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1水运工程试验检测工程师考试土工试验及地基承载力检测第一章土工基础知识1、土的形成我国的土大部分形成于第四纪或是新第三纪时期，按照地质营力和沉积条件可分为残积土（风化后在原处）和运积土。根据来源分为有机土和无机土，当土中有机质含量大于5％-10％时会对工程产生不利影响。岩石可分为：岩浆岩、沉积岩、变质岩2、土的组成土由固相、液相和气相三相部分组成。1)固相：土由原生矿物（石英云母长石等）和次生矿物（高岭石蒙脱石等）组成，通过颗粒分析试验可以对土的级配进行确定，级配好的土压实度高、渗透性小、强度高。2)液相：分为结合水（吸附在颗粒表面）和自由水两种。结合水：物理化学作用，对细粒土的影响大。自由水：分为毛细管水和重力水。毛细管水的作用是表面张力和重力。重力水可以传递动水和静水压力，但不能承受剪力。含水率测得是两者含量之和。3)气相：开口和闭口气泡。闭口气泡使得土的渗透性减小，弹性增大，承载力降低，密度减小，变形缓慢。3、国家标准《土的工程分类》规定:采用粗细粒统一体系分类法。工程用土主要是按照土的工程性质（如粒径、级配、塑性、有机质/压缩性等）进行分类。其中主要性质有：（1）颗粒粒径工程上将相近粒径的土合成一组叫粒组，其中大于0.075mm的叫粗粒，其性质主要取决于粒径大小和级配。小于0.075mm的叫细粒，其性质主要取决于矿物组成。（2）塑性指数（Ip=Wl-Wp）塑性指数相同，土的性质不一定相同，因为随着液限的变化土的性质变化也很大。作为建筑地基的土，其分类可见教材第6页，要注意粒径和塑性指数对土分类的影响。如细粒土分类的依据有粒径、塑性指数、稠度。《港口工程地质勘察规范》（JTJ240-97）规定：按颗粒级配或塑性指数分为碎石土、砂土、粉土和粘性土碎石土按照大于2mm粒径进行再分类砂土按照小于2mm粒径进行再分类，用Cc、Cu表示组成特征（颗粒级配），密实度可由标贯击数判定。粉土按照大于0.075mm粒径和粘粒含量以及塑性指数（小于10）进行再分类。（冻胀最严重）粘性土按照小于0.075mm粒径以及塑性指数（大于10）进行再分类。天然含水率大于液限，天然孔隙比大于1.0的粘性土为淤泥性土填土由人类活动堆积的土塑性图（细粒土分类）：液限为横坐标，塑性指数为纵坐标。有机土的测定:2(1)有机质呈黑色、青黑色或暗色，有臭味，弹性和海绵感。（2）将试样放在105-110烘箱中，如试样的液限小于烘前的液限1/3时，试样为有机质。需要说明的是：各种分类法中没有软土、冻土、盐渍土的称谓，也没有有机土、砂、石料等。4、土的结构土粒可分为三种类型：单粒结构：在动力作用下易液化，如粉土。絮凝结构：孔隙大，对扰动敏感。片堆结构：各向异性。5、土的物理性质指标是最基本的工程特征，是衡量土的工程性质的关键。（1）三相指标：土的物理指标分为2类指标试验指标（天然密度ρ、含水率W、土粒比重Gs）换算指标（孔隙比、孔隙率、饱和度）1）天然密度ρ：总质量与总体积之比。2）饱和密度ρsat：孔隙全为土水的质量与总体积之比3）浮密度ρ’：土粒质量与同体积的水质量之差与总体积之比（饱和密度－1）4）干密度ρd：土粒质量与总体积之比，是填土施工的控制指标。饱和密度天然密度干密度浮密度5）含水率w：水的质量与土粒质量之比。6）土粒比重Gs：土粒质量与同体积4摄氏度水的质量之比，数值上等于土粒密度。7）孔隙比e：孔隙体积与土粒体积之比（e=Gs/ρd－1=土粒比重/干密度－1）8）孔隙率n：孔隙体积与总体积之比(n=e/(1+e))9）饱和度Sr：水体积与孔隙体积之比.(含水率小并不意味着饱和度小)注意：孔隙体积＝充水的孔隙和未充水孔隙体积土的空隙体积为零不能说明土的密度最大。不同土样（甲、乙）含水率与饱和度没有关系。（2）无粘性土的相对密度一般采用相对密度来衡量土的松紧程度emax-e0最大孔隙比-天然孔隙比Dr=__________=____________________emax-e0最大孔隙比-最小孔隙比由三相指标换算可得相对密度的实用表达式：(天然干密度-最小干密度)最大干密度Dr==______________________________________（最大干密度-最小干密度）天然干密度按相对密度区分土：疏松土：0＜Dr≤1/3中密土：1/3＜Dr≤2/3密实土：2/3＜Dr≤1（3）粘性土的稠度3三个界限含水量：液限（流动状态与可塑状态的分界含水量）、塑限（可塑状态与半固体状态的分界）、缩限（半固体状态与固体状态的分界）。土从液限到缩限体积是不断减小的，缩限以后不再改变。根据三个界限求得的指数为：塑性指数和液性指数。塑性指数：Ip=WL-Wp，用整数表示（如15），可用来判别粘性土的分类。其值越大表示越具有高塑性，粘粒含量越多。•液性指数：IL=(W-Wp)/Ip可判别粘性土状态。坚硬：IL≤0;可塑：0IL≤1.0;流动：IL1.0含水率与软硬程度无关。6、土中水的运动规律1)土的毛细性：水的毛细作用主要存在于0.002－0.5mm的孔隙中，如细砂土、粉土、湿砂中。湿砂土表现出的假粘聚力湿由于毛细压力形成的，不同于粘性土的粘聚力。2)土的渗透性：达西定律(V=ki)：指水在土中的渗透速度与水力坡降成正比。认为渗透属于层流，一般只适用于砂性土。对于粘性土由于存在结合水的粘滞作用，需要加入起始水力坡降进行修正(V=k(i-io))。当渗透力向上时，常常造成流砂、管涌等危害。3)冻土现象主要是指土体冻结时地面膨胀的冻胀现象和融化后土体强度急剧降低的冻融问题。例题1已知土样体积V＝37.5，湿土重Mo＝0.6711N，烘干后重M＝0.4915N，比重Gs=2.68，计算孔隙比和饱和度。解：公式：e=Gs/ρd－1；ρd＝ρ/（1＋W）;W=M水/M干土；Sr=V水/V孔隙；Gs＝M干土/V土粒；可求得：(1)W=M水/M干土＝（0.6711－0.4915）/0.4915=36.5%ρd＝ρ/（1＋W）=67.11/37.5(1+0.365)=1.311e=Gs/ρd－1=2.68/1.311-1=1.04(2)V水=67.21-49.25=17.96V土粒＝M干土/Gs=49.15/2.69=18.27V孔隙＝V-V土粒=38.4-18.27=20.13Sr=V水/V孔隙=17.96/20.13=89.22%例题2某细粒湿土质量为190g，烘干后为145g，土样液限为36％，塑限为18％，则求土塑性指数、液性指数、状态并命名。解：（1）塑性指数Ip=36%-18%=18命名为粘土。（2）液性指数4（3）含水率W=(190-145)/145=31.03%Il=(W-Wp)/Ip=(31.03%-18%)/18%=0.72为可塑状态。•1、某1.5m3的土样，重度为17.5KN/m3，含水率30％，土粒重度27KN/m3，则土粒体积为多少？(0.748m3)2、若土样孔隙体积为土粒体积的0.95倍，若土样孔隙为水充满时（若土粒重度为27KN/m3），土样重度为多少?(13.8KN/m3)3、土样含水率15％，干重度16KN/m3，孔隙率0.35，天然重度10KN/m3，求饱和度。（68.5％）•4、土的天然密度为1.7g/cm3，含水率22.2％，土粒比重2.727g/cm3，求孔隙比，孔隙率，饱和度。（0.96，49％，62.9％）•5、含水率为4％的湿砂100kg，其中水的重量多少？7、土样和试样制备了解：土样的采样和试样的制备过程熟悉：原状土样与扰动土样的概念掌握：原状土样取土、运输、保管应满足的要求为保证试验成果的可靠性，要统一土样试样的制备方法和程序。试样质量不是越大越好。一般室内土工试验的土样粒径均需小于60mm的扰动土，并以含水率和密度作为控制指标。原状土：用铁皮筒或取土器（直径大于100mm）取土。扰动土：用四分法取样。（1）原状土试样制备注意：环刀内壁涂凡士林；环刀下压方向与天然土层方向一致；不立即进行试验时应保湿存放。余土进行含水量测定。平行试验或同一组试件的密度差值不大于0.03g/cm3，含水量差不得大于2%（2）扰动土试样制备1）碾压过筛加水浸润一昼夜备用，砂性土可酌量缩短物理性质试验（液塑缩限）过0.5mm；水理及力学性质试验（如直剪无侧限）过2mm：击实试验过5mm。2）试样制备：击样法：就是根据环刀体积算出所需土样数量，用单层或三层法击实。压样法：就是用静力压到所需密度，粘性土压时最好有排气孔和透水石。两种方法对力学性质有一定的影响。（3）试样饱和根据土的性质选用饱和方法1）浸水饱和法：砂性土2）毛细管饱和法：渗透系数大于10-4cm/s的土，注意上下两端放滤纸和透水石，水面不要淹没试样，时间不少于2昼夜。3）抽气饱和法：渗透系数小于等于10-4cm/s的土（粘性土），需要凡士林密封，抽真空达到一个大气压力值时开始注水，注水过程真空保持不变，待水淹没饱和器停止抽气，粘性土需静置10小时，饱和度不应低于95％。需要掌握试样加水量的计算饱和度的计算加水量的计算•第二章含水量及界限含水量试验5土工试验分为室内和现场试验。含水量是施工质量控制的重要依据，界限含水量可用来计算塑性指数和液性指数，也是粘性土分类和估计地基承载力的依据。可以判断土体状态和塑性范围。1、含水量试验（试验步骤）（1）烘干法：适用于粘性土，砂性土及有机质土设备：烘箱、天平（感量0.01g）、干燥器数量：15—30克，砂土稍多些。温度：105—110，有机土（含量大于5％）在65—70度烘干，结果一般比实际偏大。时间：粘性土大于8小时，砂土大于6小时。烘干后放入干燥器冷却。（2）酒精法适用于现场。土样：粘土10g左右、砂土20~30g。燃烧3次。结果略低于烘干法。试验结果精确到0.1％（如15.2％）测定原状土样的物理力学指标时，含水率可用重塑土样的含水率。2、界限含水量试验界限含水量是土的固有指标与环境无关。（1）平衡锥式液限仪法平衡锥式液限仪使锥体在15秒入土10mm时就是土的液限。否则需要加水或吹干后再试验。试验需二次测定，取其平均值，但差值不得超过2%（2）液塑限联合测定法液塑限联合测定仪理论依据：根据极限平衡理论，当圆锥角为30度时，圆锥入土深度与含水量在双对数坐标上呈直线关系。试验时使的锥体在5秒时分别下降3、17毫米左右（太大或太小时制样困难），然后再控制几组在3—17毫米之间，椎入应重复二、三次取平均值，然后将数据绘制在双对数坐标上，查找17和2毫米所对应的含水量就是土体的液限和塑限。《土工试验方法标准》和《公路土工试验规程》分别采用76克和100克的锥入土。（3）滚搓法当滚搓到3毫米直径断裂时，含水量就是塑限（不是含水率）。注意土体的断裂是水分减少的结果，而不是用力过大或土条太长的原因，其准确度取决于操作者的经验。搓成条状不断裂的土塑性越高。3、收缩试验64、成果应用（1）我国《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002用塑性指数划分细粒土。（Ip17为粘土，10Ip17为粉质粘土）（2）用液性指数判别粘土的状态。鉴定土层所处的稠度状态（坚硬：IL≤0;可塑：0IL≤1.0;流动：IL1.0）（3）工程中还应用其估算地基土的承载力第三章密度和比重试验方法主要有：环刀法（细粒土）、蜡封法（易破裂和形状不规则）、灌砂法（现场测定细粒土、砂质土和砾质土）。（1）环刀法环刀：截面面积30，高2cm；天平：感量0.01g，称量200g试验时先做比环刀内径大的土柱，环刀内壁涂凡士林，再压入环刀。（2）蜡封法适用于易破碎和不规则的土。用削土刀取体积大于30CM3，去掉松、浮和棱角土，称空气中重（0.01g），用蜡封法封闭土体测土体体积。蜡的温度刚过熔点，不要出现气泡，试样要缓慢放入。所用水的密度随温度变化，因此要测水温。称水中重（0.01g）。从水中取出称重，如增加超过0.03g，应重做；平行试验，取平均值。平行误差不得超过0.03g/cm3（3）灌砂法适用于现场测定细粒土、砂性土、和砾类土粒径小于15mm的试样。测定层厚