土工试验课件

土工试验

土的物理性质概述岩石风化（物理、化学）作用岩石破碎化学成分改变搬运沉积大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体（土）

土固相液相气相土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质

干土——固相+气相——二相体饱和土——固相+液相——二相体冻土——固相+液相+气相+冰——四相体§1.1土的组成及其结构与构造一、土的固相

土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响

1.土的颗粒特征——土粒大小、粒度成分

（1）土粒大小及划分

①颗粒大小分析试验——是为测得土中不同粒组的相对百分比含量土的颗粒级配

工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配

试验方法筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm比重计法:适用于d＜0.075mm

②划分：任意划分按一定的性质筛分法用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数1、适用范围：适用于粒径大于0.075mm，小于60mm的土样。2、仪器：标准筛：粗筛,圆孔,孔径为60、40、20、10、5、2(mm)细筛：孔径为2.0、1.0、0.5、0.25、0.1、0.075(mm)

3、试样：从风干、松散的土样中，用四分法按下列规定取出代表性试样：1）小于2mm颗粒的土取100g——300g2）最大粒径小于10mm的土取300g——900g3）最大粒径小于20mm的土取1000g——2000g4）最大粒径小于40mm的土取2000g——4000g5）最大粒径大于40mm的土取4000g以上4、步骤：（1）无凝聚性的土①将试样过2mm筛，分别称出筛上和筛下土质量。②取2mm筛上试样倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中；取2mm筛下试样倒入依次叠好的细筛的最上层筛中，进行筛析。细筛宜放在振筛机上震摇，震摇时间一般为10~15min。③由最大孔径筛开始，顺序将各筛取下，在白纸上用手轻叩摇晃，如仍有土粒漏下，应继续轻叩摇晃，至每分钟筛下的数量不大于该级筛余质量的1%为止。漏下的土粒应全部放入下级筛内。并将留在各筛上的试样分别称量。④筛后各级筛上及底盘内土质量总和与筛前土质量之差不得大于1%；

注：若2mm筛下的土，小于试样总质量的10%，则可省略细筛筛析；若2mm筛上的土，小于试样总质量的10%，则可省略粗筛筛析。（1）含黏土粒的土①将土样放在橡皮板上，用木碾将土碾散、拌匀、烘干，称重。②将试样放到盛有清水的瓷盆中，浸泡并搅拌③将混合液过2mm筛，边冲边洗过筛，直至筛上仅留大于2mm的土粒为止。再将筛上砂砾风干，称重，用粗筛进行分析。④过2mm筛下的盆中的混合液，待稍沉淀，将上部悬液过0.075mm筛，反复冲洗，直到筛上仅留大于0.075mm净砂为止。⑤原总质量减去大于2mm和2~0.075mm颗粒，得小于0.075mm颗粒质量。⑥将大于0.075mm的净砂烘干称重，进行细筛分析。⑦若小于0.075mm颗粒质量超过总土质量的10%，有必要时做密度计分析。5、结果整理：比重计法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量土粒的越小，在静水中沉降速度越慢

2、粒度成分及表示方法

工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以（1）粒度成分：土中各个粒组的相对含量

即各粒组占土粒总量的百分数（2）表示方法：①表格法——直观②累计曲线法——

横—d(mm)对数纵—P(%)③三角坐标法表格法：颗粒粒径级配曲线纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）颗粒级配的描述工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度d10、d30、d60小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu＜5的土视为级配不良的土；Cu＞10的土视为级配良好的土

曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况

对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾三角坐标法例题分析【例】下图为某三种土A、B、C的颗粒级配曲线,试判断各土样的级配情况土样ad10=0.03mm,d30=0.20mm,d60=1.5mm则Cu=50Cc=0.88故a土样级配不良土样bd10=0.02mm,d30=0.04mm,d60=0.10mm则Cu=5.0Cc=0.8故b土样级配不良土样cd10=0.20mm,d30=1.0mm,d60=6.0mm则Cu=Cc=故c土样级配良好3.土粒的矿物成分矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同

例：石英、云母、长石等特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点二、土中的水

土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水1.结合水强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体

弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱2.自由水存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0℃，有溶解能力

以两种形式存在：毛细水、重力水三、土中气体

土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大

2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时

四、土的结构

在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关

1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态

密实状态疏松状态2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构蜂窝结构絮状结构§1.2土的物理性质指标一、土的三相图气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V二、直接测定指标1.土的密度ρ：单位体积土的质量

工程中常用重度

来表示单位体积土的重力

重力加速度，近似取10m/s2

2.土粒相对密度Gs（土粒比重）：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般2.70～2.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小Vv气水土粒msmwmVsVwVVa质量m体积V3.土的含水量ω：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。

测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法

土的物理性质试验（一）含水率试验1、烘干法（1）定义：使土样在恒温条件下烘至恒重，求出土中水重，算出W。恒温：对大多数无机矿物土讲，为105℃~110℃但对含有机质超5％的土或含石膏的土，为60℃~70℃（2）范围：适用于粘质土、粉质土、砂类土和有机质土类（3）仪器：烘箱、天平（4）步骤:

1）取代表性试样（细粒土15～30g，砂质土、有机质土50g，砂砾石1～2Kg），放入称量盒内，立即盖好盒盖，称质量。

2）放入烘箱烘至恒重，取出冷却称质量。（5）计算：（6）精密度和允许差本试验须进行二次平行测定，取其算术平均值，允许平行差值应符合下表要求2、酒精燃烧法

用酒精燃烧所产生的高温将土烧至恒重，同时与烘干法作对比试验（1）范围：重粘土不适用（2）仪器：酒精，纯度≥95%（3）步骤：1）取代表性试样（粘质土5～10g，砂质土20～30g），放入称量盒内，称湿土质量。2）用滴管将酒精注入放有试样的称量盒中，直至盒中出现自由液面为止。为使酒精在试样中充分混合均匀，可将盒底在桌面上轻轻敲击。3）点燃盒中酒精，烧至火焰熄灭。4）将试样冷却数分钟，按2）～3）规定再重复燃烧2次。当第3次火焰熄灭后，立即盖好盒盖，称干土质量。(二）土的密度试验

环刀法——适用于细粒土蜡封法——适用于易破裂土和形状不规则的坚硬土灌砂法——适用于现场测定细粒土、砂类土和砾类土的密度当用各种方法测定土的密度的值不同时，应以环刀法为准1、环刀法（1）仪器：环刀，天平等（2）步骤：①取原状土或制备所需状态的扰动土样，环刀内壁涂凡士林，刀口向下放在土样上。②将环刀垂直下压，边压边削，至土样伸出环刀上部为止。削去两端余土，使土样与环刀口面齐平。用剩余土样测含水率。③称环刀与土合质量。

④计算：⑤精密度和允许值本试验须进行二次平行测定，取其算术平均值，其平行差值不得大于0.03g/cm3三、换算指标

气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V1.孔隙比e和孔隙率n孔隙比e

：土中孔隙体积与土粒体积之比

2.土的饱和度Sr

：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:孔隙率n

：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示

Sr≤50%稍湿；50％＜Sr≤80%很湿；Sr＞80%饱和3.不同状态下土的密度和重度饱和密度ρsat

：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度

干密度ρd

：单位体积中固体颗粒部分的质量

浮密度ρ

：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差

土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度ρ，饱和密度ρsat，干密度ρd，浮密度ρ

(kg/m3),相应的重度指标也有4个，土的重度

，饱和重度

sat，干重度

d，浮重度

(kN/m3)气水土粒msmwmVsVwVVVa质量m体积V四、指标间的换算气水土粒Gsρw

Vs＝11+e质量m体积V土的三相指标中，土粒比重Gs

，含水量ω和密度ρ是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标Vv=eωGsρw

Gs（1＋ω）ρw

推导：换算关系式：五、例题分析【例】某土样经试验测得体积为100cm3，湿土质量为187g，烘干后，干土质量为167g。若土粒的相对密度Gs为2.66，求该土样的含水量ω、密度ρ、重度

、干重度

d

、孔隙比e、饱和重度

sat和有效重度

【解答】§1.3土的物理状态指标一、无粘性土的密实度

土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系1.孔隙比e孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散

2.相对密实度Dr砂土在天然状态下孔隙比砂土在最密实状态时的孔隙比砂土在最松散状态时的孔隙比当Dr=0时，e=emin，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时，e=emax，表示土体处于最密实状态3.按动力触探确定无粘性土的密实度Dr≤1/3疏松状态1/3＜Dr≤2/3中密状态2/3＜Dr≤1密实状态天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002)

密实度按N评定砂石密实度按N63.5评定碎石土密实度松散稍密中密密实N≤10N63.5≤510＜N≤155＜N63.5≤1015＜N≤3010＜N63.5≤20N＞30N63.5＞20二、粘性土的稠度

1.粘性土的稠度状态稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征

0固态或半固态可塑状态流动状态ω塑限ωP液限ωL粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限液塑限测定根据《土工试验规程》(SL237-007-1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。液塑限联合测定仪下沉深度为17mm所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限2.粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高

说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态

液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比

状态液性指数坚硬硬塑可塑软塑流塑IL≤00＜IL≤0.250.25＜IL≤0.750.75＜IL≤1IL＞1三、例题分析【例】某砂土试样,试验测定土粒相对密度Gs=2.7,含水量ω=9.43%,天然密度ρ=1.66/cm3。已知砂样最密实状态时称得干砂质量ms1=1.62kg,最疏松状态时称得干砂质量ms2=1.45kg。求此砂土的相对密度Dr,并判断砂土所处的密实状态【解答】砂土在天然状态下的孔隙比砂土最小孔隙比砂土最大孔隙比相对密实度∈（1/3,2/3]中密状态【例】界限含水率测试时，测得液限ωL=30%，ωp=12.5%，ω=28%，试判断该土样的状态。

故该土样为软塑状态【解答】液塑限试验1、适用于粒径不大于0.5mm的土2、仪器：液塑限联合测定仪、天平、调土刀、调土皿、铝盒等3、步骤：（1）取风干土样，压碎，过0.5mm筛，各称200g放入三个盛土皿中，加不同数量的蒸馏水，含水率分别控制在液限（a点）、略大于塑限（c点）和中间状态（b点），调匀，盖上湿布，放出18h以上。（2）对100g锥：a点，锥入深度为20mm±0.2mmc点，锥入深度为5mm以下b点，锥入深度约为两点中间位置（3）将土样分层装入盛土杯，用力压紧，刮平。（4）调平仪器，提起锥杆，锥头抹凡士林（5）将试杯放在仪器底座上，调节升降座，使锥尖接触试样面，扭动锥下降旋钮，经5秒时，松开旋钮，锥体停止下落，测读下沉深度h1。改变锥尖与土大接触位置，测h2，h1、h2允许平行误差若为0.5mm，则取平均值，否则重做。（6）取下试样杯，然后从杯中取10g以上的试样2个，测定含水率。（7）按以上③—⑥的步骤，测试其余2个试样的圆锥下沉深度和含水率。（8）结果整理1）绘制锥入深度h与含水率w的关系曲线以含水率为横坐标，锥入深度为纵坐标，在双对数纸上绘制h~w的关系曲线(lgh~lgω)①三点连一条直线。②三点不在一直线上2）确定液限、塑限查得纵坐标入土深度h=20mm所对应的横坐标的含水率即为该土样的液限ωL§1.4土（岩）的工程分类一、分类的目的和原则土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流分类原则：1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性二、分类体系与方法分类体系：1.建筑工程系统分类体系2.工程材料系统分类体系侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)地基土分类方法侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：《土的分类标准》(GBJ145-90)工程用土的分类和《公路土工试验规程》(JTJ051-93)土的工程分类分类方法：1.《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2002)根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类a.岩石的分类颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类坚硬程度类别饱和单轴抗压强度frk(Mpa)坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩30＜frk≤60frk＞6015＜frk≤305＜frk≤15frk≤5b.碎石土的分类粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土c.砂土的分类粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土

土的名称漂石块石卵石碎石圆砾角砾颗粒形状圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主颗粒级配粒径大于200mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于20mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50％注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定碎石土的分类d.粉土的分类

粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%，塑性指数IP≤10的土称为粉土土的名称砾砂粗砂中砂细砂粉砂颗粒级配粒径大于2mm的颗粒含量占全重25％～50％注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50％粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85％粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50％砂土的分类e.粘性土的分类粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP＞10的土称为粘性土，粘性土根据塑性指数细分土的名称粘土粉质粘土塑性指数注：塑性指数由相应于76g圆锥体沉入土样中深度为10mm测定的液限计算而得

IP＞1710＜IP≤17f.人工填土的分类由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂乱,均匀性较差，根据其物质组成和成因,可分为素填土、压实填土、杂填土和冲填土2.《土的分类标准》(GBJ145－90)根据各粒组的相对含量把土分为巨粒土、含巨粒土、粗粒土和细粒土四大类a.巨粒土和含巨粒土的分类巨粒土和含巨粒土按土中粒径大于60mm的巨粒含量区分。若土中巨粒含量多于50%,属于巨粒土；若土中巨粒含量在15%～50%之间，属于含巨粒土b.粗粒土的分类巨粒含量少于15%，剔除巨粒后，若土中粒径大于0.075mm的粗粒含量多于余土的50%，属于粗粒土。粗粒土分为砾类土和砂类土两类c.细粒土的分类土中粒径小于0.075mm的细粒含量多于或等于50%，且粗粒含量少于25%的土属于细粒土。图中液限为17mm液限细粒土按塑性图进行细分例题分析【例】下图为某三种土A、B、C的颗粒级配曲线,试判断各土样的级配情况【解答】A土:从A土级配曲线查得,粒径小于2mm的占总土质量的67%、粒径小于0.075mm占总土质量的21%,满足粒径大于2mm的不超过50%,粒径大于0.075mm的超过50%的要求,该土属于砂土；又由于粒径大于2mm的占总土质量的33%,满足粒径大于2mm占总土质量25%～50%的要求,故此土应命名为砾土B土:粒径大于2mm的没有,粒径大于0.075mm占总土质量的52%,属于砂土。按砂土分类表分类,此土应命名为粉砂C土:粒径大于2mm的占总土质量的67%,粒径大于20mm的占总土质量的13%,按碎石土分类表可得,该土应命名为圆砾或角砾§1.5土的压实性一、土的击实试验在试验室内通过击实试验研究土的压实性。击实试验有轻型和重型两种。击实筒护筒击锤导筒轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土，击实筒容积为947cm3，击锤质量为2.5kg。把制备成一定含水量的土料分三层装入击实筒，每层土料用击锤均匀锤击25下，击锤落高为30.5cm

重型击实试验适用于粒径小于40mm的土，击实筒容积为2104cm3，击锤质量为4.5kg，击锤落高为45.7cm

。分五层击实，每层56