土工试验员操作培训

土工试验的现状与发展 我国系统地开展土工试验技术工作起源于建国初期，经过半个世纪的努力，我国的土工试验技术达到了一个新的水平；但在工程勘察单位的生产性试验方面，无论设备条件或技术水平以及人员配备，都存在较大的差距。 现状： 1土工试验室是勘察单位的一个部门，与市场没有直接的沟通渠道；缺乏技术发展的市场推动力；留不住人才； 2业务范围窄，单一的室内常规土工试验与水质分析；一般不从事非常规的、研究开发型的试验；一般不从事现场试验与原位测试； 3仪器设备：大多数试验室仍沿用上世纪六、七十年代的土工仪器； 80年代初期，先进的数据采集和处理系统开始研发，到了 80年代的后期，数据采集和处理系统自动化得到了较大的发展与普及。进入二十一世纪后，全自动气压固结仪在全国占了一定的市场，试验精度更高了，劳动强度降低了，工作效率提升了； 4人员问题：缺乏熟练的试验人员；留不住高学历的人才；试验人员的培训机制不健全；技术水平与人员素质不能适应工程的需求； 发展对策： 1对人员进行技术培训，提高试验技术水平； 2在经济条件改善的基础上添置新的设备； 3逐步扩展业务范围，争取更大的市场份额占有率； 4做好试验室的计量认证工作，为社会出具更加准确、可靠、公正、可信的试验数据。土工试验的作用 1 土工试验在岩土工程中的地位和作用 随着中国现代化建设事业的飞速发展，对岩土工程测试技术提出新的、更高的要求。如重型厂房、高层、超高层建筑、大型水电枢纽、铁路、公路桥梁与隧道以及民用建筑物的兴建是否经济、合理，大部分取决于岩土的工程 性质。要很好地解决一个岩土工程问题，必须首先进行勘察和测试、试验与分析，并利用土力学、工程 地质学等的理论与方法，对各类土建工程进行系统性研究。因此，土工试验是岩土工程规划设计的前期工作，也是地基与基础设计工作中不可缺少的中心环节。 2 土工试验规划 ： 针对任务明确试验目的； 采取代表性试样； 试验方法选择； 试样组数应满足规定要求； 3 土工试验项目 土的物理性试验：包括含水量、密度、土粒相对密度、界限含水量、 颗粒分析等 砂土相对密实度试验：包括砂的最大和最小孔隙比试验。 土的变形试验：包括固结、压缩、湿陷和膨胀试验等。 土的强度试验：包括直接剪切、三轴压缩、无侧限抗压强度等 土的动力试验：包括动三轴、动单剪、共振柱等试验 土的流变试验：主要研究土的流变特性和规律，预估它们的蠕变时间； 土的矿化试验：包括有机质、易溶盐等试验以及水、土腐蚀性分析； 冻土试验和岩石试验试验样品物理试验项目 力学试验项目 其它试验项目含水量、湿密度、液塑限、颗 粒分析、相对密实度、天然坡角压缩系数、压缩模量、抗剪强度、湿陷系数、先期固结压力等击实试验、无侧限抗压强度、自由膨胀率、渗透系数 等4土样的要求和管理 4.1 土样采取的数量 应满足要求进行的试验项目和试验方法的需要；详见附表 4.2 土样的验收与管理 （ 1）土样到达试验室时，必须附送样单及试验委托书。 送样单内容包括：工程名称、钻孔编号、取土深度、取土日期、水位埋深以及土样描述等； 试验委托书包括：工程名称、试验项目、试验方法及提交成果时间要求等； （ 2）试验室接收土样时，应按委托书进行验收。 验收内容包括：土样数量、编号是否相符，所送土样是否满足试验项目和试验方法的要求，并进行登记； 登记内容有：工程名称、委托单位、送样日期、试验项目以及需要提交报告的时间等。 （ 3）土样验收登记后，试验室应及时组织试验工作，土样从取样之日到试验之时不得超过 3周； （ 4）试验结束后，余土应做好贮存工作，保持工程名称及室内土样编号，以备审核成果时使用，保管期限不少于 3月； （ 5）处理余土时应做好环保工作；土试样质量等级 程度 内容 不 土 定名、含水量、密度、 强 度、固 微 土 定名、含水量、密度 著 土 定名、含水量 完全 土 定名5 试验方法与仪器设备 5.1试验方法与主要仪器 含水量试验：烘干法 -恒温烘箱、电子天平等； 土粒相对密度试验：比重瓶法 -比重瓶、恒温水槽、砂浴、天平等； 密度试验：环刀法 -环刀、电子天平等 界限含水量试验：液、塑限联合测定法 -液塑限联合测定仪； 粘粒含量试验：密度计法 -甲种密度计； 砂的相对密实度试验：量筒法与振动锤击法 -长颈漏斗，量筒，振动叉，击锤等； 击实试验：轻型击实与重型击实 -标准击实仪； 黄土湿陷性试验：双线法 -固结仪； 固结试验：固结仪、数据采集仪等； 三轴压缩试验：不固结不排水，固结不排水，固结排水 -三轴仪； 直接剪切试验：快剪，固结快剪，慢剪 -应变控制式直剪仪； 无侧限抗压强度试验：无侧限压缩仪； 自由膨胀率试验：量土杯，搅拌器，无颈漏斗等； 渗透试验：变水头渗透装置；5 试验方法与仪器设备 5.2室内土工仪器和要求 （ 1） 国家标准：所有试验仪器设备都应满足 土工仪器的基本参数及通用技术条件 GB/T15406； （ 2）土工仪器的校准： a 所有土工仪器在使用前应按有关校验规程进行校准； b 仪器中配备有计量标准器具时，应按规定的校验周期送交有计量检定能力的单位检定； (3)不合格仪器及处理方法： a 不合格仪器：已明显损坏、工作不正常、过载或误动作以及超过规定的间隔时间等； b 处理方法： 凡不合格仪器应停止使用，并做出明显标记； 能进行调整或修理的，经仔细检查检定或校准后可重新用； 对不能调整或修复的仪器应及时报废； （ 4） 仪器设备的管理 建立仪器设备台帐，内容包括：仪器名称、制造厂家、购置日期、保管人等； 编制仪器设备检定周期表，内容包括：仪器设备名称、编号、检定周期、检定单位、最近送检 日期、送检人等； 所有仪器设备应有统一格式的标志： a:标志分 “合格 ”“准用 ”“停用 ”三种，分别以绿、黄、红三种颜色表示； b:标志内容：仪器编号、检定结论、检定日期、检定单位； （ 5） 仪器说明书应妥善保存； （ 6） 建立仪器档案 其内容有：使用记录、故障及维修情况记录 。6计量认证与试验室管理 6.1计量认证 计量是为实现单位统一、量值准确可靠而进行的科技、法制和管理活动。准确性、一致性、溯源发表主法制性是计量工作的重要特点。 所谓 “量值溯源 ”是指自下而上通过不间断的校准而构成溯源体系；而 “量值传递 ”则是自上而下通过逐级检定而构成检定系统。 计量认证是我国通过计量立法，对凡是为社会出具 公证数据的检验机构进行强制考核的一种手段，也可以说计量认证是具有中国特点的政府对实验室的强制认可。 校准和检定： 在规定条件下，为确定测量仪器或测量系统所指示的量值，与对应的由标准物质所复现的量值之间关系的一组操作，称为校准； （ 1） 校准的含义： 1在规定的条件下，用一个可参考的标准，对包括参考物质在内的测量器具的特性赋值，并确定其示值误差； 2将测量器具所指示或代表的量值，按照校准链将其溯源到标准所复现的量值；计量认证与试验室管理 （ 2）校准的目的： 1确定示值误差，并可确定是否在预期的允许范围内； 2得出标准值偏差的报告值，可高速测量器具或对示值加以修正； 3给任何标尺标记赋值或确定其它特性，或给参考物质特性赋值； 4实现溯源性； （ 3）检定：是查明确认计量器具是否符合法定要求的程序，它包括检查、加标记和出具检定证书。检定具有法制性由下计量检定机构执行。 （ 4）校准与检定的主要区别： 1校准不具法制性，是企业自愿行为；检定具有法制性，属计量管理范畴的执法行为。 2校准主要确定测量器具的示值误差；检定是对测量器具的计量特性及技术要求的全面评定。 3校准的依据是校准规范、校准方法，可统一规定也可自行制定；检定的依据检定规程。 4校准不判断测量器具合格与否；检定要对所检的测量器具作出合格与否的结论。 5校准结果通常是发校准证书或校准报告；检定结果合格的发检定证书，不合格的发不合格通知书。计量认证与试验室管理 6.2试验室的管理 试验室的管理是通过质量管理体系的建立和运行来实现的。质量管理体系文件包括：质量管理手册、程序文件以及质量体系运行中产生的各种质量文件。 质量管理手册： 是试验室从事各项质量活动的唯一法规性文件，是质量体系在试验室运行的依据。 质量管理手册包括以下内容： 1 组织与管理 2质量体系的建立 3人员 4试验室设施和环境 5仪器设备的管理 6量值溯源和校准 7试验方法的选用 8试验样品的管理 9试验记录管理 10试验报告 11外部支持服务和供应 12试验的分包 13抱怨的处理计量认证与试验室管理 程序文件应包括下列内容： 1质量体系文件的控制和维护程序； 2质量体系管理评审程序 ； 3质量体系审核程序； 4保护委托方的机密信息和所有权程序； 5开展新试验项目管理程序； 6允许偏离和纠正程序； 7控制偏离的管理程序； 8试验工作管理程序； 9量值溯源程序； 10仪器设备控制与管理程序； 11仪器设备购置、验收及流转程序； 12培训与考核程序； 13试验环境的建立、维护和管理程序； 14现场试验管理程序、 15试验方法管理程序； 16复验程序； 17抽样程序； 18保护数据完整和安全性管理程序； 19计算机软件管理程序； 20消耗材料的采购、验收和贮存程序； 21样品管理程序； 22记录管理程序； 23档案管理程序； 24试验报告的编制和管理程序； 25试验工作的分包管理程序； 26外部支持服务和供应管理程序； 27抱怨处理程序；试验数据处理与分析 土工试验数据 试验数据误差 有效数据与计算法则 土工试验中常用单位换算 质量： g, kg 长度： m,1m=100cm 体积： m3 面积： cm2 时间： s 力 ： kN 压力： kpa 温度： t土工试验中常用单位换算量 公制 准确 算 近似 算重度 2.0t/m3 19.6kN/m3 20kN/m3模量 100kg/m2 9.81Mpa 10Mpa 系数 0.05cm2/kg 0.49Mpa-1 0.50Mpa-1承 力 10t/m2 98.1kpa 100kpa试验数据误差 观测值与真值之差即为误差； 真值：它是通过完善的或完美无缺的测量，才能获得的值。 测量结果是由测量所得到的赋于被测量的值，是客观存在的量的实际表现，不知道的，需要测定的值； 误差一般分为三类： 1 系统误差 2 偶然误差 3 过失误差试验数据误差 系统误差 仪器不良，如刻度不准、砝码未校正 ； 试验环境的变化，如温度、压力、湿度的变化； 操作人员的习惯，如从侧面读数； 可以用校正仪器、控制环境和改正不良习惯来消除系统误差。 偶然误差 已消除系统误差，但所测的数据仍在末一位或末二位数字上有差别，称为偶然误差； 偶然误差时大时小，时正时负，方向不一定； 偶然误差产生的原因不清楚，也无法控制； 用同一精度的仪器，在同一条件下，对同一物理量作多次测量，若测量的次数足够多，则可发现偶然误差完全服从统计规律，偶然误差的算术平均值将逐渐接近于零。 人为（过失）误差 完全人为因素造成，如粗枝大叶、过度疲劳或操作不正确； 消除过失误差的方法是提高工作人员的责任感，健全工作制度，加强对数据的审核；有效数据与计算法则 一、有效数据的概念 对于任何数，包括无限不循环小数和循环小数，截取一定位数后所得的值即是近似数，根据误差公理，测量总是存在误差，测量结果只能是一个接近于真值的估计值，其数字也是近似值。 近似数有效数字的概念就是：当该按近似数从左边的第一个非零数字数字算起，直到最末一位数字为止的所有数字都是有效数字；测量结果的数字，其有效位数代表结果的不确定度。有效位数的不同，它们的测量不确定度也不同，有效位数越多，其不确定度越小； 二、计算法则： 1 记录测量数据时，只保留一位可疑数字； 2 当有效数字位数确定后，其余数字应一律舍去。舍去办法：凡末位有效数字后的第一位数字大于 5，在前一位增加 1 ，小于 5则舍去，等于 5 时，如前一位为奇数，则增加 1 ，如前一位为偶数则舍去不计。（奇进偶不进） 3 不能连续修约（ 12.51-15.25-12.2），因为多次连续修约会产生累计不确定度。土的基本特性及其指标 1 物理性指标：天然密度、含水量、土粒比重 、孔隙比、液性指数、塑性指数、 液限 、 塑限 、曲率系数、不均匀系数、相对密度、饱和度、 粘粒含量 ； 2 力学性指标：2. 1 变形指标： 压缩系数、压缩模量、 渗透系数 、先期固结压力、压缩指数、回弹指数、回弹模量、 湿陷系数、自重湿陷系数 、湿陷起始压力、 自由膨胀率 、收缩系数；2. 2 强度指标； 内摩擦角、粘聚力、无侧限抗压强度 、灵敏度 3渗透性指标：渗透系数、固结系数； 4压实性指标：最优含水量、最大干密度； 5化学性指标：腐蚀性分析1.1土的三相特征土是由固体颗粒、空气和水组成的三相体系，基本概念有：含 水 量：土中水的质量与土颗粒质量比；土颗粒密度：土粒质量与同体积的 4 时水的质量之比；质 量 密 度：土的总质量与其体积之比即单位体积的质量 干 密 度 : 土粒质量与土的总体积之比；重 度：土所受的重力与土的总体积之比；孔 隙 比：土中孔隙体积与土粒体积之比；孔 隙 率：土中孔隙体积与土的总体积之比；饱 和 度：土中水的体积与土中孔隙体积之比；前三项指标是试验室直接测定的。其余各指标间的换算公式如下：干密度： d=/(1+0.01w) 孔隙比： e= ( ds(1+0.01w)/ )-1饱和度： Sr= w ds/e孔隙率： =(e/(1+e)100重 度： =g饱和密度： sr= (ds+0.85e)w/(1+e)1土的物理性指标1土的物理性指标 1.2 土的可塑性指标 土从一种状态转入到另一种状态时的含水量称为界限含水量，流动状态与可塑状态之间的分界含水量定义为液限 WL；从可塑状态转入到半固体状态的分界含水量称为塑限 WP； 液限与塑限是试验室直接测定的，由此可计算求得其它指标如下； 塑性指数 IP：土呈可塑状态时含水量变化的范围，代表土的可塑程度；IP=WL-WP 液性指数 IL：土抵抗外力的量度，其值越大，抵抗外力的能力越小； IL= (W- WP)/( WL- WP) 含水比 u：土的天然含水量与液限含水量之比； u= W/WL 活动度 A：土的含水量变化时，土的体积相应变化的程度，其值越大，变化程度越大； A=IP/P0.002 根据塑性指数的大小可将粘性土分类如下： 3 0.075mm的粒径含量不超过 50%） 10 17 粘土 当天然含水量大于液限，天然孔隙比大于 1.0的粉质粘土或天然孔隙比大于 1.3的粘土称为淤泥质土。1土的物理性指标 1.3颗粒组成及砂土的密度指标 在自然界所存在的土，都是由大小不同的土粒（矿物、岩石）组成，土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地出发生变化。 土的固体颗粒（土粒）大小通常是以直径尺寸表示，简称 “粒径 ”，单位为毫米；划分粒径的分界尺寸称为界限粒径，主要有 200， 20， 5， 0.5，0.075mm， （ 1） 直接测定的指标有； 颗粒组成；土颗粒按粒径大小分组所占的质量百分数； 最大干密度；土在最紧密状态时的干密度； 最小干密度；土在最松散状态时的干密度； （ 2） 计算求得的指标有； 界限粒径；小于该粒径的颗粒占总质量的 60%； 平均粒径：小于该粒径的颗粒占总质量的 50%； 中间粒径：小于该粒径的颗粒占总质量的 30%； 有效粒径；小于该粒径的颗粒占总质量的 10%； 不均匀系数：界限粒径与有效粒径之比，土的不均匀系数越大，表明土的粒度组成愈分散； Cu=d60/d10 曲率系数：表示某种中间粒径的粒组是否缺失的情况； Cs=d302/(d60d10)1土的物理性指标（ 3）指标应用：Cu值越小，表明土的粒径分布均匀，曲线较陡，级配不良；反之， Cu值越大，表明土的粒径分布不均，曲线平缓，级配良好，容易压实。工程中分类：Cu5为级配良好的非均粒土 ;1Cs3 的土称为级配不良的土。砂土的相对密度；砂土最疏松状态的孔隙比和天然状态的孔隙比之差，与砂土最疏松状态的孔隙比和最紧密状态的孔隙比之差的比值。即Dr=(emax-e)/(emax-emin)天然状态下的孔隙比介于最大与最小孔隙比之间，所以， Dr值变化在 0-1之间，通常把作为砂土的结构指标，分为以下三种状态；0 0.9 稍密 w 30 很湿 （ 4）粘性土 当塑性指数大于 10，且小于 17时，定名为粉质粘土，当塑性指数大于 17时，应定名为粘土。根据液性指数可以将粘性土的状态分为以下几类： IL 0 坚硬 01.0 流塑 （ 5）填土 填土系指由人类活动而堆填的土。根据其物质组成和堆填方式，可分为以下三类： a 素填土：由天然土经人工扰动和搬运堆填而成，不含杂质或杂质很少，由碎石、砂、粉土和粘 性土等一种或几种材料组成，不含杂质或杂质很少； b 杂填土：含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物；按其组成物质成分和特征分为：建筑垃圾土、工业废料土、生活垃圾土等。 c 冲填土：由水力冲填泥砂组成的；1土的物理性指标 填土按堆积时间可分为三类： a 古填土：堆填时间在 50年以上的； b 老填土：堆填时间在 15-50年的填粘土或填粉质粘土； c 新填土：堆填时间在 15年以下的填粘土或填粉质粘土； （ 6）软土 天然孔隙比大于或等于 1.0，且天然含水量大于液限含水量的细粒土即为软土；包括淤泥、淤泥质土，其压缩系数大于 0.5MPa，不排水抗剪度宜小于 20kpa。分类标准如下： 软土的工程性质：触变性、流变性、高压缩性、低强度、低透水性、不均匀性。 （ 7） 特殊土 是指在特定的地理环境下形成的具有特殊性质的土。主要有：湿陷性黄土、膨胀土、红粘土、冻土等。 湿陷性土： 指浸水后产生附加沉降，其湿陷系数大于或等于 0.015的土； 膨胀土： 是指土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性，其自由膨胀率不小于 40%的黏性土。 红黏土： 是指碳酸盐系的岩石经红土化作用形成的高塑性黏土。其液限一般大于 50；红黏土经搬运后仍保留其基本特征，其液限大于 45的为次生红黏土。 2 1土的力学性指标 1土的压缩性： 是指土体在荷重作用下产生变形的特性。就室内试验而言，就是土体在荷重作用下孔隙体积逐渐变小的特性。试验方法主要就是采用固结仪在有侧限和两面排水的条件下进行的，测定的压缩性指标有：压缩系数、压缩模量、体积压缩系数、固结系数、次固结系数、前期固结压力、压缩指数、回弹指数、变形模量等； （ 1）压缩系数： 压缩曲线中某一压力范围的割线斜率；通常采用 100kpa-200kpa压力段所得的压缩系数来判定土的压缩性： a1-20.5Mpa-1 属高压缩性 计算公式如下： a1-2=（ (ei-ei+1)/(Pi+1-Pi)） 1000 ei=e0-(1+e0) hi/h0 hi 表示某一级压力下试样稳定后的变形量 mm (减去仪器变形量后的值 ) h0 表示试样初始高度 mm2 土的力学性指标 （ 2）压缩模量： 在无侧向膨胀条件下，压缩时垂直压力增量与垂直应变增