公路水运工程土工试验讲义二

公路水运工程土工试验讲义二一、土的颗粒分析试验（一）概述土是由大小不同的颗粒组成的，颗粒的大小和级配情况对土的工程性质有着重要的影响。颗粒分析试验的目的就是测定土中各粒组的相对含量，以了解土的颗粒级配情况。常用的颗粒分析方法有筛析法和密度计法。筛析法适用于粒径大于0.075mm的土，密度计法适用于粒径小于0.075mm的土。当土中同时含有粒径大于0.075mm和小于0.075mm的颗粒时，则联合使用筛析法和密度计法。（二）筛析法1.试验设备标准筛：粗筛（孔径为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm）和细筛（孔径为2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm）。天平：称量5000g，感量1g；称量1000g，感量0.1g；称量200g，感量0.01g。摇筛机、烘箱、研钵等。2.试验步骤取代表性试样，风干、碾碎、过筛。对于含黏粒的砾石土，可将试样烘干后，用带橡皮头的研杵研磨，再过筛。称取一定质量的试样（根据土的粒径大小和级配情况确定，一般为1005000g），将试样按筛孔大小顺序过筛，当筛至1min内通过筛孔的土质量小于筛上土质量的1%时，认为筛净。依次称取各筛上及底盘内土的质量，各筛上和底盘内土质量的总和与试样总质量之差不得大于试样总质量的1%，否则应重新试验。3.成果整理计算各筛上的颗粒质量百分数，按下式计算：\[X=\frac{m_i}{m}×100\%\]式中：\(X\)为某筛上的颗粒质量百分数（%）；\(m_i\)为某筛上的土质量（g）；\(m\)为试样总质量（g）。计算小于某粒径的颗粒质量百分数，按下式计算：\[P=\sum_{i=1}^{n}X_i\]式中：\(P\)为小于某粒径的颗粒质量百分数（%）；\(X_i\)为小于该粒径各筛上的颗粒质量百分数（%）；\(n\)为筛的个数。绘制颗粒级配曲线，以小于某粒径的颗粒质量百分数为纵坐标，粒径为横坐标，在半对数坐标纸上绘制颗粒级配曲线。（三）密度计法1.试验原理密度计法是根据斯托克斯定律，当土粒在液体中下沉时，其下沉速度与土粒的粒径有关。通过测量土粒在悬液中不同时间的密度，来确定不同粒径土粒的含量。2.试验设备密度计：甲种密度计（刻度单位以20℃时每1000ml悬液内所含土质量的克数表示）和乙种密度计（刻度单位以20℃时悬液的比重表示）。量筒：1000ml。搅拌器、秒表、温度计等。3.试验步骤取代表性试样，称取一定质量（根据土的性质确定，一般为3050g），放入蒸发皿中，加入分散剂（如六偏磷酸钠），浸泡一昼夜，然后用橡皮头研杵研磨，使土粒充分分散。将分散好的土样倒入量筒中，加纯水至1000ml刻度处，用搅拌器搅拌1min，使土粒均匀分布在悬液中。搅拌停止后，立即开始计时，在规定的时间（如1min、5min、15min、30min、60min、120min、240min等）读取密度计读数，并记录相应的时间和温度。4.成果整理根据密度计读数和温度，查相应的校正表，得到校正后的密度计读数。计算小于某粒径的颗粒质量百分数，按下式计算：\[P=\frac{Rm_s}{m(1+0.01w)}×100\%\]式中：\(P\)为小于某粒径的颗粒质量百分数（%）；\(R\)为校正后的密度计读数；\(m_s\)为悬液中干土质量（g）；\(m\)为试样总质量（g）；\(w\)为试样的含水率（%）。绘制颗粒级配曲线，方法同筛析法。二、土的液塑限试验（一）概述土的液限和塑限是土的重要物理性质指标，它们反映了土在不同含水率状态下的可塑性。液限是指土由可塑状态变为流动状态时的界限含水率，塑限是指土由半固体状态变为可塑状态时的界限含水率。常用的液塑限试验方法有圆锥仪法、搓条法和液塑限联合测定法。这里主要介绍液塑限联合测定法。（二）液塑限联合测定法1.试验原理液塑限联合测定法是利用圆锥仪测定土在不同含水率时圆锥体沉入土中的深度，根据圆锥体沉入深度与含水率的关系，确定土的液限和塑限。2.试验设备圆锥仪：圆锥质量为76g，锥角为30°。盛土杯、天平、烘箱、调土刀等。3.试验步骤取代表性试样，风干、碾碎，过0.5mm筛，然后将筛下土样分成三份，分别加入不同量的纯水，调成三种不同稠度的土膏，放入保湿缸中静置24h，使土膏含水率均匀。将第一种稠度的土膏放入盛土杯中，刮平表面，将圆锥仪的圆锥尖对准土面，轻轻松开圆锥仪的制动螺丝，使圆锥体在自重作用下沉入土中，经5s后读数，记录圆锥体沉入深度。取沉入土中的土样，测定其含水率。用同样的方法对另外两种稠度的土膏进行试验，得到三组圆锥体沉入深度和相应的含水率数据。4.成果整理在双对数坐标纸上，以含水率为横坐标，圆锥体沉入深度为纵坐标，绘制圆锥体沉入深度与含水率的关系曲线。在关系曲线上，查得圆锥体沉入深度为10mm所对应的含水率为液限\(w_L\)，沉入深度为2mm所对应的含水率为塑限\(w_P\)。计算塑性指数\(I_P\)和液性指数\(I_L\)，按下式计算：\[I_P=w_Lw_P\]\[I_L=\frac{ww_P}{w_Lw_P}\]式中：\(I_P\)为塑性指数；\(I_L\)为液性指数；\(w\)为土的天然含水率（%）。三、土的压实试验（一）概述土的压实是指通过对土施加外力，使土颗粒重新排列，减少土中的孔隙，提高土的密实度。压实试验的目的是确定土的最大干密度和最优含水率，为填方工程的压实设计和施工提供依据。常用的压实试验方法有轻型击实试验和重型击实试验。（二）轻型击实试验1.试验原理轻型击实试验是用一定重量的击锤，从一定高度自由落下，对土样进行击实，通过改变土样的含水率，测定不同含水率下土样的干密度，从而得到土的最大干密度和最优含水率。2.试验设备击实仪：由击实筒、击锤、导筒等组成。击实筒内径为100mm，高为127mm，容积为997cm³；击锤质量为2.5kg，落高为305mm。天平、烘箱、台秤、筛子等。3.试验步骤取代表性试样，风干、碾碎，过5mm筛。称取一定质量的试样（根据土的性质确定，一般为2030kg），分成56份，分别加入不同量的纯水，使每份土样的含水率相差约2%。将每份土样放入塑料袋中，静置一昼夜，使土样含水率均匀。取第一份土样，分三层装入击实筒中，每层用击锤击实25次。击实完成后，刮平表面，称取击实筒和土样的总质量，计算土样的湿密度。取击实后的土样，测定其含水率，计算土样的干密度。用同样的方法对其余几份土样进行试验，得到不同含水率下土样的干密度。4.成果整理以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度与含水率的关系曲线。在关系曲线上，干密度的峰值所对应的含水率即为最优含水率\(w_{op}\)，峰值干密度即为最大干密度\(\rho_{dmax}\)。（三）重型击实试验重型击实试验的原理和试验步骤与轻型击实试验基本相同，只是击实仪的规格不同。重型击实试验的击锤质量为4.5kg，落高为457mm，击实筒内径为152mm，高为116mm，容积为2177cm³。重型击实试验适用于粒径较大、压实标准较高的土。四、土的含水率试验（一）概述土的含水率是指土中所含水分的质量与土粒质量之比，以百分数表示。含水率是土的一个重要物理指标，它对土的强度、压缩性、渗透性等工程性质有很大的影响。常用的含水率试验方法有烘干法、酒精燃烧法、比重法等。这里主要介绍烘干法。（二）烘干法1.试验原理烘干法是将土样放入烘箱中，在105110℃的温度下烘干至恒重，通过测量烘干前后土样的质量，计算土的含水率。2.试验设备烘箱：能控制温度在105110℃。天平：称量200g，感量0.01g。铝盒、干燥器等。3.试验步骤取具有代表性的土样，放入铝盒中，称取铝盒和土样的总质量\(m_1\)。将铝盒放入烘箱中，在105110℃的温度下烘干至恒重（一般粘性土烘干时间不少于8h，砂性土不少于6h）。从烘箱中取出铝盒，放入干燥器中冷却至室温，称取铝盒和干土的总质量\(m_2\)。4.成果整理按下式计算土的含水率\(w\)：\[w=\frac{m_1m_2}{m_2m_0}×100\%\]式中：\(w\)为土的含水率（%）；\(m_1\)为铝盒和湿土的总质量（g）；\(m_2\)为铝盒和干土的总质量（g）；\(m_0\)为铝盒的质量（g）。五、土的密度试验（一）概述土的密度是指土的质量与土的体积之比。常用的土的密度试验方法有环刀法、蜡封法、灌砂法和灌水法等。这里主要介绍环刀法。（二）环刀法1.试验原理环刀法是用环刀截取一定体积的土样，称取环刀和土样的总质量，通过计算得到土的密度。2.试验设备环刀：内径为61.8mm或79.8mm，高度为20mm。天平、切土刀、钢丝锯等。3.试验步骤用切土刀将土样削成略大于环刀直径的土柱。将环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土柱上，用切土刀或钢丝锯将土柱削成与环刀高度相同，使土样充满环刀。擦净环刀外壁，称取环刀和土样的总质量，精确至0.1g。4.成果整理按下式计算土的密度\(\rho\)：\[\rho=\frac{m}{V}\]式中：\(\rho\)为土的密度（g/cm³）；\(m\)为环刀和土样的总质量与环刀质量之差（g）；\(V\)为环刀的容积（cm³）。六、土的渗透性试验（一）概述土的渗透性是指土允许水透过的性能，通常用渗透系数来表示。渗透系数是指单位水力梯度下的渗透速度。常用的渗透性试验方法有常水头试验和变水头试验。（二）常水头试验1.试验原理常水头试验适用于透水性较大的无粘性土。在试验过程中，保持水头不变，通过测量一定时间内透过土样的水量，根据达西定律计算土的渗透系数。2.试验设备常水头渗透仪：由圆筒、水头装置、量筒等组成。天平、秒表、温度计等。3.试验步骤取代表性土样，风干、过筛，按一定的干密度要求将土样分层装入渗透仪的圆筒中，每层厚度约为23cm，用击实锤轻轻击实。安装好水头装置，使水从圆筒的一端流入，从另一端流出。调节水头，使水头保持不变。待水流稳定后，测量一定时间\(t\)内透过土样的水量\(Q\)，同时测量水温\(T\)。4.成果整理按下式计算土的渗透系数\(k_T\)：\[k_T=\frac{QL}{Aht}\]式中：\(k_T\)为水温为\(T\)时的渗透系数（cm/s）；\(Q\)为时间\(t\)内透过土样的水量（cm³）；\(L\)为土样的长度（cm）；\(A\)为土样的横截面积（cm²）；\(h\)为水头差（cm）；\(t\)为时间（s）。将\(k_T\)修正到20℃时的渗透系数\(k_{20}\)，按下式计算：\[k_{20}=k_T\frac{\eta_T}{\eta_{20}}\]式中：\(k_{20}\)为20℃时的渗透系数（cm/s）；\(\eta_T\)为水温为\(T\)时水的动力粘滞系数；\(\eta_{20}\)为20℃时水的动力粘滞系数。（三）变水头试验1.试验原理变水头试验适用于透水性较小的粘性土。在试验过程中，水头随时间而变化，通过测量水头随时间的变化关系，根据达西定律计算土的渗透系数。2.试验设备变水头渗透仪：由圆筒、变水头管、量筒等组成。天平、秒表、温度计等。3.试验步骤取代表性土样，制备土样的方法同常水头试验。安装好变水头管，使水从变水头管流入圆筒中。记录变水头管初始水头\(h_1\)。开始计时，当水头下降到\(h_2\)时，记录时间\