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铁路工程土工基本知识一、基本概述1、土工试验的重要性•土工试验是为工程设计或施工提供可靠的技术指标和参数；如果测试指标失真，不仅使按此设计的工程失稳甚至于破坏，就会造成财力、物力的浪费。2、对土工试验对人员的要求（17.1）由于土工试验成果因试验方法和试验技巧的熟练程度不同，会有较大的差别，这种差别远大于计算方法引起的误差。为了使土工试验比较正确地反映实际土的性状，要求试验人员了解和掌握以下五个问题：①.试验的目的和所依据的原理；②.使用的仪器设备性能和操作方法；③.试验应获得哪些数据、分析出什么结论；④.试验中的注意事项、误差的初步分析；⑤.分析试验设计与实际问题的联系概括地说土工试验人员要具备：一有基本理论，二有基础知识，三有基本技能。3、土的形成土是岩石风化的产物。物理风化------岩石暴露在大气层内，受风、霜、雨、雪的侵蚀，以及受温度升降变化的影响，裂隙水结冰等原因，使岩石崩解成块。化学风化-------这些碎块再与水、二氧化碳、氧气接触发生化学作用。生物风化-------岩石在风化过程中与自然界的生物发生相互作用。4、土与工程的关系地基-----作为建筑物(桥涵、楼房等)或构筑物(路基等)的地基；填料-----作为土工构筑物(路基、堤坝等)的填料；介质-----作为构筑物(渠道、黄土隧道等)的周围介质。5、土工试验主要工程分类工程土按用途主要有两种：一是作为建筑物地基的原状土；二是作为建筑材料的扰动土。1）土的主要工程分类标准：①.铁路：《铁路工程岩土分类标准》TB10077-2001、《铁路路基设计规范》TB10001-2005。《铁路工程土工试验规程》TB10102-2004②.国家标准《土的工程分类标准》GB50145-2007《土工试验方法标准》GB/T50123-1999③.公路：《公路土工试验规程》JTGE40-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》JTGD63-2007④.水利部《土的工程分类》SL237-001-1999；2、铁路工程桥涵地基与基础土的分类1）.一般土①.分类定名A.土的颗粒分类。讲义表17.1把土颗粒按颗粒形状和粒径大小分成了7类15种。B.碎石类土。讲义表17.2大于2mm的颗粒超过总质量的50%。按颗粒形状和级配分为4类8个名称。C.砂类土。讲义表17.3大于2mm的颗粒不超过总质量的50%，而大于0.075mm的颗粒超过总质量的50%。按颗粒级配分为1类5个名称。D.粉土。粒径大于0.075mm颗粒的质量不超过全部质量50%的土，且塑性指数等于或小于10。按塑性指数和颗粒级配分为1类1个名称。E.粘性土。讲义表17.4按塑性指数分为1类2个名称。②.密实程度A.碎石类土。讲义表17.5根据结构特征、天然坡和开挖情况、钻探情况分为：密实、中密、稍密和松散4种。B.砂类土。讲义表17.6根据标准贯入锤击数N和相对密度Dr分为：密实、中密、稍密和松散4种。C.粉土。讲义表17.7根据孔隙比e的大小分为密实、中密、稍密3种。D.粘性土。讲义表17.8根据压缩系数a0.1~0.2分为高、中、低压缩性土3种。③.潮湿程度A.碎石类和砂类土。讲义表17.9根据饱和度分为稍湿、潮湿、饱和3种。B.粉土。讲义表17.10根据天然含水率分为稍湿、潮湿、饱和3种。C.粘性土。讲义表17.11根据液性指数分为坚硬、硬塑、软塑、流塑4种6、土工试验项目土工试验项目应根据土的用途决定：1）、室内实验。①.土的物理性能试验：含水率、密度、颗粒密度、界限含水率、颗粒分析、渗透、击实等。试验成果用于土的工程分类，土的状态的判定，渗透计算，填土工程施工方法的选择和碾压质量控制。②.砂的相对密度试验：包括砂的最大和最小孔隙比的测定，由此确定砂的相对密度，判定砂的疏密状态。③.土的变形试验：包括固结、压缩、湿陷性和膨胀性等。这些试验为工程设计提供变形参数：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。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。这些试验为设计提供土的抗剪指标参数(粘聚力、内摩擦角)、无侧限抗压强度、灵敏度等。⑤.土的化学性试验：包括粘土矿物鉴定、有机质和盐渍土试验等。粘土矿物成分是决定土的物理化学性质的重要因素；有机质试验提供土中有机质含量，供施工选择土料之用；盐渍土是土中易溶盐含量大于5%的土，盐渍土试验指标供地基评价、采取工程措施或选料之用。⑥.级配碎石：粒径级配、破碎面含量、洛杉矶磨耗率、硫酸钠浸泡损失率、液塑限、塑性指数、粘土团及其他杂质含量、毛体积密度。⑦.改良土：液塑限、塑性指数、颗粒分析、击实(重型)、含灰剂量、无侧限抗压强度2）、路基现场压实质量检测。①.路基压实密度、含水率检测。常用的方法有环刀法、灌砂法、灌水法、气囊法、核子射线法等。②.路基地基系数K30检测。③.路基动态变形模量Evd检测。④.路基静态变形模量Ev2检测。3）、土工原位测试①.静力载荷试验。试验成果用于确定地基承载力、变形模量等。②.静力触探试验。适用于软土、粘性土、砂类土以及含少量碎石的土层。试验成果用于确定地基承载力、判定砂土液化和提供地基物理力学参数等。③.动力触探试验。适用于粘性土、砂类土和碎石类土。试验成果用于确定地基承载力、评定土的抗剪强度和变形模量等。④.标准贯入试验。适用于一般粘性土、粉性土和砂类土。可判定砂土的密实程度、粘性土的塑性状态、判别饱和砂土及粉土的液化等。⑤.十字板剪切试验。适用于测定饱和粘性土的不排水抗剪强度及灵敏度等。⑥．旁压试验。2）.特殊土①.黄土。第四纪以来，在干旱、半干旱气候条件下形成的，土颗粒成分以粉粒为主、含碳酸钙及少量易溶盐、并具大孔隙和垂直节理、抗水性能差、易崩解和潜蚀、上部多具湿陷性等工程地质特征的土，应判定为黄土。黄土按堆积时代、塑性指数、湿陷系数分类。②.红粘土。颜色呈棕红、褐黄色，覆盖于碳酸盐系岩层之上，且液限等于或大于50%的高塑性粘土，应判定为红粘土。红粘土经搬运、沉积后仍保留残积粘土的基本特征，且液限大于45%，应判定为次生红粘土。红粘土具有遇水软化、失水收缩强烈、裂隙发育、易剥落等工程地质特征。红粘土根据塑性状态、裂隙状态和界限液塑比和液塑比关系分类。③.膨胀土。土中粘粒成分主要由亲水矿物组成，具有吸水显著膨胀软化，失水急剧收缩开裂，并能产生往复胀缩变形的粘性土，应判定为膨胀土。膨胀土分类首先根据地貌、土的颜色、结构、土质情况、自然地质现象和土的自由膨胀率等特征，作初期判定；然后按自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量三项指标可对膨胀土详细判定。④.软土。天然孔隙比大于或等于1.0，天然含水率大于或等于液限，压缩系数大于或等于0.5，不排水抗剪强度小于30kPa的粘性土，可判定为软土。软土一般含有机质，具有压缩性高、强度低、灵敏度高和排水固结缓慢的特点。软土的结构受到扰动后，强度会极大地下降。软土根据物理力学性质、成因类型、无侧限抗压强度试验或现场十字板剪切试验、软土的灵敏度分类。⑤.盐渍土。易溶盐含量大于0.5%的土，可判定为盐渍土。某地区或场地地表以下1.0m深度内易溶盐的平均含量大于0.5%时，应定为盐渍土地区或场地。盐渍土具有较强的吸湿、松涨、溶陷及腐蚀等工程地质特性。盐渍土按含盐性质、盐渍程度的分类。⑥.填土.人为活动堆填的土应判定为填土，一般具有成分复杂和固结时间短等特点。根据物质组成和堆填方式，填土分为杂填土、素填土、冲填土、填筑土4类。3、铁路工程路基填料的分类铁路路基填料分类是根据原《铁路路基设计规范》TB10001-99中的“填料分类”为基础，进行了局部的修订，在“一级定名”上与《铁路工程岩土分类标准》TB10077-2001进行了统一，并以铁建设[2004]148号文发布。①.巨粒土、粗粒土(包括砂类土)根据颗粒组成、颗粒形状、细粒含量、颗粒级配、抗风化能力等，按讲义表17.26进行定名和分组。②.细粒土根据土的塑性指数Ip和液限含水率wL，按讲义表17.27进行定名和分组。3、练习题①.(问答)铁路工程土的分类标准，砂粒、粉粒、粘粒的含义是什么？②.(问答)铁路路基填料巨粒土、粗粒土和砂类土，他们是怎样分类的？需要做什么试验？③.(问答)铁路路基填料细粒土是怎样分类的？需要做那些试验？④.(问答)路基填料分类中“细粒含量”的含义是什么？⑤.(问答)路基填料分类中颗粒级配“良好”与“不良”是怎样区分的？⑥.(问答)路基填料分类中硬块石于软块石是怎样区分的？⑦.(问答)细粒土填料分类标准规定液限含水率试验采用圆锥仪法，圆锥仪总质量多少？入土深度多少？⑧.(问答)土样定名时，如果同时符合2个或2个以上名称时，怎样处理？四、土的组成及基本物理指标1、土的三相体概念土是由固体颗粒、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1土的三相图2、土的基本物理指标及换算关系土的基本物理指标有九项,他们是：密度、颗粒密度、含水率、干密度、饱和密度、有效重度、孔隙比、孔隙率及饱和度。其中前三项是直接检测出来的，后六项是计算出来的。①.密度ρ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/cm3）。体积质量密度其中:;:;::)117(vmvm②.颗粒密度s土体内的固体颗粒质量与颗粒体积之比值，称为颗粒密度（g/cm3）,颗粒密度关注的是土体固体颗粒的视密度，也是以前的比重的概念。)(::)517(3cmVVmssss为土固体颗粒的体积其中③.含水率w土中水的质量与土固体颗粒质量的比值称为土的含水率，以百分数计。在有的标准中，如公路用标准，含水率又称为含水量。土体水的质量土的含水率其中:）%（：w:)617(100mm不同的土其含水率的变化范围很大。干燥坚硬的土，含水率只有2～10%.而软粘土的含水率可达50～200%.④.孔隙比e土中的孔隙体积与土固体颗粒体积的比值称为孔隙比。);(:;::)717(VVe3cmVevsv孔隙体积孔隙比其中孔隙比是土的重要指标之一，它反映了土的松软和紧密程度。⑤.孔隙率n土中孔隙体积与全部体积之比称为孔隙率（%）。)(:(%);::)817(100VVn3cmVnv土体体积孔隙率其中孔隙比与孔隙率之间存在着式(17-9)或（17-10）的关系。)1017(100)91(1100nneeen⑥.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（%）。);(:(%)::)1117(100VVS3cmVSwrvwr土体中水的体积饱和度其中⑦.干密度d表示单位体积内土粒的质量（g/cm3）。)417(Vmsd⑧.饱和密度sr当土体的孔隙完全为水所充满时，土体的密度（g/cm3）)(:;/1,:);(:;:);/(::)217(3333cmVcmgcmVmcmgVVmwrssrwrssr土体体积一般可取水密度土体孔隙体积土体固体颗粒质量饱和密度其中⑨.浮密度'表示地下水位以下的土体，且它的孔隙完全为水所充满，但又整个受到地下水的浮力作用。因此有：)317('wsr3、练习题1、(填空)一般情况下，土是由（）、（）、（）三相组成。2、(单选)土粒比重的定义式为：()