土工试验.docx

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土工试验

第五章土工试验

第一节概述

一、基本概念

1、土与土工试验方法的含义

岩石风化后经搬运、堆积（沉积）等过程形成的疏松沉积物称为“土”。

土由矿物颗粒构成骨架，颗粒骨架之间的孔隙中有水和空气。

骨架、水、气组成了土的三相体系，土的三相之间量的比例关系决定了土的物理力学性质。

测定各项物理力学性质指标的试验方法称为“土工试验方法”。

2、土工试验与工程的关系

“土工试验’’是测定各类工程地基土和填筑料工程性质的试验。

试验测得的数据经整理、计算、分析，为工程设施和施工提供可靠的依据、参数或结论。

在建筑地基施工和检测中需要采用有针对性的“土工试验”项目确定建筑地基或填筑体是否满足设计和使用要求。

二、土的工程分类

土的工程分类按土的基本工程属性（如：

粒径、级配、塑性、压缩性等）分成几大类。

土的合理分类具有实际意义，工程中按类别可大致判断土的工程特征，评价不同类别地基的强度，评价不同土类作为建筑材料的适宜性等。

工程中一般将土分为两大类，即：

粗粒土类和细粒土类。

粗粒土按颗粒形状、粒径、级配分别定为漂石、块石、碎（卵）石、砾石、粗砂、中砂、细砂、粉砂。

粗粒土的分类可采用筛析法，以下为各粗粒土类顺序的示意图，图1。

图1粗粒土类顺序示意图

细粒土按塑性指数（IP）分为粘土、粉质粘土，见表1。

细粒土分类须进行界限含水量试验，即液限（WL）、塑限（WP）试验。

液限与塑限的差值为塑性指数。

细粒土分类表1

塑性指数IP

土的名称

塑性指数IP

土的名称

＞17

粘土

10＜IP≤17

粉质粘土

第二节土的基本物理性质指标

一、土的三相组成

通常，土是三相组成，矿物颗粒叫固相；水溶液叫液相；空气叫气相。

矿物颗粒构成土的骨架，空气与水则填充骨架间的孔隙。

矿物颗粒有大有小，且性质和矿物成分不同。

土中的水也不完全是一种形态，可以处于液态，也可处于固态的冰，气态的水蒸气；土中的空气，有的是与外面连通，容易排出，有的是封闭在孔中，受压时可以压缩。

在淤泥与泥炭地还有可燃气体。

土的三相组成示意图，如图2所示。

不同土类三相的体积与质量是不相同的，并随着条件的变化，三相组成的体积与质量也会变化。

表示三相组成比例关系的指标称为土的三相比例指标，即土的基本物理性质指标。

二、土的基本物理性质指标

含水率（w）--------土中水的质量与土颗粒质量之比，以百分数表示。

密度（ρ）----------土的单位体积质量。

比重（Gs）---------土颗粒质量与同体积的水的质量之比。

干密度（ρs）------干土的单位体积质量。

孔隙比（e）--------土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数计。

孔隙度（n）--------土的孔隙体积与全体体积之比，以百分数计。

饱和度（Sr）-------土的孔隙中被水所充满的程度，以百分数计。

图2土的三相组成示意图

V------土的总体积；m------土的总质量；V-----土中孔隙体积；

M------土中水的质量；V------土中气体的体积；m----土的颗粒质量；

V------土中水的体积；V------土中颗粒的体积。

以上含水率、密度、比重三项指标是通过试验实测获得，称为实测指标。

干密度、孔隙比、孔隙度、饱和度指标是通过实测指标计算所得，称为计算指标。

实测指标和计算指标统称为土的基本物理性质指标。

第三节土的各项指标测定

一、含水率试验

土的含水率定义为试样在105~110℃温度下烘至恒量时所失去的水质量和至恒量后干土质量的比值，以百分数表示。

含水量室内标准试验方法为烘干法。

（1）本试验方法适用于粗粒土、细粒土、有机质土和冻土。

（2）本试验所用的主要仪器设备，应符合下列的规定：

1）电热烘箱：

应能控制温度在105~110℃。

2）天平：

称量200g，最小分度值为0.01g;称量1000g,最小分度值为0.1g。

（３）含水量试验，应按下列步骤进行：

１）取具有代表性的试样15~30g或用环刀中的试样，有机质土、砂类土和整体状构造

冻土为50g，放入称量盒中，盖上盒盖，称盒加湿土质量，准确至0.01g。

2）打开盒盖，将盒置于烘箱内，在105~110℃的恒温下烘至恒量。

烘干时间对粘土、

粉土不得少于8h，对砂土不得小于6h，对含有机质超过干土质量的5%的土，应将温度控制在65~70℃的温度下烘干至恒重。

3

3）将盒从烘箱中取出，盖上盒盖，放入干燥器中冷却至室温，称盒加干土质量，准确

到0.01g。

（4）试样的含水率,应按式1计算,准确到0.1%.

wo=（m0/md—1）*100%

（1）

式中md-----------干土质量，g；

mo----------湿土质量，g。

（5）对层状和网状构造的冻土含水率试验应该按下列步骤进行：

1）用四分法切取200~500g试样（视冻土结构均匀程度而定，结构均匀少取，反之多

取）放入搪瓷盘中，称盘和试样的质量，准确到0.1g。

2）待冻土融化后,调成均匀糊状（土太湿时,多余的水分让其自然蒸发）

发或用吸球吸出，但不得将土粒带出；土太干时，可适量加水），称土糊和盘质量，准确至0.1g,从糊状土中取样测定含水率,其试件步骤和计算按本节第（3）、（4）条进行。

（6）层状和网状冻土的含水率，应按式2计算，准确至0.1%。

w=[m1（1+0.01wb）/m2-1]*100%

（2）

式中w-----------含水率；

m1----------冻土试样质量,g；

m2----------糊状试样的质量,g；

wb----------糊状试样的含水率。

（7）本试验必须对两个试样进行平行测定。

测定的差值，当含水率小于40%时不大于1%；当含水率等于大于40%时不大于2%，对层状和网状构造的冻土不大于3%。

取两个测定的平均值，以百分数表示。

二、密度试验

1、环刀法

（1）本试验方法适用于细粒土。

（2）本试验所用的主要仪器设备，应符合下列规定；

1）环刀：

内径61.8mm和79.8mm,高度为20mm。

2）天平：

称量500g，最小分度值0.1g；称量200g，最小分度值为0.01g。

（3）环刀切取试样时,应在环内部涂一薄层凡士林,刃口向下放在土样顶面,边压边削,至

土样高出环刀,用钢丝锯整平环刀两端土样,擦净环刀外壁,称环刀和土得总质量,并取余土测定含水量。

（4）试样的湿密度,应按式3计算:

ρo=m0/V（3）

式中ρo---------试样的湿密度（g/cm3）,准确到0.01

（5）试样的干密度,应按式4计算:

ρh=ρo/（1+0.01w0）（4）

（6）本试验应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于0.03g/cm3，取两次测值的平均值。

2、蜡封法

（1）本试验方法适用于易破裂土和形状不规则的坚硬土。

（2）本实验所用的主要仪器设备，应符合下列规定。

1）蜡封设备：

应附融蜡烛加热器。

2）天平：

应符合本节（环刀法

（2）中2））的归定。

（3）蜡封法试验，应按下列步骤进行：

1）从原状土中，切取体积不小于30cm3的代表性试样，清除表面浮土及尖锐棱角。

系上细线，称试样质量，准确至0.01g。

2）持线将试样缓缓浸入刚过熔点的蜡液中，浸没后立即提出，检查试样周围的蜡膜，当有气泡时应用针刺破，再用蜡液补平。

冷却后称蜡封试样质量。

3）将蜡封试样挂在天平的一端，浸没于盛有纯水的烧杯中，称蜡封试样在纯水中的质量，并测定纯水的温度。

4）试样的密度，应按式5计算。

ρ0=m0/[（mn–mnw）/ρwT-（mn–m0）/ρn]（5）

式中mn——蜡封试样质量，g；

mnw——蜡封试样在纯水中的质量，g；

ρwT——纯水在温度T时的密度，g/cm3；

ρn——蜡的密度，g/cm3。

（5）试样的干密度，应按式4计算。

（6）本试验应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于0.03g/cm3，取两次测值的平均值。

3、灌水法

（1）本试验方法适用于现场测定粗粒土的密度。

（2）本试验所用的主要仪器设备，应符合下列规定：

1）储水筒：

直径应均匀，并附有刻度及出水管。

2）台秤：

称量50kg，最小分度值10g。

（3）灌水法试验，应按下列步骤进行：

1）根据试样最大粒径，确定试坑尺寸见表2。

试坑尺寸（单位：

mm）

试样最大粒径

试坑尺寸（mm）

直径

深度

5～20

150

200

40

200

250

60

250

300

2）将选定试验处的试坑地面整平，除去表面松散的土层。

．

3）按确定的试坑直径划出坑口轮廓线，在轮廓线内下挖掘至要求深度，边挖边将坑内的试样装入盛土容器内，称试样质量，准确到10g，并应测定试样的含水率。

4）试坑挖好后，放上相应尺寸的套环，用水准尺找平，将大于试坑容积的塑料薄膜平铺于坑内，翻过套环压住薄膜四周。

5）记录储水筒内初始水位高度，拧开储水筒出水管开关，将水缓慢注入塑料薄膜袋中。

当袋内水面接近套环边缘时，将水流调小，直至袋内水面与套环边缘齐平时关闭出水管，持续3～5min，记录储水筒内水位高度。

当袋内出现水面下降时，应另取塑料薄膜袋重做试验。

（4）试坑的体积，应按6计算：

Vp=（H1-H2）×Aw–V0（6）

式中Vp——试坑体积，cm3；

H1一一储水筒内初始水位高度，cm；

H2一一储水筒内注水终了时水位高度，cm；

Aw——储水筒断面积，cm2；

Vo——套环体积，cm3。

（5）试样的密度，应按式7计算：

ρ0=mp/Vp

式中mp一一取自试坑内的试样质量，g。

4、灌砂法

（1）本试验方法适用于现场测定粗粒土的密度。

（2）本试验所用的主要仪器设备，应符合下列规定：

1）密度测定器：

由容砂瓶、灌砂漏斗和底盘组成（图3）。

灌砂漏斗高135mm、直径165mm，尾部有孔径为13mm的圆柱形阀门；容砂瓶容积为4L，容砂瓶和灌砂漏斗之间用螺纹接头连接。

底盘承托灌砂漏斗和容砂瓶。

2）天平：

称量10kg，最小分度值5g，称量500g，最小分度值0.1g。

（3）标准砂密度的测定，应按下列步骤进行：

1）标准砂应清洗洁净，粒径宜选用0．25-0．50mm，密度宜选用1．47-1．61g/cm3。

．

2）组装容砂瓶与灌砂漏斗，螺纹连接处应旋紧，称其质量。

3）将密度测定器竖立，灌砂漏斗口向上，关阀门，向灌砂漏斗中注满标准砂，打开阀门使灌砂漏斗内的标准砂漏入容砂瓶内，继续向漏斗内注砂漏入瓶内，当砂停止流动时迅速关闭阀门，倒掉漏斗内多余的砂，称容砂瓶、灌砂漏斗和标准砂的总质量，准确至5g。

试验中应避免震动。

4）倒出容砂瓶内的标准砂，通过漏斗向容砂瓶内注水至水面高出阀门，关阀门，倒掉漏斗中多余的水，称容砂瓶、漏斗和水的总质量，准确到5g。

并测定水温，准确到0．5℃。

重复测定3次，3次测值之间的差值不得大于3mL，取3次测值的平均值。

（4）容砂瓶的容积，应按式8计算：

Vr=（mr2一／mr1）／ρwT（8）

式中Vr——容砂瓶容积，mL；

mr2一一容砂瓶、漏斗和水的总质量，g；

mrl一一容砂瓶和漏斗的质量，g；

ρwT——不同水温水的密度g／cm3，查表3。

水的密度表3

温度

（℃）

水的密度

（g／cm3）

温度

（℃）

水的密度

（g／cm3）

温度

（℃）

水的密度

（g／cm3）

4.0

1.0000

15.0

0.9991

26.0

0.9968

5.0

1.0000

16.0

0.9989

27.0

0.9965

6.0

0.9999

17.0

0.9988

28.0

0.9962

7.0

0.9999

18.0

0.9986

29.0

0.9959

8.0

0.9999

19.0

0.9984

30.0

0.9957

9.0

0.9998

20.0

0.9982

31.0

0.9953

10.0

0.9997

21.0

0.9980

32.0

0.9950

11.0

0.9996

22.0

0.9978

33.0

0.9947

12.0

0.9995

23.0

0.9975

34.0

0.9944

13.0

0.9994

24.0

0.9973

35.0

0.9940

14.0

0.9992

25.0

0.9970

36.0

0.9937

（5）标准砂的密度，应按式9计算：

ρs=（mrs-mrl）/Vr（9）

式中一一标准砂的密度，g/cm3；

mrs一一容砂瓶、漏斗和标准砂的总质量，g。

（6）灌砂法试验，应按下列步骤进行：

1）按本节3灌水法中（3）的1—3款的步骤挖好规定的试坑尺寸，并称试样黔质量。

2）向容砂瓶内注满砂，关阀门，称容砂瓶、漏斗和砂的总质量，准确至10g。

3）将密度测定器倒置（容砂瓶向上）于挖好的坑口上，打开阀门，使砂注入试坑。

在注砂过程中不应震动。

当砂注满试坑时关闭阀门，称容砂瓶、漏斗和余砂的总质量，准确至lOg，并计算注满试坑所用的标准砂质量。

（7）试样的密度，应按式10计算：

ρ0=mp/（ms/ρs）（10）

式中ms一一注满试坑所用标准砂的质量，g。

（8）试样的干密度，应按式11计算，准确至0.01g/cm3。

ρd=[mp/（1+0.01w1）]/（ms/ρs）（11）

四、试验系数与击实试验

回填土或砂石经压实，工程性质得到改善。

压实得愈密实，其工程性能愈好，如何判定压实程度，地基规范对填土采用压实系数λc来控制，λc值愈大，压实度愈高，各类地基规范对不同的条件给出了λc的对应值。

1、压实系数的含义

现场实测干密度与室内试验确定的最大干密度之比称为压实系数（λc）。

即：

λc=现场测定的干密度/室内试验的最大干密度

室内密度试验根据不同填筑材料采用不同试验方法，对砂石可采用振密试验方法确定最大干密度，对素土、灰土采用击实试验确定最大干密度和最佳含水量。

室内和现场密度试验方法对照见表4。

室内和现场密度试验方法对照表表4

填筑料

室内最大干密度试验方法

现场实测干密度试验方法

土、灰土

击实试验

环刀法

砂石

振密试验

灌砂法、灌水法

2、击实试验

（1）本试验分轻型击实和重型击实。

轻型击实试验适用于粒径小于5mm的粘性土，重型击实试验适用于粒径不大于20mm的土，采用三层击实时，最大粒径不大于40mm。

（2）轻型击实试验的单位体积击实功约为592.2kJ/m3，重型击实试验的单位体积击实功约2984.9kJ/m3。

（3）本试验所用的主要仪器设备应符合下列规定：

1）击实仪的击实筒和击锤尺寸应符合表5规定。

击实仪主要部件规格表表5

试验方法

锤底直径（mm）

锤质量（kg）

落高

（mm）

击实筒

护筒高度（mm）

内径（mm）

筒高（mm）

容积（cm3）

轻型

50

2.5

300

100

127

997

50

重型

50

4.5

450

152

120

2177

50

2）击实仪的击锤配导筒，击锤与导筒间应有足够的间隙使锤能自由下落；电动操作的击锤必须有控制落距的跟踪装置和锤击点那一定角度（轻型53.5°，重型45°）均匀分布的装置（重型击实仪中心点每圈要加一击）

3）天平：

称量200g，最小分度值0.01g。

4）台秤：

称量10kg，最小分度值5g。

5）标准筛：

孔径为20mm、40mm和5mm/

6）试样推出器：

宜用螺旋式千斤顶和液压式千斤顶，如无此类装置，也可用刮土刀和修土刀从击实筒中取出土样。

（4）试样制备分为干法和湿法两种。

1）干法制备土样应按下列步骤进行：

用四分法取代表性土样20kg（重型为50kg），风干碾碎，过5mm（重型过20mm过40mm）筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的风干含水率。

根据土的塑限预估最优含水率，并制备5个不同含水率的一组试样，相邻2个含水率的差值宜为2%。

注：

轻型击实中5个含水率中应有2个大于塑限，2个小于塑限，1个接近塑限。

2）湿法制备试样应按下列步骤进行：

对天然含水率的土样过筛（筛孔视粒径大小而定），并分别风干到所需的几组不同含水量备用。

（5）击实试验应按下列步骤进行：

1）将击实仪平稳置于刚性基础上，击实筒与底座连接好，安装好护筒，在击实筒内壁均匀涂一薄层润滑油。

称取一定量的试样，倒入击实筒内，分层击实，轻型击实试样为2～5kg，分3层，每层25击；重型击实试样为4～lOkg，分5层，每层56击，若分3层，每层98击。

每层试样高度宜相等。

两层交界处的土面应刨毛。

击实完成时，超出击实筒顶的试样高度应小于6mm。

2）卸下护筒，用直刮刀修平击实筒顶部的试样，拆除底板，试样底部若超出筒外，也应修平。

擦净筒外壁，称筒与试样的总质量，准确至1g，并计算试样的湿密度。

3）用推土器将试样从击实筒中推出，取2个代表性试样测定含水率，2个含水率的差值应不大于1％。

4）对不同含水率的试样依次击实。

（6）试样的干密度应按式15计算：

ρd=ρ0/（1+0.01wi）（15）

式中wi一一某点试样的含水率（％）。

（7）干密度和含水率的关系曲线，应在直角坐标纸上绘制（如图7）。

并应取曲线峰值点和相应的纵坐标为击实试样的最大干密度，相应的横坐标为击实试样的最优含水率。

当关系曲线不能绘出峰值点时，应进行补点，土样不宜重复使用。

（8）气体体积等于零（即饱和度100％）的等值线应按式16计算，并绘制ρd—w关系曲线

west=（ρw/ρd-1/Gs）×100%（16）

式中west一一试样的饱和含水率；

ρw——温度4℃时水的密度，g／cm3；

ρd一一试样的干密度，g／cm3；

Gs一一土颗粒比重。

（9）轻型占实试验中，当试样中粒径大于5mm的土质量小于或等于试样总质量

的30％时，应对最大千密度和最优含水率进行正。

1）最大干密度应按式17校正：

ρ’dmax=1/[（1-P5）/ρ’dmax+P5/（ρw.Gs2）]

式中ρ’dmax一一校正后试样的最大干密度，g／cm3；

P5一一粒径大于5mm土的质量百分数，％；

Gs2一一粒径大于5mm土粒的饱和面干比重。

注：

饱和面干比重指当土粒呈饱和面干状态时的土粒总质量与相当于土粒总体积的纯水4℃时质量的比值。

2）最优含水率应按18进行校正，计算至0．1％。

w’opt=wopt（1-Ps）+P5wab（18）

式中w’opt一一校正后试样的最优含水率：

wopt一一击实试样的最优含水率；

wab一一粒径大于5mm土粒的吸着含水率。

六、界限含水率试验

l、界限含水率的概念

由于含水量不同，土体分别处于流动状态、可塑状态、半固体状态、固体状态。

土由半固体状态变为塑性状态的分界含水率称为塑限Wp。

土由塑性状态变为流动状态的分界含水率称为液限WL。

液限与塑限的差值称为塑性指数Ip。

即WL-Wp=Ip根据塑性指数可对细粒土进行分类。

2、液限、塑限试验

（1）液、塑限联合测定法

1）本试验方法适用于粒径小于0.5mm以及有机含量不大于试样总质量5的土。

2）本试验所用的主要仪器设备，应符合下列规定：

①液、塑限联合测定仪：

包括带标尺的圆锥仪、电磁铁、显示屏、控制开关和试样环。

圆锥质量为100g，锥角为30°；读数显示宜采用光电式、游杯式和百分表式；样杯内径为40mm，高度为30mm。

②天平：

称量200g，最小分度值0.01g。

3）液、塑限联合测定法试验，应按下列步骤进行：

①本试验宜采用天然含水率试样，当土样不均匀时，采用风干试样，当试样中含有粒径大于0.5mm的土粒和杂物时，应过0.5mm筛。

②当采用天然含水率土样时，取代表性土样250g；采用风干试样时，取0.5mm筛下的代表性土样200g，将试样放在橡皮板上用纯水将土样调成均匀膏状，放入调土皿，浸润过夜。

③将制备的试样充分调拌均匀，填入试样杯中，填样时不应留有空隙，对较干的试样应充分搓揉，密实地填入试样杯中，填满后刮平表面。

④将试样杯放在联合测定仪的升降座上，在圆锥上抹一薄层凡士林，接通电源，使电磁铁吸住圆锥。

⑤调节零点，将屏幕上的标尺调在零位，调整升降座，使圆锥尖接触试样表面，指示灯亮时圆锥在自重下沉入试样，经5s后测读圆锥下沉深度（显示在屏幕上），取出试样杯，挖去锥尖入土处的凡士林，取锥体附近的试样不少于10g，放图称量盒内，测定含水率。

⑥将全部试样再加水或吹干并调匀，重复本条③至⑤款的步骤分别测定第二点、第三点试样的圆锥下沉深度及相应的含水率。

液塑限联合测定应不少于3点。

注：

圆锥入土深度宜为3～4mm，7～9mm，15～17mm。

4）试样的含水率应按式1计算。

5）以含水率为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标在双对数坐标纸上绘制关系曲线，三点应在一直线上。

当三点不在一直线上时，通过含水率的点和其余两点连成两条直线，在下沉为2mm处查得相应两个含水率，当两个含水率的差值小于2%时，应以两点含水率的平均值与高含水率的点连成一直线，当两个含水率的差值大于等于2%时，应重做试验。

6）在含水率与圆锥下沉深度的关系图上查得下沉深度为20mm所对应的含水率为液限，并根据液限计算查得塑限所需要的下沉深度hp，再根据hp查得塑限Wp。

7）塑性指数应按式19计算：

IP=WL-WP（19）

式中IP——塑性质数；WL——液限（%）；WP——液限（%）

五、土的颗粒大小分析试验（筛析法）

一、仪器设备

1．本试验方法适用于粒径小于、等于60mm，大于0.075mm的土。

2．本试验所用的仪器设备应符合下列规定：

（1）分析筛：

粗筛：

孔径为60、40、20、10、5、2mm。

细筛：

孔径为2.0、1.0、0.5、0.25、0.075mm。

（2）天平：

称量5000g，最小分度值1g；称量1000g，最小分度值0.1g；称量200g，最小分度值0.01g。

（3）振筛机：

筛析过程中应能上下震动。

（4）其他：

烘箱、研钵、瓷盘、毛刷等。

3．筛析法的取样数量，应符合表1的规定：

表1取样数量

颗粒尺寸（mm）

取样数量（g）

<2

100～300

<10

300～1000

<20

1000～2000

<40

2000～4000

<60

4000以上

二、操作步骤

1.按表1的规定称取试样质量，应准确至0.1g，试样数量超过500g时，应准确至1g。

2．将试样过2mm筛，称筛上和筛下的试样质量。

当筛下的试样质量小于试样总质量的10%时，不作细筛分析；筛上的试样质量小于试样总质量的10%时，不作粗筛分析。

3．取筛上的试样倒入依次叠好的粗筛中，筛下的试样倒入依次叠好的细筛中，进行筛析。

细筛宜置于振筛机上震筛，振筛时间宜为10～15min。

再按由上而下的顺序将各筛取下，称各级筛上及底盘内试样的质量，应准确至0.1g。

4．筛后各级筛上和筛底上试样质量的总和与筛前试样总质量的差值，不得大于试样总质量的1%。

注：

根据土的性质和工程要求可适当增减不同筛径的分析筛。