土工試驗技術現狀及發展趨勢

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我們通常所說的土工試驗技術，其主要包括土工試驗儀器、人員以及方法、標準、環境等內容。單單就土工試驗內容而言，包括土的物理性質、力學性質、化學性質等試驗類型。土的物理性質試驗主要指土的三項基本指標（含水率、密度、比重）及顆粒分析，液塑限、相對密度試驗等，這類試驗在土工試驗中工作量較大、占用試驗時間較多。儀器設備的先進與否和自動化程度決定了試驗室的工作效率和經濟效益。而力學性質試驗可分為擊實試驗、回彈模量試驗、固結試驗、三軸壓縮試驗、承載比試驗、滲透試驗、黃土濕陷試驗、自由膨脹率試驗、收縮試驗、凍結溫度等試驗；化學性質試驗分為酸堿度試驗、易溶鹽試驗、中溶鹽石膏試驗、難溶鹽碳酸鈣試驗、有機質試驗、陽離子交換量等試驗類型。在工程實踐中，必須具體問題，具體分析，按照規程規范和強制性標準要求等，根據工程項目的實際工況來選取所需做的土工試驗項目。

1土工試驗儀器與自動化系統

1.1物理試驗儀器

土工物理性質試驗，通常指的是對土的含水率、密度、比重三大基本指標，以及土顆粒、液塑限等進行分析試驗的過程，此類試驗不僅工作量大，而且面廣，耗時費力。若能改進儀器設備，增強土工試驗儀器的自動化程度，將會顯著提高土工試驗的效率和效益。（1）電子天平。這是物理性質試驗中利用頻率最高的設備之一，我院土工試驗室目前使用的電子天平型號是SPS402F，感量包括1g，0.1g，0.01g，分別可以對含水率、密度、比重、相對密度、膨脹率、收縮、顆粒分析、擊實、液塑限等試驗進行稱重。SPS402F電子天平有多種稱量單位，包括克、千克、磅等；和多種應用模式,包括計數稱量、百分比稱量、累加稱量等。且選配USB或者RS232通訊接口，以便連接打印機、電腦和其他外圍設備。（2）顆粒分析儀。就粒徑大于0.075mm的顆粒而言，通常需要通過系列標準篩進行分析，目前我院采用的是符合國家標準GB6003-85要求的FB-2和FB-3標準土壤篩和符合國標GB9909-88要求的SZS型三維振篩機。FB-2和FB-3標準土壤篩具有噪音低、篩濾樣品效率高、試驗精度高等優點。SZS型三維振篩機廣泛用于地質﹑水利、冶金﹑化工﹑建筑﹑煤炭﹑國防﹑科研﹑水泥等部門的化驗和實驗室對物料進行篩分分析，效率高、設計精巧耐用，三維動力突出，處理土料效率高，精度細。就粒徑小于0.075mm的顆粒而言，則需要借助于懸液沉降分析方法，多數單位采用密度計法，也有一些單位采用移液管法。目前我院土工試驗室采用的是甲種密度計法，甲種密度計是利用土壤不同顆粒的懸浮特性測量土壤密度的一種測量工具，是做土工試驗顆粒分析必不可少的試驗儀器，由于其簡單、易于操作、精度能夠滿足試驗要求，因而被很多土工試驗室廣泛應用。（3）液塑限試驗儀。就多數單位而言，當前所采用的多為圓錐儀、搓條等方法，來對土的液限塑限進行確定。但是，對于水電、鐵路、公路等很多部門而言，已開始全面推廣和應用液塑限聯合測試儀，該儀器解決了人為因素的影響，提高了測定結果的精確度，解決了人為因素對試驗質量的影響，但目前國內生產的液塑聯合測定儀的質量及自動化程度還有待進一步提高。我院土工試驗室使用的是GYS-2型光電式液塑限聯合測定儀。GYS-2型光電式液塑限聯合測定儀用于測定細粒土在可塑狀態的上限含水量（液限）和下限含水量（塑限）。液限、塑限聯合測定法是綜合國內外長期研究的成果基礎上提出的測試方法，該儀器對土類的適用性廣，具有標準統一，解決了在不同塑性狀態下圓錐儀入土深度的量測技術，提高了工效。儀器具有自動放錐，無摩擦阻力，能測出圓錐任意入土深度等特點。

1.2力學試驗儀器

（1）固結試驗儀。近幾年，固結試驗儀的種類、規格開始向著系列化、功能多樣等格局發展，目前主要有如下類型：一是砝碼杠桿式固結儀，這是最傳統的固結試驗儀器，已經實現了系列化。就施加壓力程度而言低壓固結儀能夠對50cm2的面積加壓到400kPa，中壓、高壓固結儀分別可加壓到800kPa，1600kPa～2000kPa。對于30cm2的面積土樣而言，中壓固結儀能夠加壓到1600kPa，高壓固結儀則能夠加壓至3200kPa～4000kPa，并可用于高壓回彈試驗，來求得土的先期固結壓力。目前我院使用的是WG型單杠桿固結儀(三聯中低壓)和WG型單杠桿固結儀(三聯高壓)。這種固結儀具有直觀、穩定性能佳、精確度高等優勢，但由于自動化水平不高，勞動強度較大，加缷砝碼過程中的振動會影響試驗結果等問題，因而應用越來越少；二是氣壓式固結儀。該試驗儀器采用高壓氣體作壓力源，不僅加荷過程方便，而且操作簡便，減弱了勞動強度，提高了自動化水平，但易出現漏氣，壓力不穩等一系列問題，但若能及時解決這個問題，其發展前景還是相當樂觀的。我院以前使用過氣壓固結儀，由于諸多原因，現在已經不再使用。我院目前使用的是WG型單杠桿固結儀(三聯中低壓)和WG型單杠桿固結儀(三聯高壓)。WG型系列中低壓和高壓固結儀都是用于土壤的壓縮試驗，檢測土壤的壓力與變形的關系、計算土的單位沉積、壓縮指數、回彈指數以及固結系數等。（2）直剪試驗儀。就土抗剪強度試驗而言，主要采用如下類型：一是雙速電動應變控制式直剪儀，其應變速率可以達到0.8mm/min或2mm/min，能夠進行固結快剪或快剪試驗；二是三速電動應變控制式直剪儀，應變速率較雙速而言增加了0.02mm/min，還可以同時開展慢剪試驗；三是四聯等應變直剪儀，其集四臺直剪儀于一體，通過變速箱轉變為0.02，0.1，0.8，2.4mm/min.四種不同剪切速率，能夠進行快剪、固結快剪、慢剪三種試驗，且具有手搖加荷裝置，無須調節砝碼。目前我院使用的是ZJ型應變控制直剪儀（四聯）。ZJ四聯應變控制式直剪儀用于測定土的抗剪強度，通常采用四個試件在不同的垂直壓力下，施加剪切力進行剪切，求得破壞時的剪應力，根據庫侖定律確定抗剪強度系數，內摩擦角和凝聚力。ZJ四聯應變控制式直剪儀由于有4臺可以進行單獨操作的剪切儀，結構緊湊，故工作效率較高，可做快剪、固結快剪、慢剪試驗，能夠滿足試驗室對于不同試驗方法的要求。（3）靜三軸試驗儀。當前，一般土工試驗時常采用三軸壓縮儀，結合土類、不同的工況要求，分別進行不固結不排水、固結不排水、固結排水等試驗。目前我院使用的是TSZ10-1.0型應變控制式三軸儀，TSZ10-1.0型輕型臺式三軸儀用于一般土工實驗室試驗。儀器為應變控制式，用于測量最大周圍壓力在1.0MPa，直徑為39.1mm的土試樣。在軸向靜負荷條件下強度和變形特性的三軸剪切力試驗，可以進行不固結不排水剪（UU）、固結不排水剪（CU）和固結排水剪（CD）的三軸試驗。

1.3土工數據采集及自動化處理系統

如今隨著計算機等高新技術的應用，推動了土工試驗數據的自動化采集與處理。該技術將數據采集、處理、曲線繪制、打印等融合于一體，并增加了三軸、直剪、固結、含水率、密度、界限含水率等試驗數據采集、處理，實現了分散化采集、集中化分析和處理等多種功能。目前我院使用的是南京土壤儀器廠的新型TWJ-1數據采集系統。該系統裝置由傳感器、采樣盒、計算機組成，其間用導線連接，一個采樣器可以連接8個傳感器，根據每個試驗室所需通道數的不同，可將若干個采樣盒用導線連起來構成一種并聯形式。此設備便攜且體積小，連線少，安裝方便，可靠性高、適合室內和野外現場使用。任何標準計算機都可工作，計算機可以任意更換和升級。純Windows數據采集處理軟件，兼容現有計算機和操作系統，方便、穩定、可靠。

2土工試驗方法標準

當前，國內有關土工試驗方法的標準包括：《土工試驗方法標準》GB/T50123-1999，還有其他部門的行業標準。土工試驗室執行國家、行業標準，鐵路、公路、水利行業標準等，其中所規定的試驗方法幾乎相同，只是結合不同行業特點，在細節方面進行了具體要求，或增減了試驗項目。為了有效規范土工試驗市場，亟需出臺更為規范的標準。而且有相當一部分土工試驗室仍采取現行規范或標準中不提倡或沒有列入的，但在一些地區或部門已長期使用并進行過大量對比試驗的半經驗性或經驗性的方法如：快速固結試驗法，三軸試驗中一個試樣多級加荷剪切法，使用經驗公式利用塑限推算液限，利用塑指數給土樣定名后推算土的比重等方法，這種方法雖然簡單可行，但準確性不夠，這些方法的適用性和適用范圍有待進一步研究落實。所以要開展土工試驗新方法，新問題的研究，如室內袖珍貫入儀試驗的研究與應用；非飽和土力學性質的試驗研究；黃土、軟土、鹽漬土等特殊土類試驗方法的進一步研究等等，這些成果的取得將會豐富土工試驗方法，解決一些新的土工試驗問題，提高土工試驗的技術的發展水平。

3加強土工試驗的技術管理和行業管理

近年來，隨著市場經濟的不斷深化，有些單位逐漸改變了土工試驗的技術管理，土工試驗的行業管理也出現了一些混亂局面，主要表現在以下幾個方面：（1）有些單位放棄了土工試驗技術負責人和審核制度，實行包產到人、包產到組的承包方式，只管進度和效益，不管試驗質量，從開土到提交成果報告只有少數幾個人負責，沒有一套行之有效的技術管理程序來保證試驗質量，沒有嚴格執行三級校審制度，致使出具的土工試驗參數準確性不高，甚至存在謬誤，使工程項目存在很大的安全風險。（2）有些地區沒有健全土工試驗資質管理制度，也沒有規范土工試驗市場的管理，致使一些單位和個人在沒有充分技術保證的前提下，隨意購置設備(有些還是不合格的設備)，從外面臨時應聘一些沒有土工試驗經驗和未經培訓的人員操作土工試驗儀器，開展土工試驗業務。有些還隨意壓價，擾亂土工試驗市場，致使土工試驗市場亂象叢生。上述情況必須要引起有關單位和部門的足夠重視，必須要加強土工試驗的技術管理和行業管理，以確保我國土工試驗技術的健康和可持續發展。

4土工試驗技術未來發展趨勢

（1）試驗環境日趨優化。當前土工試驗標準還未對土工試驗環境提出明確規范要求，但已經有很多土工試驗室配備了完善的溫度和濕度調節器，實現了試驗區域的獨立化管理，基本滿足了土工試驗環境要求，但仍有很多單位為節省開支，采用條件較差的場所進行試驗，致使土樣變質，土樣受擾動較大，難以確保土工試驗結果的真實性和科學性。未來我國將會出臺一系列規范，土工試驗環境將得到逐步優化。（2）自動化技術日臻成熟。有些試驗儀器由半自動化向全自動化轉變，我國土工試驗數據采集與處理技術自動化的發展徹底改變了土工試驗需人工記錄、手工計算結果的傳統模式，大大提高了勞動效率，降低了人員勞動強度，確保了試驗數據的真實可靠性。可以預見，隨著我國土工試驗技術及計算機技術的不斷發展，我國土工試驗自動化技術給土工試驗領域帶來全新的技術革命。如南京土壤儀器廠生產的TSZ系列全自動三軸儀。TSZ系列全自動三軸儀使用當代最新科技，及機械、電子技術、自動控制技術、傳感器自動檢測技術及計算機技術于一體，一機多用?；九渲每蛇M行常規應力應變式無測限試驗，UU，CU、CD等壓縮剪切試驗，若配備不同的試驗容器和控制模塊還可進行KO固結、靜止測壓力系數、多種應力路徑三軸實驗、拉伸試驗、彈性模量試驗、承載經試驗等。該系統還可以做全自動控制振動三軸試驗。試驗過程全電腦控制。（3）隨著土工試驗技術的快速發展，相應的土工試驗人員綜合素質也在逐步提升。土工試驗對于相關技術操作人員的要求越來越高，技術人員通常都具有正規教育，在實踐過程中有專人傳幫帶，并開展技術評比、試驗室比對等多項活動，積累豐富經驗。但依然存在部分技術人員雖文化基礎高，但缺乏實際操作能力，加之缺乏吃苦精神，致使土工試驗技術能力不高，隨著經濟發展步伐的加快，對于土工試驗技術人員的要求也越來越高，不少單位開始關注技術人才引進和現有人才培訓，未來我國土工試驗技術人員的綜合素質將逐步提高。（4）行業準入及監管制度日趨完善。隨著勘察市場改革的逐步深入，外業鉆探逐漸實現了勞務分包，勘察資質對于土工試驗單位的要求較弱，某些缺乏資質的單位也能夠承攬項目。隨著土工試驗逐步被推向市場，我國勢必將出臺行業準入和監管規范，并進一步對勘察土工試驗市場加以完善。

5結語

作為一門研究土的試驗技術，土工試驗技術在巖土工程領域的地位和作用不容置疑。隨著土工試驗技術的逐步發展，其對于巖土工程理論及實踐發展均將帶來巨大的推動作用。

參考文獻

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[4]孫秀莢.工程勘察中土工試驗應用流程研究[J].科技創新導報，2013.11

作者:李健 單位:安徽省水利水電勘測設計院