路基工程试验检测作业指导书

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第一节土工试验概述

一、土的形成及土工试验的重要性

土是岩石分化的产物（火山灰除外）。岩石暴露在大气圈

内，由于风、霜、雨、雪以及温度升降变化的影响，裂隙中

积水结冰等原因（物理风化），使岩石崩解成块。其大小从块

石到黏粒皆有，其外形因圆顺或有棱角而不同，但它的化学

成分与母岩相同。这些碎块再与水、二氧化碳、氧气接触（化

学风化）以及受生物作用（生物风化），其粒径变得更小，与

母岩化学成分也有所不同的物质。这些由风化作用形成的沉

积物或未经固结的松散集合体，在工程上统称为土。

由于土在形成过程中所受的风化作用不同，使它具有不

同的沉积形式。土的主要成因类型有残积、坡积、洪积、冲

积、湖积、冰积和风积。

从工程观点来看，土具有颗粒特性。颗粒与颗粒之间的

黏结强度远较土粒本身的强度低，甚至没有黏结性。根据土

粒之间有无黏结性大致可将土分为砂类土（砾石、砂）和黏性

土两大类。

自然界的土与工程大体可归纳为三个方面：作为建筑物

或构筑物地基；作为土工构筑物（路堤、堤坝等）填料；作为

构筑物的周围介质。在这些应用中，土与建筑物、构筑物产

生着相互作用。例如：用于地基，会出现地基的变形和稳定

问题；用作填料，会产生土的压实和变形问题；作为周围介

质（渠道、土中隧道、地下洞穴等）需要考虑土的渗流及抗渗

稳定性等。研究这类问题，涉及到土的强度、压缩性、密实

性以及渗透性等，都需要研究土的颗粒特性和力学性能，通

过土工试验确定颗粒特性和力学性能指标。这些指标也是评

价地基和优选填筑土料的必备数据。在研究不良地基处理方

案时，实测试验指标更是优选技术措施的重要依据。

由此可见，从认识土性，利用土体到改良土体，换句话

讲，无论是研究岩土工程问题，或是解决岩土工程问题，土

工试验皆是必不可少和至关重要的工作。它的重要性表现

在：测试指标失真，不仅使按此设计的工程失稳甚至于破坏,

就是造成财力、物力的浪费。另外，土工试验成果因试验方

法和试验技巧的熟练程度的不同，会有较大的差别。这种差

别远大于计算方法所引起的误差。为了使土工试验比较正确

地反映实际土的性状，要求试验人员必须了解和掌握以下五

方面的情况：

▲试验的目的和所依据的原理。

▲使用的仪器设备性能，操作方法。

▲试验应获得哪些数据、分析出什么结论。

▲试验中的注意事项、误差的初步分析。

▲分析试验设计与实际问题的联系。

具体地说，要求试验人员既要学习和理解试验原理，又

要训练和掌握试验方法，并能熟悉和正确使用仪器设备。概

括为三句话，就是要具有基本理论，基础知识和基本技能。

在此基础上，向测试技术的深度和广度发展。

二、土工试验项目

土工试验一般分为室内试验和现场原位测试两部分。

1.室内试验

从现场采取具有代表性的原状或扰动土样，送至试验室

进行测试。一般常规的项目包括以下内容：

（1）土的物理性能试验：包括含水率、密度、颗粒密度、

界限含水率、颗粒分析、渗透、击实等试验。试验成果可分

别用于土的工程分类、土的状态判定、渗透计算、填土工程

施工方法的选择和质量控制。

（2）砂的相对密度试验：包括砂的最大和最小孔隙比试

验，由此确定砂的相对密实度，可作为判断砂疏密状态的指

标。

（3）土的变形试验：包括固结、压缩、湿陷性和膨胀性

等。这些试验可为设计提供变形参数，即：压缩系数、压缩

模量、体积压缩系数、压缩指数、回弹指数、前期固结压力、

固结系数、湿陷系数、自重湿陷系数、膨胀率、膨胀力等指

标。

（4）土的强度试验：包括直接剪切试验、反复直接剪切

试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验等。这些试验可

为设计提供抗剪强度指标参数（黏聚力、内摩擦角）、无侧限

抗压强度、灵敏度等。用以计算地基、边坡及挡土墙等的稳

定性，必要时用以计算地基承载力。

(5)土的化学性试验：包括黏土矿物鉴定、有机质和盐

渍土试验等。黏土矿物成分是决定土的物理、化学性质的重

要因素；有机质试验可测得土中的有机质含量，供研究其特

性或供施工选择土料之用；盐渍土指土中易溶盐含量大于

5%的土。随着其含量多寡和类别的不同，土的物理力学性

质将有不同程度的改变，进行盐渍土试验，提供相应的指标,

作为地基评价、采取工程措施或选料决策的依据。

2.现场原位测试

原位测试就是在土原来所处的位置基本保持土的天然

结构，天然含水率以及天然应力状态测定土的性能。它与勘

探一取样一室内试验相比，有以下优点：

(1)可以测定诸如砂土、流动淤泥层、贝壳层、破碎带

等采样时不可避免会扰动的土层的工程性质。

(2)避免采样过程中应力释放的影响。

(3)原位测试的土体体积比室内试样大，因此代表性也

大。

(4)可缩短勘探周期。

但原位测试也有不足之处，主要表现在以下几个方面：

(1)各种原位测试都有其适用条件，如使用不当则会影

响其效果。

(2)有些原位测试所得参数与土的工程性质的关系往

往是建立在统计经验关系上，难以从理论上解释。

(3)影响原位测试效果的因素较为复杂(如周围的应力

场、排水条件等)，使得对测定值的准确判定造成一定困难。

(4)原位测试中的主应力方向往往与实际工程问题中

的主应力方向并不一致。

因此，土的室内试验与原位测试各有其独到之处，在全

面研究土的各种性状中，两者不能偏废，而应相辅相成。

3.原位测试常用的方法

(1)静力载荷试验(简称载荷试验)：包括平板载荷试

验、螺旋载荷试验、桩基载荷试验、动载荷试验等。试验成

果应用于确定地基承载力、变形模量；预估建筑物沉降量;

计算地基土的固结系数、不排水剪切强度；确定单桩（垂直、

横向）承载力。本章后边介绍K30平板载荷试验、E”动态平

板载荷试验均是平板载荷试验的变种。

（2）静力触探试验：适用于软土、黏性土、砂类土及含

少量碎石的土层，常用于划分土层界面、土类定名，确定地

基承载力和单桩极限荷载、判别砂土和饱和粉土液化可能性

及测定地基土的物理力学参数等。

（3）动力触探试验：适用于黏性土、砂类土和碎石类土。

利用动力触探测试资料，可以确定砂土、碎石土密实度及地

基土的承载力；评定土的抗剪强度及变形模量等。

（4）标准贯入试验：适用于一般黏性土、粉性土和砂类

±o本试验可判定砂土密实程度或黏性土的塑性状态判别饱

和砂土、粉土的液化等。

（5）十字板剪切试验：适用于测定饱和黏性土的不排水

抗剪强度及灵敏度等参数。

三、土的工程分类

自然界的土是在各种不同的成土环境中形成的。土的矿

物成分和所经历的年代不同，工程性质的差别很大。在实际

工程应用中，正确的评价土的工程性质，对土进行工程分类,

作为工程设计及施工选料等的依据。

一般地，工程土可按下列几种标准分类：

1.按地质成因分类：残积土、坡积土、洪积土、冲积

土、海积土、湖积土、淤积土、风积土和冰积土等。

2.按沉积年代分类：

（1）老黏土一第四纪晚更新世S3）及其以前沉积的，具

有较高的结构强度和低压缩性。

（2）一般黏土一第四纪全新世（Q4）沉积的黏性土。

（3）新近沉积的黏性土一近代文化期沉积的，一般为欠

压密的，结构性较差。

3.按堆积碎屑物粗细（颗粒级配）分类：碎石类土、砂

土、粉土和黏性土。

4.按塑性指数分类一适用于黏性土。

5.按塑性图分类一适用于砾、砂及私黏性土。

6.按地区和工程地质分类的特殊土，如黄土、红黏土、

膨胀土、软土、盐渍土、多年冻土、填土等。

四、土的组成及基本物理指标

1.土的固体、液体和气体

土中固体的矿物颗粒构成骨架，其间布满孔隙。孙隙中可

能全部为水或空气所充满，为二相体，在多数的情况下，孔

隙中水和空气各占一部分，则呈为三相体。这种组成部分的

改变决定于周围的条件，如压力、温度和湿度的变化，三相

之间量的比例关系和相互作用，决定着土的物理力学性质。

(1)土的固体颗粒

1)砂类土

砾石、卵石和各种砂土的颗粒主要由原生矿物所组

成。母岩中原有的矿物成份如石英、长石、云母等，它们在

物理风化作用下，形成大小为0.05~200mm的各种颗粒。颗

粒形状多为浑圆的，间或带有棱角。这些矿物是憎水性的，

与水的相互作用并不显著。

2)黏性土

黏性土的矿物颗粒主要由次生矿物组成。原生矿物中一

部分可溶解的成分，经雨水淋溶以后，被流水带到其他地方

沉积下来，形成可溶性的次生矿物，如方解石、白云石、石

膏等。另外，还有一些残留部分，形成新的不可溶解的次生

矿物，如高岭石、蒙脱石、伊利石等，它们是各种黏性土的

主要组成部分。这三种黏土矿物因含量上的差异，构成了不

同性质的黏性土。

高岭石：具有坚固的不活动的骨架，晶体构造比较稳定,

故吸水性能较差，压缩性和膨胀性都很小，但透水性较大。

蒙脱石：具有互相对称的晶格且为层状结构，相邻层组

之间由于电荷相同，故层与层之间结合力较小，水易渗入其

中，引起土的剧烈膨胀。同时在晶格内部，低价元素可以交

换高价元素，形成额外晶格缺陷，因而加大了土对水的吸收

能力。由于蒙脱石具有这些特点，所以它的吸水性、膨胀性、

压缩性都很大，但透水性却很小。

伊利石：矿物晶格与蒙脱石相似，但由于钾离子分布于

层与层之间，可以加强层间的稳定性。所以，伊利石的物理

性质介于高岭石和蒙脱石之间。

黏土矿物颗粒粒径在0.001~5um之间，颗粒呈鳞片状,

具有很强的亲水性（其中高岭石较弱，蒙脱石最强）。因颗粒

很细，故颗粒之间产生了很大的吸引力，将一部分水紧紧地

吸附在颗粒表面，水不能自由移动，并且具有抵抗变形的能

力。这是黏性土区别于砂性土的显著标志之一。

（2）土中水及其性质

土中水是影响土工程性质的主要因素，土中水具有以下

几种形态：

1）吸附水

吸附水紧紧吸附在颗粒表面，它的性质与普通水有很大

的差别。由于高岭石、蒙脱石、伊利石颗粒表面一般带有负

电荷，对水有很大的静电作用，所以能将约0.003un厚度水

吸附在其表面。吸附水的密度在1.2〜2.0之间，冰点在

-78℃,并具有很大的黏滞性、弹性和塑性，这种水在地球

引力下不移动，只有在105-500C温度下用烘干的方法才能

从土的颗粒表面逸出。

2）薄膜水

在吸附水的外层，由于距离黏土颗粒表面较远，故被颗

粒吸引的程度要弱些。当两个相邻薄膜水的厚度不同时，较

厚的水膜会向较薄处移动。薄膜水也具有一定的黏滞性和可

塑性。吸着水和薄膜水的存在是黏性土具有可塑性的根本原

因。薄膜水在105〜500C时可从土中逸出。

3）孔隙水

孔隙水远距颗粒表面，可以认为不受静电力的影响，可

以自由移动。其中一部分位于地下水位以下，受重力作用在

孔隙中自由移动，并对土产生浮力，称为“重力水”。还有

另一部分位于地下水位以上的土孔隙中，称为“毛细水”。

孔隙水在80~105c时即可从土体中逸出。

（3）土中气及其性质

土体中存在一定量的气体，如空气，也可能还有沼气等

其他气体。它们可能是与大气相通的，也可能是封闭的。当

气体与大气相通时，土体受到压力后，气体可被排出到土体

之外；反之，由于气体与大气不相通，气体不能被排除到土

体之外，这样土就具有特殊的弹性特性；由于土体不能与大

气相通，从而孔隙中水也不能受压排除到土体之外，因而土

体受外力作用时，其变形过程延长。土体中气体的存在远较

土全中水对土质影响为小，但在特殊情况下，也会严重影响

土的工程性质。如封闭气体的存在，就会降低土的透水性和

产生弹性变形等。

2.土的基本物理指标及换算关系

土是由固体颗粒、水分和空气三相组成。其中每种成分

的质量、体积的相对比例有所增减，都会引起土的物理力学

性质的变化。图9-1是土的三相图。

V:土的总体积（cn?或n?）Vs:土的固体颗粒的体积（e?或n?）

施：孔隙（包括水及气体部分的体枳cm3或以）VM.:水所占据的体枳（e?或n?>

%:空气的体积（cd或d）m；土样的总质量（g）码,：土的'【体质・，一般m.-0

m.:土中水的质敏（g）m.:土中固体颗粒的质

图9T土的三相图

人们比较关心土的物理指标为密度、颗粒密度、含水率、

孔隙比、孔隙率及饱和度。其中密度、颗粒密度和含水率可

以直接测量，而其他的三个指标需通过其他指标经计算求得

的。

(1)密度P

单位体积土的质量(包括孔隙中水的质量在内)称为土

的密度(g/cn?)。

m

9-1

式中：P：密度；

m：质量；

v：体积。

当土的结构比较松散，孔隙中水分较多时，密度就小；

结构紧密，水分较少时，密度就大。泥炭、沼泽土的密度只

3

有1.40-1.60g/cmo生成年代较早的密实黏土，可达2.00〜

3

2.20g/cmo

工程设计中还经常用到饱和密度Psr、浮密度P'和干密

度Pd、等指标，它们均是土体在不同状态下的密度。

(2)孔隙率n

土中孔隙体积与全部体积之比称为孔隙率(％)O

V

〃=，xlOO%

V

9-2

式中：n：孔隙率；

V：土体体积(加)。

孔隙比与孔隙率之间存在着式(9-3)或式(9-4)的关系。

100xe

n----------

l+e

9-3

n

e二-------------

100

9-4

(3)饱和度Sr

土中水分所占体积与全部孔隙所占体积之比，称为饱和

度(%)。

s=1^x100%

r匕

9-5

式中：Sr：饱和度;

Vw：土体中水的体积（cm，）。

第二节含水率试验

一、试验目的

土的含水率是指土在105〜110C温度下烘干至恒量时

所失去水的质量与干土质量的比值。以百分数表示。

含水率是土的基本物理指标之一。它反映了土的干、湿

状态。土的含水率是计算干密度、孔隙比、饱和度、液性指

数等指标的基本数据和评价土的工程性质的重要依据，是研

究土的物理力学性质的重要指标。

二、试验方法

含水率的试验方法较多，由于烘干法试验简便，结果稳

定，故以此法作为测定含水率的标准方法。如果测试条件不

能满足采用烘干法或需快速测定含水率时，可分别用如下方

法：

・酒精燃烧法：适用于不含有机质的砂类土、粉土和黏

性土。

・碳化钙减量法：本方法的原理是用过量碳化钙与土中

游离水混合接触产生化学反应，生成乙快气体。根据乙快气

体逸出失去的质量，计算求得土的含水率。

此方法适用于各类土。

・核子射线法：适用现场原位测定填料为细粒土和砂类

土的含水率。

有机质土的烘干温度在65~70℃。烘干步骤为：

(1)在真空干燥箱中烘7h；在电热干燥箱中烘18h,

(2)按规定时间烘干后，取出称量盒，盖好盒盖，放

人干燥器内冷却至室温时称干土质量。

(3)含水率试验应进行两次平行测定，取两次平行试

验结果的算术平均值为最终试验结果，两次测定的差值应符

合规范要求。

(4)按下式计算试样的含水率(计算至0.1%):

3=(nix/nid-l)X100%9-6

式中：/：含水率；

nu：湿土质量(g);

md：干土质量(g)。

第三节密度试验

一、试验的目的和方法

土的密度是质量密度的简称，指单位体积土体的质量，

即土的总质量(in)与其体积(V)之比，以符号P表示，单位为

g/cm3o重力密度(重度)由于涉及到作用于质量上的重力，

所以表示为单位体积的力，以符号丫表示(重度原称容重)，

单位为kN/cn?。两者有以下的换算关系：

Y=gXp=9.81Xp^10Xp

9-7

土的密度是土的基本物理性指标之一，用它可以换算土

的干密度、孔隙比、孔隙率等指标。在工程设计中，主要用

于判断土的工程性质、计算土压力、土体稳定性及地基压缩

时的沉降量等。

测定土的密度常用的方法主要有。

・环刀法：适用于粉土和黏性土。

•蜡封法：适用于环刀难以切削并且易碎裂的土。

・灌砂法、灌水法、气囊法：适用于砾类土。

・核子射线法：适用于砂类土、黏性土。

下面仅介绍环刀法、灌砂法、核子射线法。

测定土体密度的难度在于测定土体的体积，环刀法、蜡

封法、灌砂法等均是针对测定土体体积进行的。

二、环刀法

环刀法测定土体密度的原理在于，用确定体积的环刀切

削土体，使在尽量少的扰动下，使土灌满环刀，从而达到测

定密度的目的。

1.试验所用主要仪器设备和器具

(1)环刀：目前常用的环刀内径为61.8±0.15mm和79.8

土0.15mm两种，高度为20土0.016mm。环刀的质量、容积

须定期校验。

(2)天平：称量500g,分度值0.1g；称量200g,分度值

0.Olgo

(3)其他：切土刀、钢丝锯等。

2.主要试验步骤

(1)在环刀的内壁涂上一薄层凡士林，刀口向下放在土

样上，垂直下压环刀，同时旋转切削土样至环刀从土样另一

端伸出为止。用钢丝锯或切土刀去掉环刀周围的土，使环刀

与土柱分离，然后削去环刀两端的多余土(用做含水率试

验)，并将环刀两端修平。

(2)将环刀与所切土同时称量，然后再称环刀质量，从

而称得试样质量，准确至0.1g。

(3)应进行两次平行测定，其平行差值不得大于

3

0.03g/cmo

(4)按式(9-8)和式(9-9)分别计算土的湿密度和干密

度。

夕=攻

%

9-8

式中：P：土的湿密度(g/cm%

m0：湿土的质量(g)；

V刀:环刀体积(加)。

9-9

d1+0.013

式中：Pd：干密度(g/cn?)。

3：含水率(％)。

三、灌砂法

利用在确定的灌入状态下，砂的密度(可以在相同灌入

条件下事先测得)不会发生变化的原理，测定试坑中砂子质

量，从而计算试坑的体积，达到测定土体密度的目的。

1.试验所用主要仪器设备和工具

(1)灌砂法密度测定仪：如下图9-2所示。

1容砂瓶2螺纹接头3阀门

4灌砂漏斗5底盘

图9-2灌砂法密度测定仪

(2)天平：称量10kg,分度值5g；称量500g,分度值

0.Igo

(3)其他：小铁锹、小铁铲、盛土容器等。

2.标准砂密度测定

(1)选取一定量的粒径为0.25-0.50mm,密度为1.47〜

1.61g/cnf的洁净干燥砂。

(2)称量组装好的密度测定仪质量(m)。

(3)将密度测定仪竖立(漏斗向上)，向容砂瓶内注满清

水(用小玻璃板封口，以玻璃板下气泡最小为准)，称测定器

和水的质量(叱)，同时测记水温。再重复测定两次。将三次

测定结果换算为该温度下水的体积，三次结果最大差值不得

大于3ml,取三次测定值的平均值作为密度测定仪容砂瓶的体

积。

(4)按上述步骤将水换为标准砂，测定标准砂充满容量

瓶后密度测定仪和标准砂的质量(mJ。

(5)按式(9-10)计算容砂瓶的容积

Vx二血2-mJVw

9-10

式中：vr：容砂瓶体积(ml)；

m2：密度测定仪和水的质量(g)；

m1；密度测定仪的质量(g)；

k：每克水的体积(ml/g)。

不同温度下，水的密度不同，在计算密度测定仪容砂瓶

容积时，要根据测定时的温度使用不同的水的密度，其值见

表9-1。

表9-1不同温度下每克水的体积

水潟(°。)12.1416IS2022

每克水体积(ml)1.000481.000731.001031.001381.001771.002

水温(℃)2426283032

每克水体积(ml)1.002681.003201.003751.004351.0049

按式(971)计算标准砂的密度:

式中：Ps：标准砂的密度；

m3：测定仪和标准砂的质量。

3.测定灌满漏斗所需标准砂的质量

⑴将标准砂灌满容砂瓶，称测定器和标准砂的质量

(m3)o

将测定器倒置于洁净的平面上(漏斗朝下)，打开阀门，

待砂停止流动后迅速关闭阀门，称剩余砂和测定器质量(叫)，

计算流失砂的质量(mJ。

(2)按式计算灌满漏斗所需标准砂的质量：

m5=m：-ni4(9-12)

式中：皿：剩余砂和测定器质量；

m5：灌满漏斗所需标准砂质量。

4.灌砂法试验要点

(1)将测定仪倒置(漏斗朝下)于整平的地面上，沿灌砂

漏斗外缘画一轮廓线，在所画轮廓线内挖坑，试坑大小应根

据土的最大粒径确定，见表9-2。

(2)将挖出的土全部装入容器称出湿土总质量，同时取

代表性试样测定含水率。

表9-2试坑最小体积和测定含水率试样质量

土的最大粒径I试坑尺寸(nun)「则定含水率应取试样质量(GI

(mm)直径高度

5〜25150200100

25〜50200250300

(3)将容砂瓶内充满砂，称标定器和标准砂质量(1T13),将

测定器倒置(漏斗朝下)于挖好的坑口上(如坑口土质较松

软，要采用底板。当使用底板时，应把底板空洞视为灌砂漏

斗的一部分)，打开阀门，使标准砂流人试坑内，当砂停止

流动时关闭阀门，称测定器和剩余砂质量(m6)。

(4)按式(9-13)计算充满试坑所需砂质量：

==-

m7ni3—nis-nie913

式中：m6：灌满试坑后测定仪和剩余砂质量(g)；

m7：灌满试坑所需标准砂质量(g)。

(5)按式(9-14)、式(9-15)计算密度和干密度：

P="9-14

m7

式中：m：试坑内土的质量(g)。

_m

Pd一叫(1+0.01W)X.

9-15

式中：m：试坑内土的质量(g)。

四、核子射线法

核子射线法广泛用于路基填土压实工程中检测土的密

度和含水率。核子湿度密度仪的原理是根据不同密度的土对

丫射线（艳137-丫源，半衰期为33.2年）的反射，间接地求

出该材料的密度；根据土中游离水中的氢离子对中子（媚

241/皱中子源，半衰期为458年）的反射，测出氢离子含量,

进而推算出游离水的含量，即计算出含水率。

1.试验所用主要仪器设备

核子湿度密度仪：由主机和附件组成。

（1）主机：由放射源、探测器、微处理器、测深定位装

置等组成，见图9-3所示。

1放射源2探测器3微处理器4测深定位装置

图9-3核子湿度密度仪示意图

放射源:艳137-丫源，辐射活性3.7x108Bq媚241/

被中子源，辐射活性1.85x109Bqo

・探测器：盖革一密勒计数管，接收Y射线；氢一3探

测管，接收中子射线。

・微处理器：将探测器接收到的射线信号转换成数据，

并经运算后显示检测结果。

•测深定位装置：将放射源放置到预定的测试深度。

（2）附件：标准块、导板、钻杆、充电器。

（3）技术指标：

・测量范围：含水量0〜0.64g/cm3；密度

1.12-2.73g/cm3o

3

・准确度:含水量±0.004g/c水密度±0.004g/cmo

•仪器应按《核子湿度密度测试仪检定规程》（JJG128

一91）检定合格，检定周期两年。

2.试验要点

（1）标准计数和统计试验：将标准块放在坚硬的材质表

面，按规定将仪器放置在标准块上，仪器手柄设置在安全位

置。周围10m以内无其他放射源，3m以内的地面上不得堆放

其他材料。按下启动键，开始进行标准计数或统计试验。操

作人员应退到离仪器2nl以外区域。当仪器发出结束信号后,

检查含水量、密度的标准计数或统计分析结果，如果其数值

在规定的范围内，即可开始检测。

（2）输人设定参数

1）测量计数时间（不宜小于30s）o

3

2）选择计量单位g/cn?或kg/mo

3）密度、含水量的偏移量，当无偏移量时输人“0”。

4）测点记录号。

(3)平整被测材料表面，必要时可用少量细粉颗粒铺平,

然后用导板或钻杆造孔。孔深必须大于测试深度，孔应垂直,

孔壁光滑，不得坍塌。

(4)按规定方法将仪器就位，并将放射源定位到预定的

测试深度，按下启动键开始测试，操作人员退到离仪器2m

以外的区域。

(5)当仪器发出结束信号后，储存或记录检测结果，并

将放射源退回到安全位置。

⑹试验误差应满足以下规定要求：本试验在同一测点,

仪器在初始位置进行第一次读数，然后将仪器绕测孔旋转

180°进行第二次读数，含水量及密度应分别取两次读数的

平均值。其含水率的允许平行差值应符合规范的规定；密度

的平行差值不应大于0.03g/cm:io如果两次测定的平行差值

(含水率或密度)超过允许差值，则应将仪器再绕测孔旋转到

90°和270°的位置进行两次读数，取其四次读数的算术平

均值。

(7)干密度和含水率按式(9-16)和式(9-17)计算:

1）干密度：

Pd=P-Psw9-16

式中：P：湿密度（g/cnf）；

Pa：干密度（g/加）；

PS"：含水量（单位体积土中水的质量）（g/cnf）。

2）含水率：

co='=*9-17

P-AwPd

式中：3含量水（％）,计算至0.1%。

第四节颗粒密度试验

一、试验目的和方法

1.方法概述

土的颗粒密度是指土体内固体颗粒的质量与颗粒体积

之比值,单位g/cm3。

粒径大于5mm的砾石、碎（卵）石等粗颗粒，因颗粒间存

在空隙。空隙又分封闭的与敞开的两部分，当浸水时，开敞

部分为水所填充，封闭部分则不能浸人。因此，粗颗粒土颗

粒密度通常以下列三种方法表示：

(1)视密度(也称表观密度)：土粒干质量与土粒实体积

(包括固体颗粒和封闭空隙体积)的比值。它与细粒土的颗粒

密度在实用上是一致的，因为一般指的空隙，事实上是指能

被水充填的空隙。通常情况下，粗粒土的颗粒密度就是指视

密度。

(2)毛体积密度：土粒干质量与土粒总体积(包括固体颗

粒、封闭空隙和开敞空隙全部体积)的比值。

(3)饱和面干密度(简称表干密度)：当土粒呈饱和面干

状态时的土粒总质量与土粒总体积的比值。

颗粒密度是计算孔隙比、孔隙率、饱和度等指标的重要

数据o毛体积密度用于击实试验中对超粒径(25mm或220mm

或240mm,颗粒在5%~30%)土的最大干密度校正及计算粗颗

粒填料压实后的孔隙率。

土的颗粒密度试验按土粒的不同粒径可分别采用：

(1)量瓶法：适用于粒径小于5mm的土。

(2)浮称法：适用于粒径等于或大于5mm的土，且其中

粒径大于20mm的土质量应小于土总体质量的10%o

(3)虹吸管法：适用于粒径等于或大于5mm的土，且其

中粒径大于20mm的土质量应等于或大于土总体质量的10%o

(4)如果土含有小于和大于5mm的颗粒.，则应分别用

量瓶法和浮称法或虹吸筒法测定不同粒径的颗粒密度，并按

加权平均计算土的平均颗粒密度：

2.量瓶法

(1)试验所需主要仪器设备和器具

①量瓶：容积100(或50)mLo

②天平：称量200g,分度值0.001g。

③恒温水槽：准确度士1.0℃。

④砂浴：应能调节温度。

⑤温度计：测量范围0~50C,分度值0.5C。

⑥真空抽气设备。

⑦其他：烘箱、纯水或中性液体(煤油)等。

(2)量瓶校正

①将量瓶洗净，烘干后称其质量，准确至0.001g。

②将煮沸经冷却的纯水（或抽气后的煤油）注人量瓶，对

长颈量瓶注水（油）至刻度处，对短颈量瓶注水（油）至毛细管

口。将量瓶放入恒温水槽直至瓶内水（油）温度稳定。取出量

瓶，擦净外壁，称瓶、水（油）总质量，准确至0.001g。测定

恒温水槽内水温，准确至0.5℃。

③按5℃间隔调节恒温水槽内水的温度，测定不同温度

下的瓶、水（油）总质量。每个温度需进行两次测定，平行差

值不大于0.002g,取两次测值的平均值。绘制温度与瓶、水

（油）总质量的关系曲线，如图9-4所示。

瓶加水质斌（g）

图9-4温度和瓶、水质量关系曲线

（3）试验要点

①在烘干的100ml量瓶内装人试样15g（50mL量瓶装

10g）,称量瓶和试样质量，准确至0.001g。

②向已装有试样的量瓶内注人半瓶纯水，摇动量瓶，并

放在砂浴上煮沸，煮沸时间：砂性土不少于30min,黏性土不

少于60mino煮沸后为防止瓶内悬液溢出，应随时注意调节

砂浴温度。

③将煮沸并冷却的纯水注入装有试样悬液的量瓶（液面

高度与量瓶校正时相同），并放置于恒温水槽内，直至温度

稳定，瓶内悬液上部澄清，取出量瓶，擦净外壁，称量瓶、

水、试样总质量，准确至0.001g。测定量瓶内的水温，准确

至0.5℃。

④根据测得的温度，从已绘制的“温度与量瓶和水总质

量关系曲线”中查得量瓶和水的总质量。

⑤如试样含有可溶盐、亲水性胶体或有机质，需用抽气

法以中性液体（如煤油）为介质进行测定。抽气时真空压力表

读数须接近lOOkPa,抽气时间1〜2h。

⑥按式（9T8）计算颗粒密度：

9-18

式中：P：颗粒密度（g/cm3）,计算至中Olg/cn?；

nid：试样干质量（g）；

mPw：量瓶和水（油）的总质量（g）；

mpws：量瓶，水（油）和土的总质量（g）；

Pg在T（℃）时水（油）的密度（g/cm3）o

3.浮称法

（1）试验所需主要仪器设备和器具

①铁丝框:孔径小于5mm,边长10〜15cln,高10〜20cm。

②天平：称量2000g,分度值0.2g。

③盛水容器：尺寸应能适合铁丝框沉入。

④其他：烘箱、温度计、孔径5及20mm筛等。

（2）试验要点

①选取有代表性的试样500^1000g清洗干净，浸入水中

24h后取出，将试样放在湿毛巾上擦干表面，即得饱和面干

试样，称其质量征）。

②将铁丝框浸人水中，称铁丝框在水中的质量（mJ,如图

9-5所示。

③将已知质量的饱和面干试样全部放入铁丝框中，缓缓

浸没于水中，并在水中摇晃至无泡溢出为止，称铁丝框和试

样在水中的总质量(m2),测定盛水容器内水温，准确至

0.5℃o

④取出铁丝框中的全部试样烘干，并称烘干试样质量

(md)o

1平衡效码2盛水容器3盛粗粒土的丝筐

图9-5浮称天平

⑤按公式(9-L9),(9-20),(9-21)和(9-22)计算颗粒密

度(PS)、毛体积密度(Pa)、饱和面干密度(Pb)和吸着含

水率(Wx)o

A=

一加

md-(m21)

9-19

一四一X..

PaAr

mh-(m2-)

9-20

mb

4K-(牡-叫产)

9-21

M=1-1)x100%

9-22

4.虹吸管法

(1)试验所需主要仪器设备和器具

①虹吸筒：见图9-6

1虹吸筒2虹吸管3橡皮管4管夹5址筒

图9-6虹吸筒示意图(单位：cm)

②台秤：称量10kg,分度值1g。

③量筒：容积2000ml。

④其他：同浮称法。

二、空隙率计算方法

孔隙率为：土的孔隙体积与总体积的比值，以百分数表

zj\O

〃=&100%9-23

v

式中：n:孔隙率；

3

Vv：土的孔隙体积(cm)；

V：土的总体积(cm3)o

由孔隙率定义式可推导出如下实用计算公式：

勺=（i-&）xioc%9-24

A

%=（i-8）xioc%9-25

Pa

式中：n1；用颗粒密度计算求得的孔隙率；

n2：用毛体积密度计算求得的孔隙率；

3

Pd：土的干密度（g/cm）;

Pa：土的干密度（g/cm3）

当土中既有粒径大于5mm的土颗粒,又含有粒径小于5mm

的土颗粒时，工程中一般采用平均颗粒密度，取粗细颗粒密

度的加权平均值。对这类土的孔隙率宜采用土的平均颗粒密

度计算。《秦沈客运专线粗粒土压实检测方法讨论会》会议

纪要（秦沈总指（2000）48号）提出：“对于砾石土，碎石类

土和级配碎石，由于粒径小于0.1mm的颗粒成分较少，宜

采用毛体积密度计算孔隙率，并作为控制压实度的指标之

一。”土的颗粒密度（Pa）和土的毛体积密度（Pd）可按本章

17.6相应方法测试。

土的干密度（Pa）应按本章的密度试验和本章的含水率

试验相应方法测定湿密度和含水率，并计算求出干密度。

第五节液限、塑限试验

一、试验目的和方法

液限是土呈可塑状态的上限含水率，是从可塑状态过渡

到流动状态的界限含水率；塑限是土呈可塑状态的下限含水

率，是土从可塑状态过渡到半固体状态的界限含水率。液限、

塑限之差为塑性指数，表示豁性土呈可塑状态时含水率的变

化范围，标志着土的可塑程度。液塑限的大小，反映了土的

工程性质，是划分土的类别及评价工程性质的重要指标，是

黏性土物理性质的必测项目。

液塑限试验适用于粒径小于0.5mm的黏性土。

测定液、塑限的方法有圆锥仪法、碟式仪法、液限塑限

联合测定法；测定塑限的方法有搓条法、液、塑限联合测定

法。我国采用的圆锥仪法有两种：一种是圆锥仪质量76g,

锥角300,自锥尖起17mm,10mm处有刻度，当入土深度刚好

到17mm,10mm刻度线时，测定试样的含水率，此含水率即为

土的液限，分别称为17mm液限和10mm液限；另一种是公路

土工试验采用的圆锥仪，质量为100g,锥角30°,锥体人士

深度为20mm测定的含水率为液限。它和上述76g锥人土深

度17mm的液限基本相等。与76g锥人士10mm的液限换算关

系为：

式中：W'L：100g锥入土深度20mm时的液限(％)；

W'L：76g锥入土深度10mm时的液限(%)；

76g锥入土深度171nm和100g锥人土深度20mm测定的液

限与美国ASTM标准(碟式液限仪测得的液限)是等效的。因

此，76g锥人士深度对应的含水率是确定界限含水率液限的

标准。76g下沉10mm时测得的强度比下沉17mm时测得的强

度高几倍。实际上，10mm液限不是土的真正液限。但现行国

家标准《建筑地基基础设计规范》(GB5007-2002)＞行业标

准《铁路工程岩土分类标准》(TB10077-2001)都采用76g锥,

入土深度10mm的液限计算塑性指数和液性指数，对黏性土

进行工程分类，以及确定黏性土承载力值。实际使用中应区

别17mm液限和10mm液限的含义和用途，避免发生混淆。

二、液、塑限联合测定法

1.试验所需仪器设备和器具

(1)液塑限联合测定仪：包括读数显示器(有光电式、游

标式、百分表式)、圆锥仪(质量76g,锥角30。)、试样杯(直

径40〜50mm,高30〜40mm)。

(2)天平:称量200g,分度值0.01g。

(3)其他：烘箱、干燥器、称量盒、调土刀等。

2.试验要点

(1)按下沉深度3〜5mm,9〜11mm及16〜18mm制备不同

稠度的土膏，静置湿润后，填满试样杯，放于联合测定仪升

降座上。

(2)接通电源，让电磁铁吸住圆锥仪，调整零点和升降

座，使圆锥仪尖刚好接触土面。电磁铁断电，圆锥仪在自重

作用下，落人试样中，经5s后测读下沉深度。取出试样测

定含水率。重复上述步骤，再测定另外两个不同稠度试样的

圆锥仪人士深度和含水率。

(3)在双对数坐标纸上以圆锥下沉深度(h)为纵坐标，以

含水率(w)为横坐标，绘制h-w关系曲线。三点应连成一条

直线，如三点不在一条直线上，则通过高含水率这一点与其

余两点连成两条直线，在圆锥下沉深度2nmi处可查得相应的

两个含水率，如果这两个含水率的差值小于2%,用该两点含

水率平均值的点与高含水率的点连成一条直线。从直线上查

得下沉深度为17mm所对应的含水率为液限,下沉深度为10mm

所对应的含水率为10mm液限，下沉深度为2mm所对应的含

水率为塑限。若两个含水率的差值大于2%,则应重做试验。

(4)按公式(9-27),(9-28)计算塑性指数和液性指数。

IP=W-WP9-27

二丝心29-28

叱,

式中：IP：塑性指数；

L.,：液性指数；

WP：塑限(%)；

WL：液限(%)；

W：天然含水量(％)。

三、碟式仪法液限试验

1.试验用仪器设备和器具

(1)碟式液限仪：由土碟、支架及底座组成，并配专用

划刀。

(2)天平:称量200g,分度值0.01g。

(3)其他：同联合测定法。

2.试验要点

(1)调整铜碟底与底座间距为10mm。

(2)在铜碟前半部放人制备好的试样，制成水平状，使

其厚度为10mm。用划刀自蜗心轴中心沿铜碟直径将试样划开

成“V〃型槽。

(3)转动手柄，速率为每秒两转，使铜碟上下起落至沟

槽两边试样在振动下合拢约13mm时为止，记录此时的击数。

(4)用4〜5个不同含水率的试样重复进行试验，槽底试

样合拢所需的击数宜在15—35之间。

(5)测定各击次下试样的相应含水率。

(6)在单对数坐标纸上以含水率为纵坐标，以击数为横

坐标，绘制含水率与击数关系曲线，曲线上击数25次所对

应的含水率。即为该试样的液限。

四、搓条法塑限试验

将土调至接近塑限状态(揉捏不沾手)，取8〜10g在毛

玻璃板上用手掌轻轻滚搓，手掌要均匀适宜地施加压力在试

样上，土条不能有空心现象。当土条直径达3nlm时产生裂缝

并开始断裂，取直径符合3mm断裂土条3〜5g测定含水率，

此含水率即为塑限磷。试验应进行平行测定，平行差值与本

章17.4含水率试验的平行差值相同。

第六节颗粒分析试验

一、试验目的和方法

土是由大小不同，形状各异的颗粒组成的集合体，为研

究土的颗粒组成，将工程性质相近的颗粒归并为一类，称为

粒组。将士按颗粒大小分成不同粒组的过程，称为颗粒分析

试验。根据颗粒组成进行分类，可粗略地判定土的透水性，

可塑性，收缩及膨胀等物理性质。颗粒大小分析试验的结果

是级配曲线。在颗粒级配曲线上，可以找到颗粒含量小于

10%,30%,60%粒径分别为九,d30,d6oodio称为有效粒径,对

砂性土而言，九越小，它的透水性越低；黏性土的九越小,

土的可塑性越高，且膨胀性显著。d6。为控制粒径。这三个指

标组成粗粒土的级配指标。

不均匀系数G=决

曲率系数G=—人

4ox4o

不均匀系数Cu越小，级配曲线越陡，表明土颗粒越均匀，

反之，则说明土颗粒组成越不均匀；曲率系数Cc反映土颗粒

分布范围。根据工程经验，当CW5时，属级配均匀的土，

C>5时，属级配不均匀的土。当曳二1〜3时属级配良好，否

则，是级配不良的。根据此来判定级配的优劣情况。

目前，颗粒分析的主要方法有：

(1)筛析法一一适用于粒径0.075~60nlm的土。

(2)密度计法或移液管法一一适用于粒径小于0.075mm

的土。

当土中含有粒径大于和小于0.075mm的颗粒，各超过

10%时，应联合筛析法和密度计法或移液管法。

二'筛析法

筛析法是将土样通过各种不同孔径的筛子，将大小颗粒

按筛的孔径逐级加以分组，分别计算出各粒组质量占总质量

的百分比，从而分析土的颗粒级配情况。

1.试验所需主要仪器设备

(1)粗细筛各一套：粗筛，筛孔直径为分别为

60mm,40mm,20mm,10mm,5mm,2mm；细孔筛筛孔直径分别为

2.0mm,1.0mm,0.5mm,0.25mm,0.75mmo

(2)天平：称量5000g,分度值lg。称量1000g,分度值

0.lg,称量200g,分度值0.01g。

(3)振筛机。

(4)其他：烘箱，瓷盘、研钵等。

2.试验要点

(1)将土样风干，碾散，拌匀，用四分法按表9-3取代

表性试样。

(2)将试样先过2mm筛，分别称筛上和筛下的试样质量。

当筛下的试样质量小于试样总质量的10%时，不作细筛分

析；筛上的试样质量小于试样总质量的10%时，不作粗筛分

析。

表9-3筛析法取样数量

土粒粒径

<2<10<20<40<60

(mm)

取样数量300〜1000〜2000〜

100—3004000以上

(g)100020004000

(3)将2mm筛上和筛下的试样，分别倒入依次叠好的粗

筛和细筛的最上层，分别进行筛析。筛后依次称各筛上留下

的试样质量。各级筛上及底盘内试样质量总和与试验前试样

质量的差值，不得大于试样总质量的1%0

(4)对含有钻土粒的砂性土，应先将试样在水容器内加

水搅拌，使试样充分浸润，粗细粒分离后过2mm筛。筛上试

样烘干后称其质量后进行粗筛分析。筛下试样悬液用带橡皮

头的研柞研磨后过o.075mm筛，将筛上试样烘干称其质量后

进行细筛分析。

(5)如粒径小于0.075mm试样质量大于试样总质量的

10%时，则应将这部分细颗粒用密度计法或移液管法测定其

小于0.075mm的颗粒组成。

(6)按公式(9-29)计算小于某粒径的试样质量占试样总

质量的百分比。

x=»d.9-29

式中：X:小于某粒径的试样质量占总质量的百分比(％);

g：小于某粒径的试样质量(g)；

mB：细粒分析师为所取试样质量，粗粒分析时为

总质量(g);

dx：粒径小于2mm的度样质量占总质量的百分比

(%)，计算粒料各级所在质量百分比时，取100%。

(7)绘制颗粒级配曲线：在单对数坐标纸上，以小于某

粒径的试样质量占试样总质量的百分比为纵坐标，颗粒粒径

为横坐标绘制颗粒大小分布曲线。

三、密度计法

密度计法是根据司笃克斯定律测定的。利用土壤密度计

通过测量不同深度处悬液的密度和土粒沉降的距离来计算

不同粒径所占的百分比。

1.试验所用的主要仪器设备

(1)密度计：甲种一-刻度为-5〜50,分度值为0.5。刻

度值表示在20c时1000ml悬液内所含干土质量；乙种-一

刻度为0.995〜1.020,分度值为9002。刻度值表示20℃时

悬液的密度。

(2)量筒:容积1000mL刻度0〜1000ml,分度值为10mlo

(3)细筛和洗筛(孔径0.075mm)。

(4)天平：称量1000g,分度值0.1g,称量200g,分度

值0.01g。

(5)其他：搅拌器、温度计、煮沸设备、秒表、锥形瓶

等。

2.试验要点

(1)取相当于30g干土质量的风干土或天然湿度的土倒

入三角烧瓶中，加纯水约200mL,浸泡过夜，然后置于煮沸

设备上煮沸40mino

(2)将煮沸冷却的悬液过0.075mm洗筛。取筛上试样烘

干，称量、进行细筛分析，并计算各级颗粒占试样总质量的

百分比；将筛下悬液全部倒入量筒，加入4%六偏磷酸钠

1000mL,再加入纯水至1000mLo

(3)用搅拌器在悬液中上下搅拌Imin,取出搅拌器，立

即开动秒表，将密度计放人悬液中，测计

0.5,1,5,30,120,1440min时的密度计读数，同时测定每次读

数时的悬液温度。密度计读数以悬液面上缘为准，甲种密度

计准确至0.5,乙种密度计准确至0.0002。

(4)按公式(9-30)或(9-31)计算小于某粒径试样质量占

试样总质量的百分比：

1)甲种密度计：

X=—xCsx(R+mr+n+CD)

9-30

式中：X：小于某粒径的试样质量百分比（％）,计算至

0.1%；

Old：试样干质量（g）；

Cs：颗粒密度校正值；

IHT：悬液温度校正值；

Co：分散剂校正值；

n：弯液面校正值；

R：甲种密度计读数。

2）乙种密度计：

io（y

X=—工[4-l）+mT+n-CD]pw20

9-31

式中：Vx：悬液体积（=1000ml）；

Cs：颗粒密度校正值；

啊：悬液温度校正值；

3：分散剂校正值;

n'：弯液面校正值；

R'：乙种密度计读数；

3

A,o：20℃纯水的密度(=0.998232g/cm)。

(5)按式(9-32)计算试样颗粒粒径：

d=⑶-,,

A-AITx9.81xf皿

\Pw

9-32

式中：d：土粒粒径(mm),计算至0.001mm；

rj：水的动力学黏度(=10-6kPa.s);

A：颗粒密度(g/cm3);

p-：T℃时的水密度(g/cm3);

Pw：4℃时的水密度(g/cm3);

L：某一时间内土粒沉降距离(mm)；

t：沉降时间(s)。

⑹颗粒级配曲线绘制同筛析法。

四、移液管法

移液管法也是根据司笃克定律的原理计算出某种粒径

的颗粒自液面下沉到一定深度所需的时间，在此预计的时间

内用移液管自该深度处取出固定体积的悬液。烘干悬液中水

分，然后称干土质量，从而可计算出该粒径土粒的百分比。

1.试验所需主要仪器设备

(1)移液管：容积25mL；

(2)烧杯：容积50mL,,

(3)天平:称量200g,分度值0.001g。

(4)其他：与密度计法相同。

2.试验要点

(1)制备土的悬液同密度计法。

(2)将装置悬液的量筒置于恒温水槽中至悬液温度稳

定，测定悬液温度。并按公式(9-32)计算粒径小于

0.05,0.01,0.005,0.002mm和其他所需粒径下沉一定深度需

要静置的时间(或从相应《土工试验规程》中查土粒沉降时

间表)。

(3)用搅拌器在悬液中上下搅拌1min,取出搅拌器并开

动秒表，按计算的不同时间在悬液面下1cm深处用移液管取

出25矶悬液，移人烧杯内蒸发、烘干，称干试样质量。

（4）按公式（9-33）计算小于某粒径的试样质量占总质量

的百分比X：

x='&x匕xioc%9-33

Vxmd

式中：vx：悬液总体积（二1000ml）；

V：吸取的悬液体积（=25ml）；

mx：吸取251nl悬液中试样干质量（g）；

md：干试样质量（g）o

（5）绘制颗粒级配曲线的方法与筛析法相同。

第七节击实试验

一、试验的目的和方法

土作为路堤填筑材料，就需要对土的压实性进行试验。

由于土质、含水率及压实的工艺不同，土的压实效果也会不

一样。为了提高土体的强度，降低路堤土体的可压缩性和渗

透性，改善其工程性质，控制现场施工质量，均需在室内模

拟现场施工条件，在给定的击实功的条件下，求得干密度与

含水率的关系，从而求出压实填土所能达到的最大干密度和

相应的最优含水率。击实试验的目的就是利用标准化的击实

仪器和规定的标准方法，测出土的最大干密度及最优含水

率，达到控制施工的目的。

二、试验所需主要仪器设备

1.击实仪：由击实锤、击实筒、护筒组成。

2.推土器。

3.天平：称量200g,分度值0.01g。

4.台秤：称量15kg,分度值5g。

5.标准筛：孔径5mm,20mm,40mm。

6.其他：碾土设备、切土刀、称量盒、烘箱等。

三、试验要点

1.试样制备：分为