第一章土工试验

第一章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：风、霜、雨、雪的侵蚀作用，不改变原性质；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：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(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”(soilmass)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+气体，为干土，此时液体为零，粘土坚硬，砂土松散；固体+液体+气体，湿土，粘土为可塑状态；固体+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：①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。②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。①结构水—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或化学结构水。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。②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。结合水又可分为强结合水和弱结合水。2.1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非常紧密，只能靠加温到105℃—110℃变成水蒸气跑掉，其密度大于1g/cm3，在1—2g/cm3之间，并有过冷现象，即温度降到0℃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。2.2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。③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，包括毛细水和重力水3.1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。3.2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％表示土的湿度，其值为水的重量与土粒重量直接试验测定之比孔隙比e－土中孔隙所占体积与土粒所占体积的比例e=[GS(1+w)/ρ]-1孔隙率n％土中孔隙体积占土总体积的百分数饱和度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（1）含水量试验；烘干法：细粒土，15—30g砂类土50g；105—110℃烘8h6h（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%≤50.3≤40≤1＞40≤2层状和网状结构的冻土＜3（2）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；结构单位小筒大筒储砂筒直径mm100150容积Cm321204600流砂孔直径mm1015标定罐内径mm100150外径mm150250金属方基盘边长mm350400盘深mm4050中孔直径mm1001502.3灌砂筒椎体内砂的质量标定①灌砂筒内装m1的砂精至1g，每次标定、试验不变；②开开关，流出一标定罐沙后关上，称量m5，精至1g；③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；④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-m72.5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；③重复三次，平均值为m3，精至1g；④标定罐内砂的质量：ma=m1-m2-m3m1——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。⑤砂的密度2.6试验步骤①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；②挖出的土不能丢失，保持湿度装袋，称量mt;③侧含水量ω；④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①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。②试样的湿密度mt——挖出的土质量mb——填满洞所需沙量ρs——砂的密度③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，精确至0.001g;（5）试验步骤：①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’-m②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；③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；④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：≥5mm的土，粒径大于等于20mm土少于总量的10%允许平行差≤0.022、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（1）粒度：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）土的粒度成分: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