土工試驗和現場原型觀測
正文
土工試驗是測定土的物理、力學、化學和其他工程性質（見土的工程性質），供岩土工程設計和施工控制使用。土工試驗有兩種方式,即室內試驗和原位試驗,前者是對採取的土樣進行試驗，後者是在現場自然條件下直接進行試驗。室內土工試驗 包括土的物理、力學、化學和礦物等分析試驗。前兩項較為常用，後兩項在特殊情況下進行。土工試驗方法從40年代開始制定標準,1942年,美國各州公路工作者協會(AASHO) 已開始就土的物理性質試驗方法和設備制定標準，中國水利部1956年頒發了《土工試驗規程》，許多國家也都制定有本國的試驗規程。
基本物理試驗 包括土的單位容重、含水量和比重三項，並由此求算土的孔隙比，孔隙度、飽和度等指標。
粒徑分析試驗 將一定重量的土烘乾碾散後用順序疊好的篩組過篩、稱重，確定各個粒徑範圍內土粒重的百分數。 小於 2毫米的土團粒，乾時不易碾散,需置於水中充分浸潤分散後並通過2.0～0.1毫米的細篩。小於0.1毫米的細粒土,用比重計法或移液管法確定其各種粒徑的含量。通過篩分和比重計結合粒徑分析試驗，繪製土樣的粒徑分布曲線供土分類使用。
阿太堡界限含水量試驗 測定土在液性界限和塑性界限時的含水量。因液性界限和塑性界限的定義不夠準確， 其測定方法有人為規定的因素。 A.卡薩格蘭德於1932年提出一種測定土的液性界限的碟式儀及其測定方法，已被西歐、 美、日等國採用至今。 蘇聯、中國多用平衡圓錐儀測土的液性界限。兩者測得結果不盡相同，其差異與土的塑性大小有關。塑性界限試驗各國仍採用人工搓條法。
相對密度試驗 測定無粘性土在最松和最密實狀態下的最小和最大容重，以計算它的最大、最小孔隙比和相對密度。測最小容重多使用量筒法、漏鬥法和各種松砂器。測最大容重最常用的是擊實法和振動法。測無粘性土的最小和最大容重方法，有時需根據土質條件而定，在有疑問時套用幾種方法進行對比試驗。
擊實試驗 用標準的容器、錘擊和擊實方法，測定土的含水量和容重變化曲線，求得最大幹容重時的最佳含水量，是控制填土質量的重要指標之一。
加州承載比(CBR) 試驗 美國加利福尼亞州公路局於30年代初提出的，用以檢驗公路路基承載能力的測試方法。現已被歐美各國廣泛採用，可在室內或現場進行測試。室內試驗是將擾動土樣在特製容器中擊實到最大容重，然後在頂面注水,使土樣在5公斤荷載下浸水96小時,測其膨脹量。再將土樣用5厘米直徑圓柱等速壓入土樣表面，測出土樣的荷載與貫入量關係曲線。相應於25毫米時的荷載與標準荷載的比值即為加州承載比。現場試驗的原理和室內試驗相同，可直接測定路基的 CBR值（見柔性路面設計）。
壓縮和固結試驗 將原狀土樣放在有側限和允許軸向排水的容器中逐級加壓，測定各級壓力與土樣壓縮量之間的關係,每級壓力下土樣壓縮與時間的變化關係,以及卸荷過程中壓力與回彈變形的關係（見土體的壓縮和變形）。
常規固結試驗法（見土體固結理論）耗時多，因而約在60年代提出一些新的節省時間的試驗方法，如等應變速率法、等梯度法、等加荷速率法和連續加荷法等。但所得固結係數和先期固結壓力與常規法有差別，目前尚未普遍使用。
剪下試驗 測定土的抗剪強度參數。常採用無側限壓縮試驗，直剪試驗和三軸剪下試驗。①無側限壓縮試驗是將圓柱形土樣在垂直方向加壓直至破壞，測出土在不排水條件下的總強度。②直剪試驗是將試樣放在方形或圓形剪下容器內，施加不同的垂直壓力，然後使試樣沿一固定水平剪下面剪斷，測定不同垂直壓力下的破壞剪應力。直剪試驗方法操作簡單，但土樣中的受力條件較複雜。③三軸剪下試驗是將數個圓柱形土樣安裝在三軸壓力室中，在不同的周圍壓力下，施加軸向壓力，使土樣剪下破壞,然後根據莫爾-庫侖定律確定土的強度參數(見土的抗剪強度)。三軸試驗中可測定土在完全不排水，固結不排水或完全排水條件下的強度參數，也可用來進行不同應力途徑下的剪下試驗。三軸試驗是目前各國使用最普遍的剪下試驗法。此外，還有扭剪試驗、平面應變剪下試驗和真三軸剪下試驗等，但目前僅用於研究實驗工作。
土動力性質試驗 測定在動荷載下，土的性狀試驗儀器有共振柱儀、動三軸儀、動單剪儀和動扭剪儀等。中國多用動三軸儀。圓柱形土樣在周圍壓力下，可在土樣軸向施加某種諧波或隨機波動荷載，測定往復荷載下土樣變形和孔隙水壓力的發展，據以確定土的動強度參數，包括飽和砂的液化特性（見土的動力性質）。加荷動力有氣壓式、電液伺服式和電磁式。有的動三軸儀配備有微處理機，光電伺服反饋系統以進行隨機動荷載下的試驗。土的動力試驗在60年代以後才有較大發展，試驗方法、設備和標準尚在改進中。
化學性質和礦物分析 一般工程不要求做土的化學和礦物分析。化學分析包括測定土中易溶鹽、石膏和難溶鹽碳酸鈣的含量，腐植酸含量，酸鹼度和離子交換量等。礦物分析在岩土工程中最主要的是測定粘土礦物的類型，為確定礦物的類型除進行化學分析外，還採用差熱分析和X射線衍射分析等物理化學分析法。
原位試驗 在現場保持土體的原有應力條件和環境條件，不用鑽探取樣而直接測定土體的工程性質。包括範圍廣，種類多，而且仍在發展中。常用的有：
十字板剪下試驗 在鑽孔底部壓入十字板型測頭，鏇轉十字板可測定土層的不排水抗剪強度。此法在40年代由挪威首先提出，是較普遍採用的鑽孔中測飽和粘性土強度的方法。
平板荷載試驗 用於模擬基礎對地基的作用，通常是將與基礎剛度近似的圓形或方形壓板（壓板直徑不能小於30厘米），置於整平的基坑底部，在壓板上分級加荷，每級荷載加上後記錄壓板的沉降至基本穩定，再加次一級荷載直至地基破壞。 從試驗得到的荷載-沉降曲線，可分析地基土的承載力和變形特性。荷載板試驗不僅用於常規生產試驗，也是一種良好的研究土的基本性質的手段。
標準貫入試驗 鑽孔鑽到指定標高並清底後,用63.5公斤重的穿心錘，以76厘米的自由落距，將一定規格的對開式取樣器打入土層30厘米，記錄打入擊數，根據擊數多少判別土的密實程度。標準貫入試驗雖人為誤差因素較多，但因其適用於各種土層，貫入過程可同時取得土樣，在美國和日本及其他許多國家廣泛使用。特別是在判定飽和砂土的液化勢方面，標準貫入試驗更有其獨到的作用。
靜力觸探 最常用的是圓錐貫入儀。將一圓錐探頭連續壓入地層，測定各土層對圓錐的阻力，根據阻力與深度變化曲線，給出土層改變的清晰圖形。通過經驗統計相關關係，許多學者提出了根據土層的錐尖阻力估算其各種工程性質的經驗公式。1964年，中國研製成功電測探頭，提高了測試精度，並在全國迅速推廣。近十餘年，多參數探頭有所發展，如測地溫、孔斜或孔隙水壓力等。儀器的數據收集和整理系統已採用近代電子和微處理機技術，可對測定數據自動記錄和處理。靜力觸探還較普遍地用於近海平台的海底勘探，為此設計了可以遙控的鑽孔內靜力觸探頭。
旁壓儀試驗 也稱橫壓試驗，測頭為圓柱形，其測量段外壁為硬橡皮或金屬鎧裝加筋乳膠膜，中空。置於鑽孔中用水或氮氣通過測頭的膜向孔壁四周橫向逐級加壓，得到孔壁徑向應力和應變曲線及極限壓力，從而根據經驗估算土的各種工程性質。由於試驗條件接近圓柱形空洞膨脹理論，並能得到土的應力-應變曲線,有的學者認為是一種較理想、有發展前途的原位測試方法。但一般認為它和其他原位測試方法一樣，只能通過經驗相關為工程提供所需參數。70年代後期，英國和法國都試製了自鑽式橫壓儀。測頭前方帶有碎土鑽頭，借循環泥漿將碎土帶出孔口，測量段緊隨探頭環刀進入土層，最大限度地減少了孔壁的擾動。新測頭還帶有孔隙水壓力感測器。
動彈性模量試驗 通過測定波在土層中的傳播速度以計算土的動彈性模量。有兩種方法:一種是單孔法,也稱下孔法，將拾震器牢固地貼於鑽孔內的孔壁並與地面動態示波器相連，在孔口地面按所要求的震波類型（橫波或縱波）擊震。從示波器記錄的震波曲線可計算波傳到拾震器的時間，結合拾震器在鑽孔內的深度即可計算該深度內土層的平均波傳播速度。此法較簡單，但不能準確測定地層中夾層的波傳播速度。另一種是跨孔法，在一個鑽孔中的要求深度處，用落錘或暴破激震，在周圍另一個或數個平行鑽孔的相同深度處，安置拾震器接受震波，只要能準確測出孔中擊震點與拾震器間的水平距離即能計算該層土中波的傳播速度（見工程地球物理勘探）。
現場原型觀測 在工程建築物的有關部位埋設儀器，長期監測施工或使用過程中，建築物或地基土的工作性狀，以檢驗計算方法和參數是否符合實際情況。最經常觀測的是應力和位移的變化。
應力測定 為觀測土與結構物的相互作用，可在結構物的構件中設定鋼筋計，在土與結構物接觸面或土層中埋設壓力計，定期觀測各部位應力的變化。但測定土層中應力較困難，感測器的剛度和埋設方法對觀測結果的影響尚未很好的解決。應力測定的另一重要方面是土體中孔隙水壓力的測定。在飽和軟土上修建油罐、高路堤等，常用載入預壓法以減少使用期間的沉降。預壓過程常在地層中事先埋設孔隙水壓力測頭，通過對孔隙水壓力增長速度的監測，以控制預壓加荷的速率保證工程的安全。
位移觀測 設定水準點用精密水準儀定期測量其垂直位移，仍是最常用的可靠方法。地基深層沉降最早也採用在鑽孔中埋沉降桿，桿頂伸出地面，用水準儀觀測（見地面沉降和水平位移觀測）。目前，較常用的是在鑽孔中下塑膠套管，在需觀測的不同深度處分別將一鐵圈擠入土層。鐵圈隨土層的沉降而下沉，觀測時從孔口放下一個與鋼尺相連的電磁測頭，測頭通過鐵圈時即發生音響，從而可測出各鐵圈的深度及其相對沉降。自動記錄深層沉降計也已被使用。為測土的水平或側向位移，在垂直鑽孔中埋置塑膠或金屬套管，套管將隨土層的側向位移而變形。將特製的測斜儀順套管中的導向槽放入管內,即可測得不同深度套管的傾斜度，精度可達0.1°。為觀測岩土體地表的三維位移，近年來大多用攝影測量方法。
