【第二章 土工】

　　22、存在于矿物颗粒内部的水有化学结构水和化学结晶水;存在矿物颗粒表面的水有结合水和自由水。其中结合水是靠静电引力所吸附，自由水包括毛细水(表面张力)和重力水(重力作用)。土的物理性质指标有：密度、比重、含水率、干密度、饱和密度、浮密度、孔隙比、空隙率、饱和度。其中前三项指标是基本物理性质指标，干密度ρd，饱和密度ρsat(孔隙充满水)，浮密度ρ’=ρsat-ρw，孔隙比 e，孔隙率n=e/(1+e)，饱和度 Sr 指孔隙中水的体积与孔隙体积之比，分三种状态：0~0.5 为稍湿状态，0.5~0.8 为潮湿状态，0.8~1 为饱和状态。ρsat≥ρ>ρ’

　　23、土的物理性质试验包括含水率、密度、比重、颗粒分析和相对密度等;土的水理性质试验包括界限含水率、稠度、膨胀、收缩和毛细上升高度等;土的力学性质试验包括渗透性、击实性、压缩性、黄土湿陷性、直接剪切、三轴剪切、无侧限抗剪、土基承载比及回弹模量等;土的化学性质试验包括酸碱度、烧失量、有机质含量、可溶盐含量、阳离子交换量和矿物成分等。

　　24、含水率试验：包括烘干法、酒精燃烧法和比重法。

　　烘干法：适用于各种土(包括有机质土和冻土)，烘干温度为 105~110℃，烘干时间对细粒土不得少于 8h，对砂类土不得少于 6h，对含有机质超过 5%的土或含石膏的土，温度应控制在 60~70℃，烘干 12~15h 为宜。进行二次平行测定，取其算术平均值。允许平行差值为：含水率在 5 以下为 0.3;40 以下为≤1;40以上为≤2;对层状和网状构造的冻土为<3。

　　酒精燃烧法：取代表性试样(黏质土 5~10g;砂类土 20~30g)，需燃烧 3 次，本法适用于无黏性土和一般黏性土，不适用于含有机质土、含盐量较多的土和重黏土。

　　比重法：仅适用于砂类土。

　　25、密度试验：包括环刀法、蜡封法、灌砂法、灌水法。

　　蜡封法：适用于易破裂土和形态不规则的坚硬土，ρ=m/(总体积-蜡体积)

　　灌砂法：试样的最大粒径一般不得超过 15mm，测定层厚度为 15~20cm;在测定细粒土密度时，可以采用φ100mm 的小型灌砂筒，如最大粒径超过 15mm，达 40~60mm 粗粒土，灌砂筒直径应为 15~20cm。在储砂筒内装满砂，高度与筒顶的距离不超过 15mm，测定含水率所需的样品数量：对于细粒土不少于 100g，对于粗粒土不少于 500g。

　　灌水法：适用于现场测定粗粒土和巨粒土的密度。

　　26、比重试验(相对密度)：主要有比重瓶法、浮称法、浮力法、虹吸筒法。

　　比重瓶法：适用于粒径小于 5mm 的土，对含有一定量可溶盐、非亲水性胶体或有机质的土，必须用中性液体(如煤油)测定，真空抽气法的压力表读数宜为 100KPa。土的比重 Gs=ms*Gw/(m1+ms-m2)，必须进行二次平行测定，取其算术平均值，保留两位小数，其平行差值不得大于 0.02。

　　浮称法：适用于粒径大于或等于 5mm 的土，其中粒径大于或等于 20mm 的土不超过总土质量的 10%。

　　浮力法：适用于粒径大于或等于 5mm 的土，其中粒径大于或等于 20mm 的土不超过总土质量的 10%。

　　虹吸筒法：适用于粒径大于或等于 5mm 的土，其中粒径大于或等于 20mm 的土含量大于或等于总土质量的 10%。土的比重 Gs=ms*Gw/(m1-m0)-(m-ms)

　　27、颗粒分析试验：对于大于 0.075mm 的土粒常采用筛分法;对于小于 0.075mm 的土粒采用沉降分析法。

　　沉降分析法的原理是司马克斯定律，土粒的大小称为粒度，大小相近的土粒合并为组，称为粒组。土的粒度成分是指各种不同粒组的相对含量，粒度成分的表示方法有表格法、累积曲线法和三角型坐标法。不均匀系数 Cu=d60/d10，反映粒组的分布范围和分布情况;曲率系数 Cc=d302/d10*d60，反映曲线的整体形状。其中 d10 指有效粒径，d60 指限制粒径。一般认为不均匀系数 Cu<5 时，为匀粒土，级配不好;Cu>10时，为级配良好的土。当同时满足不均匀系数 Cu>5 和曲率系数 Cc=1~3 这两个条件时，为级配良好的土;

　　如不能同时满足，则为级配不良的土。属于沉降分析法的有密度计法及移液管法。

　　筛分法：对于粒径大于 60mm 的土样，本方法不适用。取代表性试样的要求：小于 2mm 颗粒的土 100~300g;小于 10mm 的土 300~900g;小于 20mm 的土 1000~2000g;小于 40mm 的土 2000~4000g;大于 40mm 的土 4000g 以上。筛后各级筛上和筛底土总质量与筛前质量之差不应大于 1%，对于无凝聚性的土用干筛法，对于含有黏土粒的砂砾土用水筛法。

　　密度计法、移液管法：都适用于分析粒径小于 0.075mm 的细粒土，一般用 25%氨水作为分散剂，取代表性试样，黏质土为 10~15g，砂类土为 20g，按密度计法制取悬液。

　　28、砂的相对密度试验：本试验适用于颗粒直径小于 5mm 的土，且粒径 2~5mm 的试样质量不大于总质量的 15%。相对密度等于最大空隙比与天然空隙比之差和最大空隙比与最小空隙比之差的比值，对于最小和最大干密度，均需进行两次平行试验，取其算术平均值，平行误差值不得超过 0.03g/m3，相对密度的分级：

　　Dr≥0.67 时为密实;0.33~0.67 时为中密;0.2~0.33 为松散中的稍松，<0.2 时为松散中的极松。

　　29、液塑限试验：液限(WL)是指土从液体状态向塑性体状态过渡的界限含水率;塑限(Wp)是指土由塑性体状态向脆性固体状态过渡的界限含水率。在国际上称为阿太堡界限，塑性指数代表塑性的大小，Ip=WL-Wp;液性指数表示天然含水率与界限含水率的相对关系，IL=(W-Wp)/(WL-Wp)，当 IL=1 时，土处于液限;当 IL=0 时，土处于塑限。当含水率减少而土的体积不再收缩时的界限含水率称为缩限 Ws。固态(缩限 Ws)半固态(塑限 Wp)可塑状态(液限 WL)液态

　　液塑限联合测定法：适用于粒径不大于 0.5mm、有机质含量不大于 5%的土。过 0.5mm 的筛，分开放入三个盛土皿中，使土样含水率分别控制在液限(a 点)、略大于塑限(c 点)和二者的中间状态(b 点)附近，测记经过 5s 锥的入土深度。在双对数坐标纸上，两个含水率的差值应小于 2%，入土深度为 20mm 所对应的含水率即为该土样的液限含水率。

　　液限碟式仪法、塑限滚搓法、缩限试验：均适用于粒径不大于 0.5mm、有机质含量不大于 5%的土。

　　当搓到土条直径恰好为 3mm 左右时，土条自动断裂时的含水率即为塑限。收缩指数指液限与缩限的差值。

　　土的天然稠度试验：土的天然稠度是土的液限与天然含水率之差和塑性指数之比：Wc=(WL-W)/Ip

　　30、一般对粗粒土主要按粒度成分进行分类，黏性土则按照塑性指数分类，土分类的依据有：土颗粒组成特征、土的塑性指标(液限、塑限、塑性指数)、土中有机质的存在情况。土粒组分类：分为巨粒组、粗粒组、细粒组，对应的粒径分界点为 60mm、0.075mm;其中巨粒组中又分为漂石和卵石，分界为 200mm;

　　粗粒组又分为砾和砂，分界为 2mm。将土分为巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土(2、2、3、5)。细粒土包括粉质土、黏质土、有机质土;特殊土包括黄土、膨胀土、红黏土、盐渍土和冻土。土的塑性图是以液限为横坐标，塑性指数为纵坐标。

　　31、试样中巨粒组质量多于总质量的 15%的土称为巨粒土;试样中巨粒组质量少于或等于总质量的 15%，但巨粒组和粗粒组质量之和大于总质量的 50%的土称为粗粒土;试样中细粒组质量多于或等于总质量的

　　50%的土称为细粒土。砾类土又分为砾(细粒土含量≤ 5%)、含细粒土砾(5%~15%)、细粒土质砾(15%~50%);砂又可分为粗砂(大于 0.5mm 粒径的多于总质量的 50%)、中砂(大于 0.25mm 粒径的多于总质量的 50%)和细砂(大于 0.075mm 粒径的多于总质量的 75%)。

　　32、细粒土中粗粒组质量少于或等于总质量的 25%的土称为粉质土或黏质土;细粒土中粗粒组质量为总质量的 25%~50%的土称为含粗粒的粉质土或黏质土。试样中有机质含量多于或等于总质量的 5%，且少于总质量的 10%的土称为有机质土;试样中有机质含量多于或等于 10%的土称为有机土。

　　33、塑性图中右上角为高液限黏土(CH)其中膨胀土为 CHE;右下角为高液限粉土(MH)其中红黏土为 MHR;左上角为低液限黏土(CL)其中黄土为 CLY;左下角为低液限粉土(ML)。A 线 Ip=0.73*(WL-20)，B 线 WL=50%;含砾细粒土后面加 G，含砂细粒土后面加 S，若烘烤 24h 后试样的液限小于烘烤前的 3/4，则该试样为有机质土。

　　34、击实试验：击实使粗粒土增强了摩擦力和咬合力，细粒土增强了分子引力。室内击实试验：适用于细粒土，分为轻型击实和重型击实，内径 100mm 的试筒适用于粒径不大于 20mm的土;内径 152mm 的试筒适用于粒径不大于 40mm 的土。当最大粒径大于或等于 40mm，并且大于 40mm的含量大于 5%时，应使用大尺寸试筒进行击实试验，大尺寸试筒要求最小尺寸大于最大粒径 5 倍以上，分层厚度大于最大粒径 3 倍以上，单位击实功控制在 2677.2~2687 范围内。轻型Ⅰ法分为Ⅰ-1 和Ⅰ-2，重型Ⅱ法分为Ⅱ-1 和Ⅱ-2，这四种类别对应的锤底直径都是 5cm，锤质量是 2.5、2.5、4.5、4.5;落高是 30、

　　30、45、45;内径和高是 100 及 127、152 及 120、100 及 127、152 及 120;容积是 997、2177、997、2177;层数是 3、3、5、3;每层击数是 27、59、27、98;击实功是 598.2、598.2、2687、2677.2;最大粒径是 20、40、20、40。干法制样：按土的塑限来估计最佳含水率，依次相差约 2%的含水率制备试样不少于 5 个，其中两个大于和两个小于最佳含水率。静置时间对高液限黏土不得少于 24h，低液限黏土不少于 12h。击实后余土高度不超过试筒顶面 5mm(小筒)或 6mm(大筒)，影响压实的因素有含水率、击实功、压实机械、土粒级配等。

　　35、压缩试验(固结特性)：饱和土体受到的总应力为有效应力和孔隙水压力之和，压缩性试验分为室内压缩试验和野外承载板试验。孔隙率=e-△h/h(1+e)，表示圧缩曲线的方法有 e-p 曲线和 e-lgp 曲线，土的压缩系数α= - e/p，α不是常数，一般随着压力 p 的增大而减小，工程上常以 p=100~200kPa 时的压缩系数作为评价土层压缩性的标准。土的压缩模量 Es=(1+e1)/α，在 e-lgp 曲线中有压缩指数 Cc，在曲线过渡到直线段的拐弯点的压力值是历史上的最大固结压力，称为先期固结压力 Pc。天然土层的三种固结状态：超固结状态(Pc>гz 土的重度、上覆压力)、正常固结状态(Pc=гz)、欠固结状态(Pc<гz)。

　　粗粒土的三轴压缩试验：适用于测定最大粒径为 60mm 粗粒土的抗剪强度指标参数，试件尺寸分为φ30cm*60cm 和φ30cm*75cm 两种，试件应分层装填，一般分 6 层，试验开始阶段，每产生 1mm 垂直变形测记一次，当接近峰值时应按每产生 0.5mm 垂直变形记录一次读数，已出现峰值后，继续测读 1~2 次即可停机，如果没有出现峰值，当相邻两级压力差小于 5kPa 时即可关机。

　　36、抗剪强度试验：与强度有关的工程问题主要是稳定问题、环境问题和承载力问题。

　　直剪试验：分为应变式和应力式两类，前者是等速推动、后者是分级施加，我国普遍采用的是应变式直剪仪。砂性土的平均剪应力=法向应力σtanψ;黏性土的平均剪应力=黏聚力 c+σtanψ。土的抗剪强度与土受力后的排水固结状态有关，直剪试验有快剪、固结快剪和慢剪三种试验方法。快剪从加荷到剪坏只用3~5min。应力应变曲线具有明显峰值时，取峰值作为抗剪强度破坏值，如曲线无峰值，一般取其剪应变的15%或试样直径的 1/15~1/10 剪切变形时的剪应力作为破坏值。

　　三轴试验：三轴剪力仪包括三个部分：主机、稳压系统、量测系统。其中主机包括压力室、加荷系统(包括传动装置)等。三轴试验分为不固结不排水剪(UU 试验)、固结不排水剪(CU 试验)、固结排水剪(CD试验)。ψ依次增大，c 依次减小。单轴试验(无侧限压缩试验)：主要用于测定饱和软黏土的无侧限抗压强度及灵敏度，灵敏度是表示土结构对强度影响的指标，灵敏度 St<2、2~4、4~8、>8 四个范围对应于不灵敏的黏土、中等灵敏黏土或一般黏土、灵敏性黏土、高灵敏性黏土。

　　粗粒土的直剪试验：适用于最大粒径为 60mm 的粗颗粒土。

　　37、粗粒土和巨粒土的最大干密度试验：

　　表面振动压实仪法：适用于 0.075mm 标准筛的土颗粒质量不大于 15%的粗粒土和巨粒土的最大干密度，振动器功率为 0.75~2.2kW，振动频率为 30~50Hz，激振力 10~80kN，产生 18kPa 以上的静压力。干土法中装填量宜等于或略低于筒高的 1/3，振动器振动 6min，相对密度 Dr=(max-0)/(max-min)=(d-min)*max/(man-min)*d。

　　振动台法：适用于 0.075mm 标准筛的土颗粒质量不大于 15%的粗粒土和巨粒土的最大干密度，干土法中装填量宜等于或略低于筒高的 1/3，振动台在振动频率 50Hz 下振幅为 0.5mm，振动 10min;在振动频率60Hz 下振幅为 0.35mm，振动 8min。

　　38、土的承载比(CBR)试验：适用于各种土、路面基层、底基层，试样的最大粒径宜控制在 20mm 以内，

　　最大不得超过 40mm 且含量不超过 5%。试筒内径 152mm，高 170mm，套环高 50mm，筒内垫块直径 151mm，高 50mm;贯入杆端面直径 50mm，长约 100mm 的金属柱;路面材料强度仪能量不小于 50kN，贯入速度每分钟 1mm。土团均应捣碎到通过 5mm 的筛孔，采取有代表性的试样 50kg，用 40mm 筛筛除大于 40mm的颗粒，用四分法取出 25kg，再用四分法分成 4 份，每份 6kg。测定含水率用试样数量：粒径<5mm、5mm、20mm、40mm 对应的试样质量为 15~20g、50g、250g、500g。按重型击实试验Ⅱ-2 要求，浸润时间：重黏土不得少于 24h，轻黏土可缩短到 12h，砂土可缩短到 1h，天然砂砾可缩短到 2h。如每种干密度试件制3 个，共制 9 个试件，每层击数分别为 30 次、50 次和 98 次，使试件的干密度从低于 95%到等于 100%的最大干密度，9 个试件共需试料约 55kg。在多孔板上加 4 块荷载板，在泡水期间，槽内水面应保持在试件顶面以上约 25mm，通常泡水 4 昼夜。先在贯入杆上施加 45N 荷载，加荷使贯入杆以 1~1.25mm/min 的速度压入试件，注意使贯入量为 2.5mm 时能有 5 个以上读数，第一个读数应在贯入量为 0.3mm 左右。一般采用贯入量为 2.5mm 时的单位压力与标准压力之比作为材料的承载比 CBR=p/7000，计算至 0.1，贯入量为 5mm 时的承载比 CBR=p/10500，如贯入量为 5mm 的承载比大于 2.5mm 时的承载比，则试验应重做，如结果仍然如此，则采用 5mm 时的承载比。当承载比变异系数大于 12%，则去掉一个偏离大的值，取其余两个结果的平均值，如变异系数小于 12%且三个干密度偏差小于 0.03，则取三个结果的平均值;如三个干密度的偏差大于 0.03，则去掉一个偏离大的值，取其余两个结果的平均值。

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