第一章 土工试验.doc

第一章第一章 土工试验土工试验 主要范围包括土的三相组成及物性指标换算 土的粒组划分及工程分类 相对密实度 及界限含水量 土的动力特性与击实试验 土体压缩性指标及强度指标 土工原位测试方 法及相关试验的基本操作规程 1 土的三相组成及物性指标换算 土的三相组成及物性指标换算 土的形成过程 土的形成过程 1 土的生成 地球表面 30 80km 厚的范围是地壳 地壳中原来整体坚硬的岩石 经风化 剥蚀搬 运 沉积 形成固体矿物 水和气体的集合体称为土 不同的风化作用 形成不同性质的土 风化作用有下列三种 物理风化物理风化 风 霜 雨 雪的侵蚀作用 不改变原性质 化学风化化学风化 与水 氧气 二氧化碳等长期共存的化学反应 生成新的矿物质 较细 黏 生物风化生物风化 由于动物 植物 人类的破坏而生成的土 综上所述 就可以给土下一个定义 土土 soil 地壳表层母岩经受强烈物理风化 化学风化 生物风化后产生的块石 漂石 卵石 砂石 碎屑 尘埃的堆积物 统称为土 土体土体 soil mass 土体不是一般土层的组合体 而是与工程建筑的稳定 变形有关的土层 的组合体 土体是由厚薄不等 性质各异的若干土层 以特定的上 下次序组合在一起的 土的三相组成 土中的水分 土的物理性质指标及指标换算土的三相组成 土中的水分 土的物理性质指标及指标换算 土是由固体相 液相 气体三相物质组成 或土是由固体相 液体相 气体相和有机 质 腐殖质 相组成 也可称为四相物质组成 土中的三项体是可以改变的 土随着三项体的变化 土的工程性质也产生变化 固体固体 气体气体 为干土 此时液体为零 粘土坚硬 砂土松散 固体固体 液体液体 气体气体 湿土 粘土为可塑状态 固体固体 液体液体 饱和土 气体为零 此时粉土遇震荡会产生液化 土的三项体形象图 1 土的固体颗粒 研究固体颗粒就要分析粒径的大小及其在土中所占的百分比 称为土的粒径级配 粒 度成分 此外 还要研究固体颗粒的矿物成分以及颗粒的形状 1 1 粒径级配 粒度成分 随着颗粒大小不同 土可以具有很不相同的性质 颗粒的大小通常以粒径表示 工程 上按粒径大小分组 称为粒组 即某一级粒径的变化范围 1 2 划分粒组的两个原则 首先考虑到在一定的粒径变化范围内 其工程地质性质是相似的 若超越了这个变 化幅度就要引起质的变化 要考虑与目前粒度成分的测定技术相适应 2 土中的水分 土中的水分 土中水的存在形式与特性土中水的存在形式与特性 组成土的第二种主要成分是土中水 在自然条件下 土中总是含水的 土中水可以处 于液态 固态或气态 土中细粒越多 即土的分散度越大 水对土的性质的影响也越大 研究土中水 必须考虑到水的存在状态及其与土粒的相互作用 结构水结构水 结晶水结晶水 存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造中的水称为矿物内部结合水 它只 有在比较高的温度 150 240 再高可达到 400 随土粒的矿物成分不同而异 下才 能化为气态水而与土粒分离 从土的工程性质上分析 可以把矿物内部结合水当作矿物颗 粒的一部分称之化学结晶水化学结晶水或化学结构水化学结构水 土的液相是指存在于土孔隙中的水 按照水与土相互作用程度的强弱 可将土中水分 为结合水和自由水两大类 结合水结合水 结合水结合水是指处于土颗粒表面水膜中的水 它因受到表面引力和负电荷的控制而不服 从静水力学规律 其冰点低于零度冰点低于零度 结合水又可分为强结合水和弱结合水 2 12 1 强结合水强结合水在最靠近土颗粒表面 靠干燥的土粒吸附孔隙气体中的水汽而形成 受 到 1 万 2 万个大气压的力紧紧吸附在土颗粒周围而不能移动 水分子和水化离子排列得水分子和水化离子排列得 非常紧密非常紧密 只能靠加温到 105 110 变成水蒸气跑掉 其密度大于其密度大于 1 1 g cm3 3 在 在 1 2 g cm3 3之间之间 并有过冷现象 即温度降到并有过冷现象 即温度降到 0 0 以下不发生冻结的现象 其冰点在以下不发生冻结的现象 其冰点在 78 具 有极大的粘滞弹性和抗剪强度 其性质接近于固体性质接近于固体 2 22 2 弱结合水 弱结合水 在距离土粒表面较远地方的结合水称为弱结合水 由于引力降低 受 到 1 10 个大气压力的约束 吸附在强结合水外层 弱结合水的水分子的排列不如强结合 水紧密 弱结合水可以从较厚水膜或浓度较低处缓慢地迁移到较薄的水膜或浓度较高处 亦即可从一个土粒迁移到另一个土粒 弱结合水可以把土中的盐分水平或垂直向上移动 4 6 米 这种运动与重力无关 这层不能传递静水压力的水定义为弱结合水 当土中含有较多的弱结合水时 土则具有一定的可塑性 可雕塑成任意形状 砂土比 表面积较小 几乎不具可塑性 而粘土的比表面积较大 其可塑性范围较大 弱结合水离土粒表面积愈远 其受到的电分子吸引力愈弱小 并逐渐过渡到自由水 自由水自由水 距离土粒越远也就越失去了土粒的吸附力 可以沿着土粒间的空隙自由流动 所以 称之自由水 包括毛细水毛细水和重力水重力水 3 13 1 毛细水毛细水不仅受到重力的作用 还受到表面张力的支配 能沿着土的细孔隙从潜水 面上升到一定的高度 能溶解土中的盐分 代之迁移 这就是其特点 这种毛细上升对于 公路路基土的干湿状态及建筑物的防潮有重要影响 毛细水毛细水是存在于地下水位以上的透水层中的水 它是由于水与空气交界处的表面张力 作用而产生的 如果把土的孔隙看作是连续的变截面毛细管 根据物理学可知 毛细管直 径越小 毛细水的上升高度越高 因此粘土中的毛细水的上升高度比砂类土要大 在季冻 区 如果地下水位比较高 毛细水可能成为已冻土层中的弱结合水不断补充的水源 而 使冻土层的聚冰体膨胀 造成严重冻胀 使道路和结构物遭到破坏 3 23 2 重力水重力水在重力或压力差作用下能在土中渗流 对于土颗粒和结构物有浮力作用 在土力学计算中应当考虑这种渗流及浮力的作用力 3 土中气体 土中气体 土的孔隙中没有被水占据的部分都是气体 3 1 土中气体的来源 土中气体的成因 除来自空气外 也可由生物化学作用和化学反应所生成 3 2 土中气体的特点 3 2 1 土中气体除含有空气中的主要成分 O2外 含量最多的是水汽 CO2 N2 CH4 H2S 等气体 并含有一定放射性元素 空气中 O2为 20 9 3 2 2 土中气体 O2含量比空气中少 土中 O2为 10 3 土中气体 CO2含量比空气中高很多 空气含量为 0 03 土中气体为 10 土中气体中放射性元素的含量比在空气中的含量大 2000 倍 3 3 土中气体分类 土中气体按其所处状态和结构特点 可分为以下几大类 吸附气体 溶解气体 密闭 气体及自由气体 土中的气体的多少与土的密实状态有关 密闭气体的存在 增加土体的 弹性 减小土的渗透性 这种含气体的土成为非饱和土 3 土的物理性质指标及指标换算 土的物理性质指标及指标换算 由于土的三项体的不断的变换 才引出了土的各项物理性质的不断变化 由于土的三项体的不断的变换 才引出了土的各项物理性质的不断变化 土的基本物理性指标及计算公式土的基本物理性指标及计算公式 指标 名称 符 号 单 位 定 义 公 式 测算方法 比 重 GS 土粒重与 同体积 4oC 水重之比值 直接试验测定 湿密 度 克 厘 米 3 土在天然 状态下单位 体积重量 直接试验测定 干密 度 克 厘 米 3 孔隙中完 全没有水时 土单位体积 重量 饱和 密度 克 厘 米 3 孔隙中完 全充满水时 土单位体积 重量 浮密 度 克 厘 米 3 土在水中 的单位体积 重量 含水 量 W 表示土的表示土的 湿度 其值湿度 其值 为水的重量为水的重量 与土粒重量与土粒重量 直接试验测定 之比之比 孔隙 比 e 土中孔隙土中孔隙 所占体积与所占体积与 土粒所占体土粒所占体 积的比例积的比例 e GS 1 w 1 孔隙 率 n 土中孔隙土中孔隙 体积占土总体积占土总 体积的百分体积的百分 数数 饱和 度 Sr 表示土孔 隙中充满水 的程度 土的物理性质指标 可分为两类 一类是必须通过试验测定的 如含水量 密度和土 粒比重 另一类是可以根据试验测定的指标换算的 如孔隙比 孔隙率和饱和度等 1 土粒密度 是指固体颗粒的质量 ws 与其体积 Vs 之比 即土粒的单位体积质量 2 土的密度 是指土的总质量 w 与总体积 V 之比 也即为土的单位体积的质量 按孔隙中 充水程度不同 有天然密度 干密度 饱和密度天然密度 干密度 饱和密度之分 3 土的含水性 指土中含水情况 说明土的干湿程度 4 土的孔隙性 指土中孔隙的大小 数量 形状 性质以及连通情况 掌握 含水率试验 密度试验 相对密度试验掌握 含水率试验 密度试验 相对密度试验 1 含水量试验 含水量试验 烘 干 法 细粒土 15 30g 砂类土 50g 105 110 烘 8h 6h 65 70 有机土 50g 有机质超 5 烘 12 15h 酒精燃烧法 粘质土 5 10g 砂类土 20 30g 烧 3 次 比 重 法 砂类土 碳化钙气压法 路基土 稳定土 红外线照射法 光源 5 15cm 约 1h 比烘干略大 1 微波加热法 家用微波炉 数分钟 相对误差 1 5 计算至 0 1 含水量 允许平行差 5 0 3 40 1 40 2 层状和网状结构的冻土 3 2 密度试验 密度试验 环刀法 细粒土 电动取土器法 稳定细粒土 硬塑土 允许平行差允许平行差 蜡封法 易破裂土 不规则坚硬土 0 03g cm3 灌水法 粗粒土 巨粒土 灌砂法灌砂法 灌砂法测密度灌砂法测密度 2 1 目的 测定原状土和压实土的密度 并通过标准击实来确定土的压实度 2 2 适用范围 细粒土 砂类土 砾类土 式样的最大粒径不大于 15mm 可测厚度为 150 200mm 粒径大于 15mm 时可采用大直径灌砂筒 结构单位小筒大筒 直径mm100150储砂筒 容积Cm321204600 流砂孔直径mm1015 内径mm100150标定罐 外径mm150250 边长mm350400 盘深mm4050 金属方基盘 中孔直径mm100150 2 3 灌砂筒椎体内砂的质量标定 灌砂筒内装 m1 的砂精至 1g 每次标定 试验不变 开开关 流出一标定罐沙后关上 称量 m5 精至 1g 灌砂筒置于玻璃板上 开关 砂流出 不留后关 称量玻璃板上的砂 精至 1g 重复三次 取平均值为 m2 精至 1g 2 4 标定罐容积 用水确定标定罐容积 置罐于台秤上 读得 m7 精至 1g 放一板尺于罐口 加水 触 尺止 不能流出 去尺 读得 m8 重复测量两次以上 标定罐容积计算 V m8 m7 2 5 标定砂的密度 标定砂的密度灌砂筒内装 m1 的砂 置标定罐上 打开关 砂流出 不流止 关 取 下称量 重复三次 平均值为 m3 精至 1g 标定罐内砂的质量 ma m1 m2 m3 m1 灌砂筒内装 m1 的砂的质量 m2 灌砂筒椎体内砂的质量 m3 灌砂筒内剩余砂 砂的密度 2 6 试验步骤 找一平坦被测表面 清理净 放上基板 在基板中孔挖与中孔径等的洞 深度等于压 实厚度 挖出的土不能丢失 保持湿度装袋 称量称量 mt 侧含水量 将装有 m1 砂的灌砂筒置于平坦的坑面上 开关 砂不流 关 称剩余砂 m4 2 7 结果整理 填满洞所需沙量 mb m1 m4 m2 不放基板 mb m1 m4 m6 m5 放基板 m6 m5 椎体内和基板与地面间砂的总量 m1 灌砂筒内装 m1 的砂的质量 m4 灌砂筒内剩余砂的质量 m2 灌砂筒椎体内砂的质量 试样的湿密度 mt 挖出的土质量 mb 填满洞所需沙量 s 砂的密度 计算土的干密度 2 8 实验记录 2 9 试验报告 比重瓶法 5mm 的土 准确至 0 001g 1 土的相对密度 比重 试验土的相对密度 比重 试验 比重瓶法比重瓶法 1 目的 了解了土的密度和比重 也就了解了土的工程意义 2 定义 单位体积的土重同 40C 条件下同体积水重之比称之比重 3 仪器 比重瓶 容量 100 或 50ml 天平 称量 200g 感量 0 001g 恒温水槽 灵敏度 10C 砂浴 真空泵 温度计 烘箱 蒸馏水 中性液体 等 4 比重瓶校正 以 50C 为一级差 从 5 或 100C 开始 到本地最高温度 称量充满水的 比重瓶及水重比重瓶及水重 精确至 0 001g 5 试验步骤 洗净 烘干的比重瓶 m 精确至 0 001g 中装 12g 烘干的土称量 m 精确至 0 001g 土的质量 ms m m 注入蒸馏水一半 摇动 砂浴中煮沸 砂和低液限粘土 30min 高液限粘土不少 于 1h 别溢出 加水至刻度 称量 瓶 水 土质量 m2 精确至 0 001g 测瓶中水温精确到 0 50C 根据水温 查的要求瓶与水总质量 m1 6 结果整理 土的比重 Gs msGwt m1 ms m2 式中 Gs 土的比重 Gwt 相应温度时水的比重 可查表 精确到 0 001 ms 干土的质量 g m1 瓶加水的总质量 g m2 瓶加水加土的总质量 g m1 ms m2 与干土同体积的液体水的质量 除以上方法外还有 浮称法 5mm 的土 粒径大于等于 20mm 土少于总量的 10 虹吸筒法 5mm 的土 粒径为 20mm 土 总量的 10 浮力法 浮力法 5mm 的土 粒径大于等于 20mm 土少于总量的 10 允许平行差 0 02 2 2 土的粒组划分及工程分类 土的粒组划分及工程分类 了解 粒度 粒度成分及其表示方法 司笃克斯定律了解 粒度 粒度成分及其表示方法 司笃克斯定律 1 粒 粒 度度 土粒的大小通常以其平均直径的大小来表示 简称粒径 又称粒度 2 土的土的粒度粒度成分成分 是指土中各种大小土粒的相对含量 3 粒度成分及其表示方法 表格法 以列表的形式直接表示各粒组的含量 累计曲线法 一般用半对数坐标表示 按对数表示粒径的横坐标 纵坐标为小于某一粒径 累计通过量 三角坐标法 用来表达三种粒组的组成状况 4 司笃克斯定律 司笃克斯定律 球体 土粒 微粒在静水中沉降 其沉降速度与球体微粒 土粒 的 半径平方成正比半径平方成正比 而与介质的粘滞系数成反比介质的粘滞系数成反比 司笃克斯公式司笃克斯公式 U 2r2 s w 9 对于细粒土的分析来说 即是 土粒在悬液中沉降速度与粒径的平方成正比关系 对于细粒土的分析来说 即是 土粒在悬液中沉降速度与粒径的平方成正比关系 熟悉 土粒级配指标 熟悉 土粒级配指标 Cu Cc 土粒大小及粒组划分土粒大小及粒组划分 1 土粒级配指标 土粒级配指标 Cu不均匀系数不均匀系数 衡量颗粒不均匀程度的指标 以小于某粒 径的土重百分比为 60 的相应粒径与土中小于某粒径的土重 百分比为 10 时相应的粒径之比 以 Cu表示 Cu d60 d10 式中 d60 为土中小于某粒径的土重百分比为 60 时相应的粒径 又称限定粒径 限定粒径 d10 为土中小于某粒径的土重百分比为 10 时相应的粒径 又称有效粒径有效粒径 不均匀系数 Cu反映大小不同粒组的分布情况 Cu 5 的土称为匀粒土 级配不良 Cu越大 表示粒组分布范围比较广 Cu 10 的土级配良好 但如 Cu过大 表示可能缺 失中间粒径 属不连续级配 故需同时用曲率系数来评价 曲率系数则是描述累计曲线整 体形状的指标 Cc曲率系数 描写粒度成分累计分布曲线的整体形态指标 反映某粒组是否缺失 以 Cc表示 Cc d302 d60 d10 式中 d30 为土中小于某粒径的土重百分比为 30 时相应的粒径级配状态要靠两个指标来共同 确定 级配良好级配良好 不均匀系数 CU 5 曲率系数 CC 1 3 级配不良级配不良 不同时满足 CU 5 CC 1 3 如果如果 CU 5 时 为匀粒土 级配不良 CU 10 时 称级配良好 2 土粒大小及粒组划分 土粒大小及粒组划分 目前 我国公路建设行业 将粒径由大至小划分为三个粒组六类 一 巨粒组 1 漂石或块石土 2 卵石 碎石 土 二 粗粒组 3 砾石土 4 砂粒土 三 细粒组 5 粉粒土 6 粘粒土 下图更可以明确划分土的种类和土的分界线下图更可以明确划分土的种类和土的分界线 200 60 20 5 2 0 5 0 25 0 074 0 002 巨粒组粗粒组细粒组 砾石 角砾 砂漂石卵石 粗 中细粗中 细 粉土粘土 土 实际上 土常是各种大小不太颗粒的混合体 较笼统的说 以砾石和砂砾为主要组成 的土为粗粒土 也称无粘性土 其特征为 孔隙大 透水性强 毛细上升 高度很小 既 无可塑造性 也无胀缩性 压缩性极弱 强度较高 以粉粒 粘粒 或胶粒 0 002mm 为主的土称为细粒土 也称为粘性土 其特征为 主要由原生矿物 次生矿物组成 孔隙 很小 透水性极弱 毛细上升高度较高 有可塑性 胀缩性 强度较低 掌握掌握 土的工程分类及命名 颗粒分析实验 土的工程分类及命名 颗粒分析实验 1 土的工程分类及命名 土的工程分类及命名 现行 公路土工试验规程 巨粒组 d 60 漂石土 B d 200mm 卵石土 Cb 200 d 60 粗粒组 SI 60 d 0 074 砾类土 G 60 d 2 60 d 20 粗砾 20 d 2 细砾 砂类土 S 2 d 0 074 2 d 0 5 粗砂 0 5 d 0 25 中砂 0 25 d 0 074 细砂 细粒组 F d 0 074 粉质土 M 0 074 d 0 002 粘质土 C d 0 002 特殊土 有机质土 O 黄土 Y 红粘土 R 膨胀土 E 盐渍土 St 级配状态 级配良好级配良好 W 不均匀系数 CU 5 曲率系数 CC 1 3 级配不良级配不良 P 不同时满足 CU 5 CC 1 3 如果 CU 5 时 为匀粒土级配不良 CU 10 称级配良好 液限高低 高液限 H WL 50 低液限 L WL 50 土类的名称可用一个代号表示 如果有两个以上字母代替 则为 第一个字母表示土的主要成分 第二个字母表示液限的高低 或级配好坏 及附属土质 第三个字母表示土中的次要成分 例如 BSl 漂石夹土 SlB 漂石质土 CLS 含砂低液限粘土 MHO 有机质高液限粉土 2 2 土的颗粒分析实验 土的颗粒分析实验 对于粗粒土可以采用筛分法粗粒土可以采用筛分法 而对于细粒土细粒土 粒径小于 0 075 mm 则必须用沉降分沉降分 析法析法测定其粒度成分 筛分法是用一套不同孔径的标准筛把各种粒组分离出来的方法 沉 降分析法是根据土粒在悬液中沉降的速度与粒径的平方成正比土粒在悬液中沉降的速度与粒径的平方成正比的司笃克斯公式司笃克斯公式来确定各粒 组相对含量的方法 颗粒分析试验 颗粒分析试验 筛 分 法 适用于粒径 0 074mm 的土 比重计 密度计 法 适用于粒径 0 074mm 的土 移液管法 适用于粒径 0 074mm 的土 1 5 11 5 1 筛分法筛分法 筛分法 适用于粒径 0 074mm 的土 筛分法的关键问题是 适用于粒径 1 对于无凝聚性土 适宜干筛适宜干筛 首先过 2mm 的筛 如果 2mm 筛下量不超过总量 10 可省略细筛 依次过大于 2mm 的各级筛 否 则 若筛下量大 则用四分法将筛下土分至 100 800g 过小于 2mm 的各级筛 如果 2mm 筛上量不超过总量 10 可省略粗筛 依次过小于 2mm 的各级筛 2 对于含有粘土粒的砂粒土 适宜水筛适宜水筛 碾碎粘土粒 浸泡 搅拌过 2mm 的筛 筛上风干称量进行粗筛分析 筛下的水中过 0 074mm 的筛 筛上烘干细筛 如果小于 0 074mm 的超过总量的 10 可用比重计法或移液管法分析 1 5 21 5 2 比重计法比重计法 比重计法 适用于粒径 0 074mm 的土 1 土样采用风干土 烘箱中 50 风干 碾碎 过 2mm 筛 2 测风干土含水量 3 取计算干土质量 30g 的相应风干土 m ms 1 0 01 ms 30g 干土 4 比重计校正 比重计刻度校正与土粒沉降距离校正 温度校正 比重计刻度 20 时刻制 试验温度不同时需要校正 土粒比重校正 土粒比重以 2 65 为准 比重不同需要校正 分散剂校正 比重计刻度以纯水为准 加分散剂需要校正 5 土样的分散处理 能用分散剂处理的 6 土样 不能用分散剂处理的 如盐渍土 洗盐 7 试验步骤 8 结果整理 3 3 土的相对密度及界限含水率 土的相对密度及界限含水率 了解 天然稠度试验了解 天然稠度试验 土的液限与天然含水率之差和塑性指数之比 称为土的天然稠度 天然稠度可采用直接法和间接法 直接法直接法是按烘干法测定原状土的天然含水率 用稠度公式计算土的天然稠度 间接法间接法是用 LP 100 型液塑限联合测定仪测定天然土体的锥入深度 并由联合测定 结果确定土的天然稠度 熟悉 相对密度熟悉 相对密度 Dr r的基本概念及表达 粘性土的界限含水率 液限的基本概念及表达 粘性土的界限含水率 液限 wL L 塑限 塑限 wP P 缩限 缩限 wS S 塑性指数 塑性指数 IP P 液性指数 液性指数 IL L 1 相对密度相对密度 Dr r的基本概念及表达的基本概念及表达 用孔隙比来判断砂土的密实程度 是最简单的方法 密实度 密实 中密 稍密 松散 砾粗中砂 e 0 60 0 60 e 0 75 0 750 85 细粉砂 e 0 70 0 70 e 0 85 0 850 95 但是 用孔隙比评价砂土密实度也有缺点 没有考虑到级配 引用相对密度则比较全面 砂性土的砂性土的 相对密度相对密度 relative density 最大孔隙比与天然孔隙比之差和最大孔隙比与 最小孔隙比之差的比值 Dr emax e emax emin 式中 e 为土的天然孔隙比 emax为土的最大孔隙比 emin为土的最小孔隙比 该指标对无粘性土密实度的评价标准是 Dr 0 即 e emax时 表示砂土处于松散状态 Dr 1 即 e emin时 表示砂土处于紧密状态 土样处于松散状态时孔隙比最大 emax 土样受振或捣实时孔隙比最小 emin 土体处于天然 状态时孔隙比 e Dr 一般用小数或百分比表示 分级 相对密实度 Dr 标准贯入平均击数 N63 5 密实 1 Dr 0 67 30 50 中密 0 67 Dr 0 33 10 29 稍松 0 33 Dr 0 20 5 9 极松 0 2 Dr 0 5 2 粘性土的界限含水率 液限粘性土的界限含水率 液限 wL L 塑限 塑限 wP P 缩限 缩限 wS S 塑性指数塑性指数 IP P 液性指数 液性指数 IL L 界限含水量 Atterberg limits 粘性土从一种状态转到另外一种状态的分界含水量 称阿太堡含水量 粘性土的界限含水量分别为液限 塑限和缩限 液限 liquid limit 土由可塑状态转变到流动状态时的界限含水量 用符号 wL表 示 塑限 plastic 土由半固态转变到可塑状态时的界限含水量 用符号 wp表示 缩限 土由固态转变到半固态状态时的界限含水量 用符号 ws表示 工程上常用的有液性界限 wL和塑性界限 wp 缩限 ws区分土的状态 塑性指数 plasticity index 液限与塑限的差值 绝对值 无百分号 即土处在 可塑状态的含水量变化范围 由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各 种重要因素 因此 在工程上常按塑性指数对粘性土进行分类 因此 通过液限和塑性指 数可区分软土 因为这二者决定了粘性土分类标准的塑性指数 用符号 Ip表示 Ip wL wp 塑性指数 塑性指数 IP 17 为粘土 为粘土 17 IP 10 为粉质粘土 为粉质粘土 IP 10 为粉土或砂类土为粉土或砂类土 塑性指数综合反映了土的颗粒大小 矿物成分 是土的分类指标 试验指出 Ip与粘性土 中土粒的组成 粘粒的含量及矿物成公有关 土粒越细 粘粒含量越高 则其比表面积越 大 此时 粘性土中结合水含水量就越高 Ip随之增大 从矿物成分看粘土中蒙脱石含量 越高 塑性指数就越大 液性指数 liquidity index 粘性土中天然含水量与塑限的差值和塑性指数之比 表明土的稠度状态表明土的稠度状态 用符号 IL表示 IL w wp wL wp w wp IL 液性指数是反映土稠度的指标 粘性土根据液性指数值划分为坚硬 硬塑 可塑 软塑及 流塑五种状态 即 下表 按液性指数划分粘性土的稠度状态表 液性指 数 IL IL 00 IL 0 250 25 IL 0 750 751 00 稠度状 态 坚硬硬塑可塑软塑流塑 掌握 砂土相对密度测试 界限含水率试验掌握 砂土相对密度测试 界限含水率试验 1 砂性土相对密度试验 砂性土相对密度试验 一 一 仪器设备仪器设备 量筒 500mL 1000mL 两种 后者内径大于 6cm 长颈漏斗 颈的内经约 1 2cm 颈口磨平 锥形塞 直径约 1 5 cm 的圆锥体镶于铁杆上 砂面抚平器 电动最小孔隙比仪 若无有可用振动仪和击锤 锤重 1 25kg 高 15 cm 直径 5 cm 代之 金属容器两种 容积 mL 内径 cm 高度 cm 250 5 12 7 1000 10 12 7 台秤 感量 1g 二 实验步骤 1 最大孔隙比的测定 取有代表性的试样 1 5kg 充分风干 碾碎 拌匀 将锥形塞杆自漏斗下口穿入 提起 使椎体堵住漏斗管口 一起放入 1000ml 量筒至底 称取试样 m1 700g 精确至 1g 均匀倒入漏斗中 提高漏斗与塞杆 不堵死 距砂面 1 2 cm 能使砂土均匀下漏于量筒中 试样漏完后 提出漏斗和塞子 抚平砂子 读出体积 精致 5mL 用手掌或塞子堵住量筒口倒转 并轻轻转动后 回到原位抚平 读数 反复数次 读 最大值 精致 5mL 取大体积值 Vmxa 以便计算最大孔隙比 2 最小孔隙比的测定 取有代表性的土样 4kg 按上法处理 分三次倒入容器振击 先取试样 600 800g 数量应振击后比容积多 1 3 倒入大容器 中 用振动仪以 150 200 次 min 振打容器两侧 同时以 30 60 次 min 速度锤击表面 体 积不变止 约 5 10min 一般粗砂少 细砂多 可用电动最小孔隙比仪震动 按上述方法进行两次加土振击 第三次先安套环再加土振击 取下套环 修平体积 Vmin 称量 m2 准至 1g 计算最小孔隙比 三 结果整理 计算干密度 min m1 Vmxa max m2 Vmin 式中 max min 最大 最小干密度 g cm3 Vmxa Vmin 试样最大 最小体积 cm3 m1 m2 试样重量 g 计算孔隙比 emax WGs min 1 emin WGs max 1 式中 emax emin 最大 最小空隙比 W 4 水的密度 g cm3 Gs 土的比重 2 计算相对密度 Dr emax ed emax emin Dr d min max max min d 式中 Dr 砂性土的相对密度 ed 砂土或填土的天然空隙比 d 砂土或填土的自然干密度 g cm3 计算相对密度 精确至计算相对密度 精确至 0 01 进行两次平行试验取平均值 密度误差不超过密度误差不超过 0 03g cm3 四 实验报告 1 砂类土的鉴别分类和代号 2 砂类土的最大 最小空隙比 3 砂类土的相应空隙比 4 砂的相对密度值 5 确定砂性土的密实状态 2 界限含水率试验 界限含水率试验 液限塑限联合测定法 适于粒径 0 5mm 有机质含量 5 滚搓法塑限试验 适于粒径 0 5mm 有机质含量 5 缩限试验 适于粒径 0 5mm 有机质含量 5 液限蝶式仪法 10mm 处自由下落 25 次合拢 13mm 土槽 结果精确到结果精确到 0 1 平行差 高液限 2 低液限 1 液限塑限联合测定法液限塑限联合测定法 A 试验目的 测定土的液限塑限 划分土类 计算天然稠度 塑性指数 液性指数 供工 程设计与施工使用 B 适用范围 本试验适用于小于等于 0 5mm 的土 有机含量小于总质量的 5 C 主要仪器 LP 100 型液限塑限联合测定仪 锤重 100 克 椎角 30 度 盛土杯 直径 5cm 深度 4 5 cm 天平 称量 200g 感量 0 01g 标准筛 孔径为 0 5mm 等 D 试验步骤 1 准备工作 将有代表性的天然土或者风干土的颗粒研细 过 0 5mm 的筛 取筛下有代表性土 200 g 分别放入三个盛土皿中 分别加入不同数量的蒸馏水 水量分别控制在液限 a 点 略大于塑限 c 点 二者之间 b 点 分别调匀 盖上湿布 放 置 18h 以上 测定控制椎入度 a 点 液限 20 0 2mm c 点大于塑限的锥入深 为 5mm 以下 砂 类土可大于 5mm 将制备的土样拌均 分层装入盛土杯 压密 刮平 2 试验工作 用光电或数码测定仪 先接通电源 调平 提椎 显零 锥头涂抹凡士林 放式样于升降座上 调升 锥头刚好接触土样 灯亮止 此时锥体自动下落 5s 时自动停 读数显示椎入深度 试验毕 按复位 椎体复位 读数为零 重复一次 间距大于 1mm 椎入深度误差为 0 5mm 取平均值为椎入深度 测定不同土样的含水量 对其他两个土样同样测其椎入深度 含水量 E 结果整理 以含水量为横坐标 圆锥下沉深度为纵坐标 在双对数坐标纸上绘制 h 关系曲线 三点应在一直线上 当三点不在一直线上的 通过高含水量的点与其余两点连成两条直线 在 hp L曲线上查得 hp的值 在 ab 及 ac 线上查出下沉深度为 hp相应的二个含水量 当两 个含水量的差值小于 2 时 应以该两点含水量的平均值与高含水量的点连一直线 当两 个含水量的差值大于 等于 2 时 应重做试验 在含水量与圆锥下沉深度的关系图 h 上 查得下沉深度为 20mm 所对应的横坐 标的含水量即为该土样的液限含水量 L 对于细粒土可用下式计算塑限入土深度 hp hp L 0 524 L 7 606 对于砂类土可用下式计算塑限入土深度 hp hp 29 6 1 22 L 0 017 2L 0 0000744 3L也可以查图 根据计算或查图得的 hp 值 再查 h 图 对应的 hp 值的含水量为塑限含水量 p值 塑性指数应按下式计算 式中 Ip 为塑性指数 L 为液限含水量 p 为塑限含水量 F 试验报告 土的鉴别分类和土的代号 液 塑限联合测定法界限含水量试验的记录 包括工程编号 试样编号 盛土器编号 试样含水量和相应的锥体下沉深度 查得的液限 塑限和计算的塑性指数 4 4 土的击实 土的击实 了解 击实的工程意义 击实的试验原理了解 击实的工程意义 击实的试验原理 1 通过击实测得土的最大干密度 最佳含水率来指导路基土的压实 使工程用土 控制在最佳含水率 才能使工程用土达到接近最大干密度 才具有一 定强度 2 通过击实使土粒重新排列 使土中气体被紧缩的土体挤出 而增加了土粒间的 相互嵌挤力和摩擦阻力 对于细粒土更加密实 而增加了土分子间的 引力 最佳含水率条件下土中水由自由水向结合水转化 而使土体具 有一定的强度 熟悉 土的击实特性 影响压实的因素熟悉 土的击实特性 影响压实的因素 土的击实特性土的击实特性 1 击实曲线有一个峰值 说明土体只有在某个特定值 最佳含水率 条件下才 能被击实至最大干密度 2 当土偏干时 含水率的变化对土的干密度的影响要比土偏湿时更为明显 3 土的击实曲线必然为饱和曲线的左下侧 因为击实作用不能将土中封闭气体 排出 即击实土也不可能达到完全饱和状态 4 不同土类的击实特性不同 粗粒土越多 最大干密度越大 而最佳含水率越 小 影响压实的因素影响压实的因素 1 含水率对土的压实影响最大 严格控制最佳含水率是压实的关键 2 击实功对最佳含水率和最大干密度有一定影响 击实功越大 土的干密度越 大 而最佳含水率越小 3 不同的压实机具对压实也各不相同 普通钢轮压路机和羊角碾 震动压路机 压实效果也各不相同 也是压实功不同 4 土类和土的级配不同对土的压实也不同 掌握 最大干密度 最佳含水率 击实试验掌握 最大干密度 最佳含水率 击实试验 击实试验击实试验 锤重 落高 内经 高 容积 层数 击次 功 最大粒径 轻型 I1 2 5 30 10 12 7 997 3 27 598 2 25 I2 2 5 30 15 2 12 2177 3 59 598 2 38 重型 II1 4 5 45 10 12 7 997 5 27 2687 0 25 II2 4 5 45 15 2 12 2177 3 98 2677 2 38 1 实验目的 测定土的最佳含水量和最大干密度 用以指导土的压实生产 增加土基 的承载能力和耐久性 2 实验步骤 土样的制备 a 一般情况下 四分法取风干土 小筒 3kg 大筒取 6 5kg b 最少取五分 含水量以 2 递增 都拌合均匀 闷一夜 击实试验 a 一夜后分三或五层装筒 按规定量 装一层击一层 拉毛 b 击实完成后削平 称量 得湿土重 计算得湿密度 c 取样侧含水量 d 计算干密度 试验记录 五个土样有五个含水量 对应五个干密度 3 绘制击实曲线 找出最大干密度和对应的最佳含水量 击实曲线击实曲线 通过对五个以上同一种土样 不同含水量的土进行标准击实 而得出不同含水 量 对应一个干密度 绘制一个以含水量为横坐标 以干密度为纵坐标的具有一个峰值的 光滑的 能确定最大干密度和最佳含水量的曲线 4 按空气体积等于零的不同含水量下 含水量与干密度的曲线由下式计算 5 将饱和曲线绘于击实曲线图右上侧 当试样中有大于 25mm 小筒 或 38mm 大筒 不超出 30 时 筛除 做击实 得 最大干密度 最佳含水量 还需进行校正 5 5 土体压缩性指标及强度指标 土体压缩性指标及强度指标 了解 压缩机理 有效应力原理 与强度有关的工程问题 三轴压缩了解 压缩机理 有效应力原理 与强度有关的工程问题 三轴压缩 试验 黄土湿陷试验 回弹模量试验 试验 黄土湿陷试验 回弹模量试验 1 压缩机理 压缩机理 由于土是固体颗粒的集合体 具有碎散性 因而土 的压缩性比钢材 混凝土等材料大得多 并有如下两个特点 土体的压缩变形主要是由于空隙的减小而引起的 土是三项体 被土体的压缩变形主要是由于空隙的减小而引起的 土是三项体 被 压缩的包括三部分 压缩的包括三部分 土粒固体部分的压缩 土中空隙水的压缩 土中气体压缩和挤出 饱和土的压缩需要 一定时间才能完成 2 有效应力原理 饱和土体所受到的总应力为有效应力与孔隙水压力之和 称为有效有效应力原理 饱和土体所受到的总应力为有效应力与孔隙水压力之和 称为有效 应力原理或有效应力概念 土的变形和强度只随有效应力而变化 因此 只有通应力原理或有效应力概念 土的变形和强度只随有效应力而变化 因此 只有通 过有效应力分析 才能准确确定土的变形和安全度 过有效应力分析 才能准确确定土的变形和安全度 3 与强度有关的工程问题 与强度有关的工程问题 土的稳定问题 土的稳定问题 路基边坡 堤坝等稳定 土的压力问题 挡土墙 地下结构物受土压力 土的压力问题 挡土墙 地下结构物受土压力 承载力问题 房屋地基 路基承载力 承载力问题 房屋地基 路基承载力 4 三轴压缩试验 相对无侧限抗压试验而言 即有侧限压缩试验 三轴压缩试验 相对无侧限抗压试验而言 即有侧限压缩试验 5 黄土湿陷试验 相对下沉细数试验 自动沉陷系数试验 湿陷起始力试验 黄土湿陷试验 相对下沉细数试验 自动沉陷系数试验 湿陷起始力试验 湿陷性 collapsibility 指土在自重压力作用下或自重压力和附加压力综合作用下 受 水浸润后结构迅速破坏而发生显著的附加下陷的特征 5 回弹模量试验 测定土基强度的试验回弹模量试验 测定土基强度的试验 6 4 36 4 3 回弹模量试验回弹模量试验 室内 承载板法 适用于不同湿度和密度的细粒土 强度仪法 适用于不同湿度和密度的细粒土和加固土 试验准备 1 土样的制备 同承载比试验相同 2 通过击实法测定土的最大干密度和最佳含水量 3 测定风干土的含水量 4 试件的制备 同承载比试验相同 试验步骤 1 安装试样于仪器上 承载板置于中央 架设千分表 2 预压 用预估最大单位压力 p 预压 进行 1 2 次 每次 1min 3 预压量 含水量大于塑限土 p 50 100kPa 含水量小于塑限土 p 100 200kPa 4 将预定单位压力均分成 4 6 分 作为每级加载压力 5 加载 1min 记录千分表读数 lji 同时卸载 1min 记录千分表卸载读数 lxi 6 逐级加载卸载 加载的最后一级可大于预估荷载 1 2 级 或回弹变形超过 1mm 时可 停 7 最初两级荷载可是每级的 1 2 结果整理 1 计算每级荷载下回弹变形 l lji lxi 2 以单位压力 p 为横坐标 以回弹变形 l 纵坐标 绘制 p l 曲线 3 计算每级荷载下的回弹模量 4 土体的回弹模量 试验报告 误差要求 结果与均值之差不大于 5 6 4 4 承载板法土基回弹模量测定 现场 承载板法土基回弹模量测定 现场 设备 后轴重不小于 60kN 设有加劲横梁的载重车 测试装置 千斤顶 测力计 球座 百分表 荷载板等 承载板 30cm 路面弯沉仪 贝克曼梁 百分表 表架各两个 其它 准备工作 1 选点 水平 均匀 有代表性 无杂物 2 原地找平 个别坑洼细砂找平 不能全漫 3 载重车倒进测点 加劲梁中点对准选点 4 对准加劲梁中点下放承载板 校正水平 5 安装整个测试装置 球座 千斤顶 应力环于承载板正中 6 两个弯沉仪测头分别落在承载板两侧立柱上 架设百分表 调零 试验步骤 1 千斤顶加载预压 0 05MPa 1min 卸载 1min 稳定表调零 2 逐级加载 稳 1min 读数 卸载 稳 1min 读数 反复至回弹变形为 1mm 止 3 初期加载小于 0 1MPa 时 可逐级加 0 02MPa 以后可以为 0 04MPa 4 根据情况可以适当调成整数 5 两弯沉仪读数之差应小于平均值的 30 否则重做 变形计算 1 回弹变形 L 2 LJ LX 式中 LJ 加载后弯沉仪读数平均值 LX 卸载后弯沉仪读数平均值 2 总变形量 L 2 LJ L0 式中 LJ 加载后弯沉仪读数平均值 Lo 初始加载前弯沉仪读数平均值 总影响量 最后一级卸载后 取走千斤顶 重读初读数 c 汽车开出 10m 以外 读终读数 c 读数差的平均值为总影响量 a 熟悉 室内压缩性试验与压缩性指标 先期固结压力熟悉 室内压缩性试验与压缩性指标 先期固结压力 P 与土层天然固结状态判断 强度与土层天然固结状态判断 强度 指标指标 c CBRCBR 的概念的概念 1 室内压缩性试验与压缩性指标室内压缩性试验与压缩性指标 室内压缩性试验是研究土压缩性的基本方法 研究土体一维变 形特性的测试方法 通常 压缩 描述的是非饱和土体 固结 描述的是饱和土体 试样放于压缩器中 分级加压 记录不同时间压缩变形 直到 变形量趋于一个稳定的标准值为止 绘制压强与变形曲线 从而求得 压缩指标 压缩系数 压缩模量 压缩指数 体积压缩系数 压缩模 量的倒数 2 先期固结压力先期固结压力 P 与土层天然固结状态判断与土层天然固结状态判断 土层曾受过最大固结压力 称为先期固结压力 P 目前这种先 期固结压力还被用来判断天然土层的固结状态 即 超固结状态 常固结状态 欠固结状 态 原状土的先期固结压力原状土的先期固结压力 的确定的确定 取原状土做室内高压固结试验 绘出e log 曲线 在e e log log 曲线的转折点处 找出相应最小曲率半径的点 o 过 o 点作该曲线的切线 ob 和平行于横坐标的水平线 oc 作 boc 的分角线 od 延长e log 曲线后段的直线段与 od 线相交于 a 点 则 a 点所对 应的有效固结压力 即为该原状土的前期固结压力 适用于 饱和的粘质土 只压缩时可以用非饱和土 3 3 强度指标强度指标 c 反映土的抗剪变化的规律 反映土的抗剪变化的规律 4 CBR 4 CBR 的概念的概念 CBR 又称加州承载比 是用于评定路基土和路面材料的强度指标 试验方法有 室内法 室外法 落球式快速测定法 CBR 指贯入试样 2 5mm 时 单位压 力对标准碎石灌入量时标准强度的比值 掌握 固结试验 直接剪切试验 无侧限抗压强度 承载比 掌握 固结试验 直接剪切试验 无侧限抗压强度 承载比 CBR 试验 试验 1 固结试验 固结试验 单轴固结仪法 试验目的 测定土的单位沉降量 压缩系数 压缩模量 压缩指数 回弹指数 固结系数 原状土的先期固结压力 压缩系数压缩系数 表示单位压应力作用下 而引起的土体的孔隙比的变化称为土的压缩系数 其 表示式为 压缩指数压缩指数 同样是反映土的压缩性能的一项指标 与压缩系数一样 其值越大 土的压缩 性越高 其表示式为 2 直接剪切试验 直接剪切试验 粘质土的慢剪试验 测定粘质土抗剪强度指标 剪速 0 02mm min 粘质土固结快剪试验 渗透系数小于 10 6 cm s 粘性土剪速 0 8mm min 粘质土的快剪试验 渗透系数小于 10 6 cm s 粘性土剪速 0 8mm min 砂类土的直剪试验 砂类土 直接剪切试验直接剪切试验 这是一种快速有效求抗剪强度指标的方法 一般工程 中普遍使用 直接剪切仪分为应变控制式和应力控制式两种 前 者是等速推动试样产生位移 测定相应的剪应力 后者 则是对试件分级施加水平剪应力测定相应的位移 目前 我国普遍采用的是应变控制式直剪仪 该仪器的主要部 件由固定的上盒和活动的下盒组成 试样放在盒内上下 两块透水石之间 试验时 由杠杆系统通过加压活塞和 透水石对试件施加某一垂直压力 然后等速转动手轮 对下盒施加水平推力 使试样在上下盒的水平接触面上产生剪切变形 直至破坏 剪应力 的大小可借助与上盒接触的量力环的变形值计算确定 为了近似模拟土体在现场受剪的排水条件 直接剪切试验可分为快剪 固结快剪和固结 慢剪三种方法 快剪试验是在试样施加竖向压力 后 立即快速施加水平剪应力使试样剪 切破坏 固结快剪是允许试样在竖向压力下充分排水 待固结稳定后 再快速施加水平剪 应力使试样剪切破坏 慢剪试验则是允许试样在竖向压力下排水 待固结稳定后 以缓慢 的速率施加水平剪应力使试样剪切破坏 3 3 无侧限抗压试验无侧限抗压试验 a 测试试件在无侧限条件下 抵抗轴向压力的极限强度 b 适用于测定饱和软粘土的无侧线抗压强度和灵敏度 灵敏度 原状土无侧线抗压强度与重塑土无侧线抗压强度之比 用 St表示 式中 为原状土样的单轴抗压强度 为重塑土样的单轴抗压强度 结构性越强的土 灵敏度越大 原状土无侧限抗压试验原状土无侧限抗压试验 A A 土样的制备 土样的制备 一般土样直径 d 40mm 高 h 10cm B B 试验步骤试验步骤 制备好的土样称重 精确到 0 1g 剩余土测含水率 用游标卡尺测量高度 h 测量试件 上 中 下三个直径 d1 d2 d3 计算直径 d d1 2d2 d3 4 试件底面 侧面涂抹凡士林 将试件放于允许膨胀压缩下加压板上 转动手轮 使加压板刚接触试件 测力计归零 以轴向应变 1 3 速度转动手轮 0 06 0 12mm min 试验在 8 20min 内完成 应变在 3