG型单杠杆固结仪(三联中低压)和WG型单杠杆固结仪(三联高压)。WG型系列中低压和高压固结仪都是用于土壤的压缩试验，检测土壤的压力与变形的关系、计算土的单位沉积、压缩指数、回弹指数以及固结系数等。（2）直剪试验仪。就土抗剪强度试验而言，主要采用如下类型：一是双速电动应变控制式直剪仪，其应变速率可以达到0.8mm/min或2mm/min，能够进行固结快剪或快剪试验；二是三速电动应变控制式直剪仪，应变速率较双速而言增加了0.02mm/min，还可以同时开展慢剪试验；三是四联等应变直剪仪，其集四台直剪仪于一体，通过变速箱转变为0.02，0.1，0.8，2.4mm/min.四种不同剪切速率，能够进行快剪、固结快剪、慢剪三种试验，且具有手摇加荷装置，无须调节砝码。目前我院使用的是ZJ型应变控制直剪仪（四联）。ZJ四联应变控制式直剪仪用于测定土的抗剪强度，通常采用四个试件在不同的垂直压力下，施加剪切力进行剪切，求得破坏时的剪应力，根据库仑定律确定抗剪强度系数，内摩擦角和凝聚力。ZJ四联应变控制式直剪仪由于有4台可以进行单独操作的剪切仪，结构紧凑，故工作效率较高，可做快剪、固结快剪、慢剪试验，能够满足试验室对于不同试验方法的要求。（3）静三轴试验仪。当前，一般土工试验时常采用三轴压缩仪，结合土类、不同的工况要求，分别进行不固结不排水、固结不排水、固结排水等试验。目前我院使用的是TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪，TSZ10-1.0型轻型台式三轴仪用于一般土工实验室试验。仪器为应变控制式，用于测量最大周围压力在1.0MPa，直径为39.1mm的土试样。在轴向静负荷条件下强度和变形特性的三轴剪切力试验，可以进行不固结不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU）和固结排水剪（CD）的三轴试验。

1.3土工数据采集及自动化处理系统

如今随着计算机等高新技术的应用，推动了土工试验数据的自动化采集与处理。该技术将数据采集、处理、曲线绘制、打印等融合于一体，并增加了三轴、直剪、固结、含水率、密度、界限含水率等试验数据采集、处理，实现了分散化采集、集中化分析和处理等多种功能。目前我院使用的是南京土壤仪器厂的新型TWJ-1数据采集系统。该系统装置由传感器、采样盒、计算机组成，其间用导线连接，一个采样器可以连接8个传感器，根据每个试验室所需通道数的不同，可将若干个采样盒用导线连起来构成一种并联形式。此设备便携且体积小，连线少，安装方便，可靠性高、适合室内和野外现场使用。任何标准计算机都可工作，计算机可以任意更换和升级。纯Windows数据采集处理软件，兼容现有计算机和操作系统，方便、稳定、可靠。

2土工试验方法标准

当前，国内有关土工试验方法的标准包括：《土工试验方法标准》GB/T50123-1999，还有其他部门的行业标准。土工试验室执行国家、行业标准，铁路、公路、水利行业标准等，其中所规定的试验方法几乎相同，只是结合不同行业特点，在细节方面进行了具体要求，或增减了试验项目。为了有效规范土工试验市场，亟需出台更为规范的标准。而且有相当一部分土工试验室仍采取现行规范或标准中不提倡或没有列入的，但在一些地区或部门已长期使用并进行过大量对比试验的半经验性或经验性的方法如：快速固结试验法，三轴试验中一个试样多级加荷剪切法，使用经验公式利用塑限推算液限，利用塑指数给土样定名后推算土的比重等方法，这种方法虽然简单可行，但准确性不够，这些方法的适用性和适用范围有待进一步研究落实。所以要开展土工试验新方法，新问题的研究，如室内袖珍贯入仪试验的研究与应用；非饱和土力学性质的试验研究；黄土、软土、盐渍土等特殊土类试验方法的进一步研究等等，这些成果的取得将会丰富土工试验方法，解决一些新的土工试验问题，提高土工试验的技术的发展水平。

3加强土工试验的技术管理和行业管理

近年来，随着市场经济的不断深化，有些单位逐渐改变了土工试验的技术管理，土工试验的行业管理也出现了一些混乱局面，主要表现在以下几个方面：（1）有些单位放弃了土工试验技术负责人和审核制度，实行包产到人、包产到组的承包方式，只管进度和效益，不管试验质量，从开土到提交成果报告只有少数几个人负责，没有一套行之有效的技术管理程序来保证试验质量，没有严格执行三级校审制度，致使出具的土工试验参数准确性不高，甚至存在谬误，使工程项目存在很大的安全风险。（2）有些地区没有健全土工试验资质管理制度，也没有规范土工试验市场的管理，致使一些单位和个人在没有充分技术保证的前提下，随意购置设备(有些还是不合格的设备)，从外面临时应聘一些没有土工试验经验和未经培训的人员操作土工试验仪器，开展土工试验业务。有些还随意压价，扰乱土工试验市场，致使土工试验市场乱象丛生。上述情况必须要引起有关单位和部门的足够重视，必须要加强土工试验的技术管理和行业管理，以确保我国土工试验技术的健康和可持续发展。

4土工试验技术未来发展趋势

（1）试验环境日趋优化。当前土工试验标准还未对土工试验环境提出明确规范要求，但已经有很多土工试验室配备了完善的温度和湿度调节器，实现了试验区域的独立化管理，基本满足了土工试验环境要求，但仍有很多单位为节省开支，采用条件较差的场所进行试验，致使土样变质，土样受扰动较大，难以确保土工试验结果的真实性和科学性。未来我国将会出台一系列规范，土工试验环境将得到逐步优化。（2）自动化技术日臻成熟。有些试验仪器由半自动化向全自动化转变，我国土工试验数据采集与处理技术自动化的发展彻底改变了土工试验需人工记录、手工计算结果的传统模式，大大提高了劳动效率，降低了人员劳动强度，确保了试验数据的真实可靠性。可以预见，随着我国土工试验技术及计算机技术的不断发展，我国土工试验自动化技术给土工试验领域带来全新的技术革命。如南京土壤仪器厂生产的TSZ系列全自动三轴仪。TSZ系列全自动三轴仪使用当代最新科技，及机械、电子技术、自动控制技术、传感器自动检测技术及计算机技术于一体，一机多用。基本配置可进行常规应力应变式无测限试验，UU，CU、CD等压缩剪切试验，若配备不同的试验容器和控制模块还可进行KO固结、静止测压力系数、多种应力路径三轴实验、拉伸试验、弹性模量试验、承载经试验等。该系统还可以做全自动控制振动三轴试验。试验过程全电脑控制。（3）随着土工试验技术的快速发展，相应的土工试验人员综合素质也在逐步提升。土工试验对于相关技术操作人员的要求越来越高，技术人员通常都具有正规教育，在实践过程中有专人传帮带，并开展技术评比、试验室比对等多项活动，积累丰富经验。但依然存在部分技术人员虽文化基础高，但缺乏实际操作能力，加之缺乏吃苦精神，致使土工试验技术能力不高，随着经济发展步伐的加快，对于土工试验技术人员的要求也越来越高，不少单位开始关注技术人才引进和现有人才培训，未来我国土工试验技术人员的综合素质将逐步提高。（4）行业准入及监管制度日趋完善。随着勘察市场改革的逐步深入，外业钻探逐渐实现了劳务分包，勘察资质对于土工试验单位的要求较弱，某些缺乏资质的单位也能够承揽项目。随着土工试验逐步被推向市场，我国势必将出台行业准入和监管规范，并进一步对勘察土工试验市场加以完善。

5结语

作为一门研究土的试验技术，土工试验技术在岩土工程领域的地位和作用不容置疑。随着土工试验技术的逐步发展，其对于岩土工程理论及实践发展均将带来巨大的推动作用。

参考文献

[1]GB50021，岩土工程勘察规范[S].2001.

[2]SL237，土工试验试验规程[S].1999.

[3]工程地质手册（第四版）[S].2007.

[4]孙秀荚.工程勘察中土工试验应用流程研究[J].科技创新导报，2013.11

作者:李健 单位:安徽省水利水电勘测设计院