土工试验基础与应知应会.docx
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土工试验基础与应知应会
土工试验的四个阶段
土工试验可分为四个阶段(个人观点)
第一阶段目标:
熟练掌握各项试验的操作,仪器设备的使用;熟悉基础理论知识和基本概念,熟悉各指标的计算、换算及基本单位。
(入门阶段)本阶段要点:
基本概念及计算。
第二阶段目标:
掌握各项试验的操作要点及仪器设备的基本结构;掌握试验数据的汇总处理及试验结果的初步评价;了解不同规范标准的差异;形成试验报告。
(独立完成报告编制审核)本阶段要点:
结果处理及评价。
第三阶段目标:
掌握仪器设备的配置、安装、调试;了解不同地区不同土层土的特点以及不同土层相同性质土的差异;能对试验报告进行评价。
(完成报告审批、试验室的组建运行)本阶段要点:
土的地区及土层特点。
第四阶段目标:
具备发现问题、解决问题和应对检查认证的能力;具备开发新项目的能力;归纳总结,有一整套属于自己的经验数据;了解相关专业的基本知识。
(专家级)都是要点。
四个阶段都应熟悉相应的质量管理知识
一、土质
由于土的非均质性,各向异性,因地而异,带来其学科特点:
综合性强,经验性强,实践性强和地区性强。
土是地壳母岩在大气中经长期强烈风化作用,使其崩解和破碎而形成的大小不同的松散物质。
包括岩石碎块、矿物颗粒和粘土矿物,它的主要特征:
碎散性、多相性和自然变异性。
物理风化后的土可以当成只是颗粒大小上量的变化。
化学风化的结果,形成十分细微的土颗粒,最主要的为粘土颗粒以及大量的可溶性盐类,南方平原地区由于地下水长期浸泡,可溶性盐基本都溶于水中,北方地区由于缺水,地下水位很低,土中(特别是湿陷性黄土中)可溶性盐类含量就很高。
土是一种特殊的材料,既非刚性体,又非弹性体,是一门复杂又不很成熟的学科(学科形成时间短)。
二、土的三相组成
土的三相组成是指土由固体土粒、液体水和气体三部分组成。
土中的固体矿物构成土的骨架,骨架之间贯穿着大量孔隙,孔隙中充填着液体水和气体。
土体三相比例不同,土的状态和工程性质也随之各异。
特殊情况下为两相(干土和饱和土)或四相(有固体水)体。
土中固体颗粒是土的三项组成中的主体,其粒度成分、矿物成分决定着土的工程性质。
土是由大小不同的颗粒组成的,土粒的大小称为粒度。
天然土的粒经一般是连续变化的,把大小相近的土粒合并为组,称为粒组,每个粒组的区间内,以其粒径的上下限给粒组命名。
不同粒组以不同数量配合,称为颗粒级配。
土中液体包括:
结合水(结构水)根据其与土颗粒表面结合的紧密程度可
分为吸着水(强结合水)和薄膜水(弱结合水),其中薄膜水对粘性土的影响最大;自由水和气态水、固态水。
土中气体指土的固体矿物之间的孔隙中,没有被水充填的部分。
这种含气体的土称为非饱和土。
表示土的三相之间关系的指标,称为土的基本物理指标。
含水率、密度、比重是直接用实验方法测定的,通常称为实验指标。
已知
这三个基本指标就可以用公式算出下面一些指标----计算指标。
干密度、重度、孔隙比、孔隙率、饱和度等。
土的三相图如下,图中m为质量,v为体积
ma气vavv
mmw水vwv
ms土粒vs
土的基本物理性质指标的表达式分别是:
密度m/v、干密度ms/v、含水率mw/ms、孔隙比vv/vs、饱和度vw/vv、孔隙率vv/v。
饱和土表示va为零。
基本公式:
Gs(1+0.01w)Gs×w
e=-1Sr=
ρe
三、土的物理状态
土的物理状态,对于粗粒土,是指土的密实程度(很难取到原状样,一般用
标贯击数区分);对于细粒土,指土的软硬程度或称稠度。
含水率对粘性土所处的状态影响很大,随着含水率的增加,粘性土可从固
体状态经过塑性状态变为流动状态。
塑性:
粘性土在外力作用下可以塑成任何形状而不发生裂缝,并且在外力解除后保持已有的变形而不恢复原状的一种性质。
粘性土的稠度,反映土粒之间的联结强度随着含水率高低而变化的性质。
其中各不同状态之间的界限含水率具有重要的意义。
液限:
粘性土呈液态与塑态之间的界限含水率。
塑限:
粘性土呈塑态与半固态之间的界限含水率。
塑性指数:
细颗粒土体处于可塑状态下,含水率变化的最大区间,等于液限和塑限的差值。
一种土的塑性指数大,表明该土能吸附结合水多,但仍处于可塑状态,亦即该土粘粒含量高或矿物成分吸水能力强。
塑性指数的大小主要与土内所含粘土粒组多少有关。
土中含粘土粒组越多,则其塑性指数就越大,表示土处于塑性状态的含水率范围就越大。
液性指数是将土的天然含水率与液限及塑限相比较,以表明含水率是靠近液县还是塑限来反映土的软硬不同。
根据液性指数所判定的稠度状态,是以室内扰动土样测定的,未考虑土的结构影响,故只能作参考。
四、地基土的分类
土的工程分类中最常用的指标是粒度成分和反映塑性的指标。
土分类的一般原则是:
粗粒土按粒度成分;细粒土按塑性指数、液性指数和孔隙比;含有机质土按有机质含量。
1、岩石:
在自然状态下颗粒间牢固联接,呈整体或具有节理裂隙的岩体称为岩石。
根据岩石的坚固性分为硬质岩石和软质岩石。
根据风化程度分为微风化、中风化和强风化。
根据成因分为岩浆岩(火成岩)、沉积岩(水成岩)和变质岩(原岩变了性质)。
2、碎石土:
粒径大于2mm的颗粒含量超过总重的50%的土称为碎石土。
根据粒组含量及颗粒形状不同,可分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾、角砾。
密实度可根据野外鉴别方法划分为密实、中密和稍密。
3、砂土:
粒径大于2mm的颗粒含量小于或等于全重的50%,粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土称为砂土。
根据粒组含量可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。
碎石土和砂土定名时应根据粒组含量由大到小以最先符合者确定。
4、粉土:
塑性指数小于或等于10,粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土称为粉土。
(粘粒含量小于10或Ip<7称为砂质粉土,粘粒含量大于10或Ip=7-10称为粘质粉土)
粉土的物理状态介于粘性土和砂土之间,其状态分类参照粘性土和砂土。
5、粘性土:
塑性指数大于10的土称为粘性土。
按塑性指数可分为粘土和粉质粘土。
按工程地质特性分为一般粘性土、淤泥和淤泥质土及红粘土。
一般粘性土:
通常压缩性较低,强度较高。
软土一般指天然含水率大,压缩性高,承载能力低的软塑到流塑状态的土。
淤泥和淤泥质土:
在静水或缓慢的流水中沉积,经生物化学作用形成。
天然含水率大于液限(流塑);天然孔隙比大于1.0(1.0-1.5淤泥质土,≥1.5淤泥)。
为压缩性高、强度低、透水性低的不良地基。
红粘土:
碳酸盐岩系出露区的岩石,经红土化作用形成的高塑性粘土。
液限大于50,上硬下软,具明显的收缩性,裂隙发育。
次生红粘土为经再搬运后仍保留红粘土的基本特征,液限大于45的土,常含粗颗粒。
6、人工填土:
人工填土是指由于人类活动而堆填的土。
根据组成和成因可分为:
素填土:
由碎石土、砂土、粉土、粘性土等组成的填土,经分层压实者统称为压实填土。
杂填土:
含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。
冲填土:
由水力冲填泥砂形成的填土。
土的物理状态按液性指数可分为坚硬、硬塑、硬可塑、可塑、软塑和流塑。
五、操作应知应会和注意事项
1、开土
开土时应对土样性质、状态、颜色、层次、结构、包含物和均匀性等进行描述,注意土样上下方向。
土样性质和状态靠手感(经验积累)、层位、切面光泽度(侧光照看)、颗粒感、地区经验等。
看密度大小是区分的一种重要辅助方法,由于本地区基本都是饱和土,根据基本公式,密度和含水率密切相关(1.6-60;1.7-50;1.8-40;1.9-30;2.0-22),也即根据密度可推算出含水率的大概数值,而液限和塑限之间也有密切相关性(29-18;31-19;33-20;35-21;37-22;39-23;42-24;44-25;46-26;48-27;50-28;52-29;54-30,基本上除了液限39到42外,液限每增加2,塑限增加1),可依据推算出的含水率及液塑限之间的相关性判断土的性质和状态,特别是淤泥和淤泥质土的区分(界限一般在密度1.67,此时含水率55左右,孔隙比1.5左右,可判断密度大于1.67为淤泥质土,小于1.67为淤泥)和淤泥质粉质粘土和流塑状粉质粘土的区分(界限一般在密度1.85,此时含水率36左右,孔隙比1.0左右,可判断密度大于1.85为流塑状粉质粘土,小于1.85为淤泥质粉质粘土),此方法也可用于液塑限结果的处理。
应注意这个方法只适用于常规类型的粘性土(不包括粉土),对灰色和黄色的土效果尤其好,对有机质土和深部(相对)的浅灰色、浅黄色、全风化土以及红粘土等不适用。
有些全风化的土指标达到了淤泥,但不能定为淤泥。
此外,颜色也是判断状态的一个参考因素,一般灰色的土很少有硬塑和硬可塑的(深部土层有),带黄色的土也很少有流塑的,带青、绿和红色的土一般都较硬(有青灰色和灰绿色的淤泥),这跟成因有关。
相同性质的土随深度增加手感和力学指标都随之增大,表层土尤其偏软,这是由于固结压密程度不同的缘故。
因为物理指标基本都是扰动后做的,而力学指标都是原状时做的。
描述时可做一些记号区分上中下限(尤其是吃不准时),以便于资料整理时能更好把握。
颜色一般把主色放在后面。
层次和结构包括层状、夹薄层、夹层、扰动情况、松散程度、上下部不一致等。
包含物包括有机质、贝壳、朽木、钙结核、铁锰质结核、植物根须、砾砂等
试样制备时应在环刀内侧涂一薄层凡士林,环刀应垂直于土样。
切土时切土刀沿环刀外侧切削土样,边压边削至土样高出环刀,整平环刀两端。
切削土样时,要防止扰动。
2、含水率
烘干法适用于各种类型的土。
含水量应该是土体中所含的水量,而含水率是水质量和干土质量的比值,用百分率表示,结果保留一位小数。
公式:
((m/ms)-1)×100%
代表性试样选取:
应在切取试样环刀的上下两面选取土样,取15-30g。
称量精度要求0.01g。
试验温度:
105-110℃,这是因为取决于土的水理性质。
土中水一般分为强结合水、弱结合水和自由水三种,为不使强结合水不断析出及有机质不断损失,烘干温度不宜过高。
在烘干过程中有的有机质会逐渐分解而不断减轻质量,有的因氧化而增加质量,因此,有机质含量超过5%的土,烘干温度采用65-70℃。
烘干时间:
对粘性土取15-30g,烘干时间不少于8小时是根据多年比较试验而确定的。
砂性土持水性差,可不少于6小时。
试样应先在干燥缸内冷却至室温再称量,一是避免天平受热不均影响精度,二是防止热土吸收空气中的水分。
平行差值:
采用平行试验,含水率在40%以下,允许差值1%,含水率大(等)于40%,允许差值2%。
目的是避免操作中发生错误,同时可进一步了解含水率的均匀程度。
3、密度
环刀法适用于细粒土。
土的密度定义为单位体积质量,结果保留两位小数,单位:
g/cm3。
公式:
m/v,称量精度要求0.1g。
环刀法适用于细粒土。
环刀:
考虑到与剪切、固结等项试验所用环刀相配合,一般选用内径61.8mm,高20mm即容积为60cm3的环刀。
环刀壁厚一般为2mm,刃口厚度0.3mm。
平行试验允许误差:
0.03g/cm3
4、比重
比重瓶法适用于粒径小于5mm的各类土。
土粒比重定义为土粒在105-110℃温度下烘至恒重时的质量与同体积4℃时纯水质量的比值。
无量纲。
比重瓶法适用于粒径小于5mm的各类土,称量精度要求0.001g。
。
一般土粒的比重用纯水测定,对含有可溶盐、亲水性胶体或有机质的土,须用中性液体(如煤油)测定。
用真空抽气法代替煮沸法排除土中空气。
经验法:
比重变化范围小,与塑性指数关系密切,允许试验误差大(0.02),有经验的地区可采用经验法。
粉细砂:
2.68砂质粉土:
2.69粘质粉土:
2.70
粉质粘土2.71-2.74粘土2.74-2.77红粘土2.75-2.85,泥炭质土和有机质土不适用。
5、界限含
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