土工试验-学习资料

土工试验:是研究土在动、静荷载作用下，土的物理力学性质，即研究土的应力、应变、强度和时间之间关系的一门技术。

主要内容：

1．土的物理性质指标试验

（1）含水率试验

（2）密度试验

（3）土粒比重试验

（4）指标换算

2．液塑限试验 

（1）联合测定法测液限、塑限

（2）锥式液限仪测液限

（3）搓条法测塑限

3．击实试验

4．小结、例题详解

           一、土的物理性质指标试验

什么是土：土是岩石表层在漫长的地质年代里，经过各种复杂的地质作用而形成的地质体。根据土的来源可分为无机土和有机土两大类，由地表岩石经风化作用而形成的没有胶结或弱胶结的颗粒堆积物称无机土，在沼泽等缺氧环境里，由动植物残骸完全或部分分解所形成的堆积物，称有机土。天然土大部分是无机土，当土中含有一定量的有机质时,通常5-10%,对土的性质会产生影响。

土是松散颗粒的集合体由液相、固相和气相三部分组成。

三相指标之间的比例关系决定土的物理力学性质。

     仅含土粒和空气，称二相土，干土

     仅含土粒和水，称二相土，饱和土

     含土粒、水和气，称三相土

1.含水率试验

1定义:土的含水率是指土在105-110oC 的温度下烘至恒重时所失去的水的质量和达到恒重后的干土质量的比值。

含水量：土中所含的水量，单位为g,反映土中水分含量的状况。

含水率：是一个比值的概念，是表达含水量相对大小的数值。

国家标准《岩土工程基本术语标准》规定，将以前的含水量改为含水率。

2测定方法

a)标准方法（烘干法）

仪器设备：烘箱（能控制温度105-110Oc）

天平（200g,精度0.01g）

干燥器，称量盒（铝盒）

注意：*取样数量，应考虑试样的代表性、烘焙时间、土的持水性等因素。粘性土---15-30g

                    砂性土应多一些

      *烘干时间，粘性土、粉土  8小时

                 砂类土   6小时

      *温度   无机土   105-110oC

              有机土 （wu>5%）   65-70oC   温度过高，有机质，特别是有机酸会在烘烤的过程中逐渐分解损失掉

      *平行差    含水率w<40%     为1%

                       w≥40%    为2%

b)洒精燃烧法

      适用于测定细粒土，是一种快速测定法

      取样数量：粘性土    5-10g

                砂性土    20-30g

      注意：*酒精的纯度95%

            *自由液面，燃烧三次

            *洒精燃烧法试验的温度与烘干法不同，燃烧时的火焰温度与土面保持2-3cm的距离，土样实际所受温度仅在75-80oC,火焰熄灭时几秒钟土所受温度上升至200-220oC,洒精燃烧法比烘干法所测得的w少 1%左右。

            *注意安全

    思考题：①w>105%      (正误判断)

　　　　　　②某土样采用洒精燃烧法进行了平行测定，第一个试样测得w=28.5%,第二个试样测得w=29.7%,该土样试验是否合格？若进行第三次测定的测定值为27.8%,该土样的含水率是多少? 

2.密度试验

1定义：

湿密度ρ:单位体积土体的质量 ρ=   单位 g/cm3

饱和密度ρm:土孔隙全部充满水时，单位体积土体的质量

         ρm=  VV：孔隙体积

浮密度ρ’：土样浸没在自然水面以下单位体积土的有效质量

          ρ’=     ---土粒体积    

阿基米德定律：浸没液体里的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开液体的质量。

   干密度：单位体积干土的质量      ---土粒的质量

2 试验方法

    A）环刀法：

适用于细粒土密度的测定

试验方法---将环刀放在试样端部，刃口朝下，用力将环刀压入少许，边压边修，整平试样二端，称重，计算ρ。

    B）灌砂法

       适用于测定粗粒土的密度    

       仪器设备：密度测定器、天平等。    

试验步骤：

      ⑴ 测定标准砂的密度

     按图示方式组装密度测定器     称密度测定器的质量      将密度测定器直立,漏斗口朝上，关阀门、向灌砂漏斗注满标准砂     开阀 ，砂流入容砂瓶，砂停止流动时关阀     倒掉漏斗中的多余砂，称砂、瓶、漏斗总质量，准确至5g     倒掉容砂瓶的标准砂，通过漏斗向容砂瓶注水，称容砂瓶、漏斗、水的质量     重复测定三次，取三次的平均值作为容砂瓶的体积。

        ----容砂瓶、漏斗、水的质量

        ----容砂瓶、漏斗的质量

         ----温度为t度时水的质量

标准砂的密度  

              ---容砂瓶、漏斗、砂的质量

⑵根据粒径大小，确定试坑尺寸

4挖坑，称土

5容砂瓶装满砂，关阀门，称容砂瓶漏斗和砂的质量

6将密度测定器倒置于挖好的坑口上，打开阀门，使砂注入试坑。注满关阀。称容砂瓶，漏斗和余砂的总质量。计算所用的标准砂。

⑺计算

   为试坑内挖出的试样质量；

为注满试坑所用标准砂的质量；

为标准砂的密度    

       C)灌水法

       原理同灌砂法,测定挖出的试样质量和试坑体积。

       D)蜡封法

        适用于易破裂的土和形状不规则的坚硬土。方法详见规程。

---蜡封试样的质量

---蜡封试样在纯水中的质量

---水在toc的质量

---蜡的密度

---土加蜡在水中减少了的质量

---蜡的质量

 思考题：根据定义比较。

3.土粒比重

 定义:土在105-110oC温度下烘至恒重时的质量与同体积4oC纯水质量的比值。

  测定定比重的方法：比重瓶法---适用于粒径小于5mm的各类土

                    浮称法---适用于粒径等于、大于5mm，且大于20mm的土质量小于土的总质量的10%的各类土

                    虹吸筒法：适用于粒径等于、大于5mm，且大于20mm的土质量大于土的总质量的10%的各类土

4.指标换算

1二个三相图

气

e

水

土粒

土

粒

1

2换算指标：孔隙比、孔隙率及饱和度

    孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比

    孔隙率n%:土中孔隙体积与土的整个体积的比值

    饱和度：土中水的体积与孔隙体积之比

3饱和密度  

4浮密度    

5饱和度  

6干密度    

7湿密度     

   由上式， 

   所以   

8

二、界限含水率试验

1.定义

①稠度：粘性土的软硬程度，还可理解为土体在不同含水率时对外力所引起的变形或破坏的抵抗能力。

②稠度状态：表征粘性土在某一含水量下所具有的状态；

③可塑性：是指土体在一定的条件下，因受外力作用其形状发生变化，但不产生裂缝；当外力去掉后，仍能保持既得形状的一种特性。土体处于这样一种稠度的状态称之为可塑状态。

2.粘性土的稠度性质及形态特征

大量试验表明，粘性土含水率变化时，土的体积也随之变化，粘性土的状态也变化，粘性土的含水率由多变少，土从液态变为可塑态→半固态→固态，土的体积逐渐减小。

液限—粘性土处于可塑状态的上限含水率，相当于液态与可塑状态之间的界限含水率。此时土中含有微量自由水，土粒间易于相对移动。

塑限—粘性土处于可塑状态的下限含水率，当含水率降低到塑限以下时，土不再具有塑性。

缩限—相当于从半固态转入固态的界限含水率，当土中含水率大于缩限时，土的体积随W减小而收缩。

通常界限含水率试验的目的是确定、。

通常的试验方法为：a）液塑限联合测定法：适用于粒径<0.5mm及有机质含量≤5％的土；

                  b）圆锥仪测液限，搓滚法测塑限。

（1）联合测定法试验步骤

（2）圆锥仪测液限

试验制备方法同联合测定法，当加减水调节圆锥刚好下沉17(10)mm对应的w为。

（3）搓条法测塑限

标准：当土条被搓成直径3mm时产生裂缝并开始断裂，此时的含水率为塑限。

试验步骤：

1取剔除了0.5mm颗粒的天然试样或经碾散后过0.5mm的筛的有代表性试样100g左右，放在盛土皿中，加纯水搅拌均匀，浸润过夜。

2将制备好的试样放在手中搓捏至不粘手，捏扁，当出现裂缝时，表明含水率接近塑限。

3取接近塑限含水率的试样8-10g，用手搓成椭圆形，放在毛玻璃板上用手掌搓滚，搓滚时，用力要均匀，不得在毛玻璃上无力滚动，土条不得有空心现象，土条长度不宜大于手掌宽度。

4当土条直径搓成3mm时产生裂缝，并开始断裂，表示试样的含水率达到塑限，当土条直径搓成3mm时不产生裂缝，表示试样的含水率高于塑限，当土条直径大于3mm时开始断裂，表示试样的含水率低于塑限。

5取直径3mm土条3-5g，测定其含水率

6应进行二次平行测定，平行差标准同含水率，取平均含水率作为塑限。

（4） 搓条法的缺点

1标准不易掌握，人为影响因素大

2有些土（例低液限土）始终搓不到3mm，建议打饼搓条。

3试验操作人员应有足够的经验

（5）标准问题

1由于采用76g锥，下沉10mm度量的液限比真正液限定义上的液限强度要高2-3倍（理论上液限是强度从无到有的分界点，Casgrande测得为2-3kPa,76g锥/10mm为5.4kPa）,通过大量的试验研究认为76g/10mm和100g/20mm与国际标准在液限时的强度一致。因此，国标规定：76g/17mm作为液限；公路标准：100g/20mm作为液限。由于承载力查表的原因，仍保留76g/10mm作为液限。

2国标：塑限为时的含水率作为塑限。

公路标准：公路标准将土分为砂性土和粘性土，由查，由查

（6）

 塑性指数  反映可塑性含水率的变化范围

土的分类：   粘土

            粉质粘土

          ，且粒径大于0.075mm颗粒质量不超过总质量的50%时，粉土

稠度状态划分: 

   坚硬;     硬塑;  可塑

  软塑        流塑

三、击实试验

1. 定义

击实---是指对土瞬时地重复地施加一定的机械功使土体变密实。

击实功---是指击实试验中锤重、锤落高、击数三者的乘积

单位击实功---单位体积的土体所受的击实功，即击实功除以击实筒的体积。

2.目的：用标准击实方法，测定在一定击实功能下，土的干密度和含水率的关系，确定最大干密度和最佳含水率。

击实试验是研究土的现场填筑特性的常用方法，虽不能像现场填筑试验那样直接反映实际情况，但可以取得有参考价值的设计依据。 

3.仪器设备：

击实试验      轻型击实试验(锤质量2.5kg,锤底径51mm，落距30.5cm,击实功591.6kJ/cm3，筒体积947.9 cm3，锤击层数3层，每层击数25击，允许最大粒径5mm。)

重型击实试验（锤质量4.5kg,锤底径51mm，落距45.7cm,击实功2682.7kJ/cm3，筒体积2103.9 cm3，锤击层数5层，每层击数56击，允许最大粒径20mm）

  击实仪：

4.试验方法：

1制备试样：取风干土样20kg(轻型)或50kg(重型)，碾散，过5mm筛。

2 估计最优含水率，轻型接近塑限，重型比塑限少2-4%。其中一个接近最优级含水率，二个高于、二个低于最优含水率，按依次相差2%的含水率制备一组试样（5个）。

3 计算加水量、加水、拌匀、浸润一昼夜。按下式计算加水量

4 安装击实仪，轻型分三层，每层取土600-800g，每层25击；重型分5层，每层取土900-1100g,每层56击。

5 测定湿密度和含水率。

6 绘干密度和含水率曲线，求；绘饱和曲线。

     (饱和时)

  推导：   由此求得

7轻型击实试验中，当粒径大于5mm的颗粒含量小于30%时，按下式进行计算最大干密度和最佳含水率。

：校正后的最大干密度

：粒径小于5mm试样的最大干密度

：粒径大于5mm颗粒含量，以小数计

：粒径大于5mm的颗粒干比重

                      ：粒径大于5mm颗粒的吸着含水率（%）

                      ：粒径小于5mm的颗粒的最优含水率

5. 击实特性

1击实曲线上有一个峰点。在一定的击实功能下，只有当含水率为某一定时，土才能被击实到最大干密度。

2当含水率偏干时，含水率的变动对干密度的影响要比含水率偏湿时的影响更为显著（曲线左段坡度比右段陡）。

3击实土不可能击实到完全饱和，当土的含水率接近或大于时，土内孔隙中的空气受困越来越多，击实作用无法将这些受困气体排出土外，即击实土不可能击实到完全饱和，因此，干密度相同的击实曲线上各点的含水率都小于饱和曲线上相应的含水率。

4不同土类击实特性不一样，颗粒越粗，越大，越小。

    当土的含水率偏干时，土处于疏松状态，此时，土的结构片架结构，土中孔隙大多互相连通,土中含水少而含气多,击实时,土孔隙中的气体易被排出,故土体的密度易被击实到变大.当土中含水率增多并接近最佳含水率时，虽然此时土中孔隙多不连通，孔隙中的水和气处于受困状态，击实时产生的孔隙水压力和孔隙气压力虽有减轻击实功的作用，但此时土中含水率最有利于土粒相对移动使土变密实，故此时土能被击实到最大干密度。

6.填土质量控制标准

1控制指标:压实系数(压实度) 

用作为控制标准比用干密度作为控制标准科学

相同孔隙的土,土颗粒成分不同,不同

土中粗颗粒含量不同,不同

控制指标可避免以上缺点 

2Ⅰ、Ⅱ级土石坝

Ⅲ、Ⅳ级土石坝

3公路路基

7.如何确定击实功能

1应根据填土的使用目的确定

水库堤防填土多采用轻型击实，高等级公路和机场跑道多采用重型击实，工业与民用建筑地基多用轻型击实。 

2与碾压机械相适应

3满足设计要求