【第二章 土工】

　　22、存在于礦物顆粒內(nèi)部的水有化學(xué)結(jié)構(gòu)水和化學(xué)結(jié)晶水;存在礦物顆粒表面的水有結(jié)合水和自由水。其中結(jié)合水是靠靜電引力所吸附，自由水包括毛細(xì)水(表面張力)和重力水(重力作用)。土的物理性質(zhì)指標(biāo)有：密度、比重、含水率、干密度、飽和密度、浮密度、孔隙比、空隙率、飽和度。其中前三項(xiàng)指標(biāo)是基本物理性質(zhì)指標(biāo)，干密度ρd，飽和密度ρsat(孔隙充滿水)，浮密度ρ’=ρsat-ρw，孔隙比 e，孔隙率n=e/(1+e)，飽和度 Sr 指孔隙中水的體積與孔隙體積之比，分三種狀態(tài)：0~0.5 為稍濕狀態(tài)，0.5~0.8 為潮濕狀態(tài)，0.8~1 為飽和狀態(tài)。ρsat≥ρ>ρ’

　　23、土的物理性質(zhì)試驗(yàn)包括含水率、密度、比重、顆粒分析和相對密度等;土的水理性質(zhì)試驗(yàn)包括界限含水率、稠度、膨脹、收縮和毛細(xì)上升高度等;土的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)包括滲透性、擊實(shí)性、壓縮性、黃土濕陷性、直接剪切、三軸剪切、無側(cè)限抗剪、土基承載比及回彈模量等;土的化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)包括酸堿度、燒失量、有機(jī)質(zhì)含量、可溶鹽含量、陽離子交換量和礦物成分等。

　　24、含水率試驗(yàn)：包括烘干法、酒精燃燒法和比重法。

　　烘干法：適用于各種土(包括有機(jī)質(zhì)土和凍土)，烘干溫度為 105~110℃，烘干時間對細(xì)粒土不得少于 8h，對砂類土不得少于 6h，對含有機(jī)質(zhì)超過 5%的土或含石膏的土，溫度應(yīng)控制在 60~70℃，烘干 12~15h 為宜。進(jìn)行二次平行測定，取其算術(shù)平均值。允許平行差值為：含水率在 5 以下為 0.3;40 以下為≤1;40以上為≤2;對層狀和網(wǎng)狀構(gòu)造的凍土為<3。

　　酒精燃燒法：取代表性試樣(黏質(zhì)土 5~10g;砂類土 20~30g)，需燃燒 3 次，本法適用于無黏性土和一般黏性土，不適用于含有機(jī)質(zhì)土、含鹽量較多的土和重黏土。

　　比重法：僅適用于砂類土。

　　25、密度試驗(yàn)：包括環(huán)刀法、蠟封法、灌砂法、灌水法。

　　蠟封法：適用于易破裂土和形態(tài)不規(guī)則的堅(jiān)硬土，ρ=m/(總體積-蠟體積)

　　灌砂法：試樣的最大粒徑一般不得超過 15mm，測定層厚度為 15~20cm;在測定細(xì)粒土密度時，可以采用φ100mm 的小型灌砂筒，如最大粒徑超過 15mm，達(dá) 40~60mm 粗粒土，灌砂筒直徑應(yīng)為 15~20cm。在儲砂筒內(nèi)裝滿砂，高度與筒頂?shù)木嚯x不超過 15mm，測定含水率所需的樣品數(shù)量：對于細(xì)粒土不少于 100g，對于粗粒土不少于 500g。

　　灌水法：適用于現(xiàn)場測定粗粒土和巨粒土的密度。

　　26、比重試驗(yàn)(相對密度)：主要有比重瓶法、浮稱法、浮力法、虹吸筒法。

　　比重瓶法：適用于粒徑小于 5mm 的土，對含有一定量可溶鹽、非親水性膠體或有機(jī)質(zhì)的土，必須用中性液體(如煤油)測定，真空抽氣法的壓力表讀數(shù)宜為 100KPa。土的比重 Gs=ms*Gw/(m1+ms-m2)，必須進(jìn)行二次平行測定，取其算術(shù)平均值，保留兩位小數(shù)，其平行差值不得大于 0.02。

　　浮稱法：適用于粒徑大于或等于 5mm 的土，其中粒徑大于或等于 20mm 的土不超過總土質(zhì)量的 10%。

　　浮力法：適用于粒徑大于或等于 5mm 的土，其中粒徑大于或等于 20mm 的土不超過總土質(zhì)量的 10%。

　　虹吸筒法：適用于粒徑大于或等于 5mm 的土，其中粒徑大于或等于 20mm 的土含量大于或等于總土質(zhì)量的 10%。土的比重 Gs=ms*Gw/(m1-m0)-(m-ms)

　　27、顆粒分析試驗(yàn)：對于大于 0.075mm 的土粒常采用篩分法;對于小于 0.075mm 的土粒采用沉降分析法。

　　沉降分析法的原理是司馬克斯定律，土粒的大小稱為粒度，大小相近的土粒合并為組，稱為粒組。土的粒度成分是指各種不同粒組的相對含量，粒度成分的表示方法有表格法、累積曲線法和三角型坐標(biāo)法。不均勻系數(shù) Cu=d60/d10，反映粒組的分布范圍和分布情況;曲率系數(shù) Cc=d302/d10*d60，反映曲線的整體形狀。其中 d10 指有效粒徑，d60 指限制粒徑。一般認(rèn)為不均勻系數(shù) Cu<5 時，為勻粒土，級配不好;Cu>10時，為級配良好的土。當(dāng)同時滿足不均勻系數(shù) Cu>5 和曲率系數(shù) Cc=1~3 這兩個條件時，為級配良好的土;

　　如不能同時滿足，則為級配不良的土。屬于沉降分析法的有密度計(jì)法及移液管法。

　　篩分法：對于粒徑大于 60mm 的土樣，本方法不適用。取代表性試樣的要求：小于 2mm 顆粒的土 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。篩后各級篩上和篩底土總質(zhì)量與篩前質(zhì)量之差不應(yīng)大于 1%，對于無凝聚性的土用干篩法，對于含有黏土粒的砂礫土用水篩法。

　　密度計(jì)法、移液管法：都適用于分析粒徑小于 0.075mm 的細(xì)粒土，一般用 25%氨水作為分散劑，取代表性試樣，黏質(zhì)土為 10~15g，砂類土為 20g，按密度計(jì)法制取懸液。

　　28、砂的相對密度試驗(yàn)：本試驗(yàn)適用于顆粒直徑小于 5mm 的土，且粒徑 2~5mm 的試樣質(zhì)量不大于總質(zhì)量的 15%。相對密度等于最大空隙比與天然空隙比之差和最大空隙比與最小空隙比之差的比值，對于最小和最大干密度，均需進(jìn)行兩次平行試驗(yàn)，取其算術(shù)平均值，平行誤差值不得超過 0.03g/m3，相對密度的分級：

　　Dr≥0.67 時為密實(shí);0.33~0.67 時為中密;0.2~0.33 為松散中的稍松，<0.2 時為松散中的極松。

　　29、液塑限試驗(yàn)：液限(WL)是指土從液體狀態(tài)向塑性體狀態(tài)過渡的界限含水率;塑限(Wp)是指土由塑性體狀態(tài)向脆性固體狀態(tài)過渡的界限含水率。在國際上稱為阿太堡界限，塑性指數(shù)代表塑性的大小，Ip=WL-Wp;液性指數(shù)表示天然含水率與界限含水率的相對關(guān)系，IL=(W-Wp)/(WL-Wp)，當(dāng) IL=1 時，土處于液限;當(dāng) IL=0 時，土處于塑限。當(dāng)含水率減少而土的體積不再收縮時的界限含水率稱為縮限 Ws。固態(tài)(縮限 Ws)半固態(tài)(塑限 Wp)可塑狀態(tài)(液限 WL)液態(tài)

　　液塑限聯(lián)合測定法：適用于粒徑不大于 0.5mm、有機(jī)質(zhì)含量不大于 5%的土。過 0.5mm 的篩，分開放入三個盛土皿中，使土樣含水率分別控制在液限(a 點(diǎn))、略大于塑限(c 點(diǎn))和二者的中間狀態(tài)(b 點(diǎn))附近，測記經(jīng)過 5s 錐的入土深度。在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上，兩個含水率的差值應(yīng)小于 2%，入土深度為 20mm 所對應(yīng)的含水率即為該土樣的液限含水率。

　　液限碟式儀法、塑限滾搓法、縮限試驗(yàn)：均適用于粒徑不大于 0.5mm、有機(jī)質(zhì)含量不大于 5%的土。

　　當(dāng)搓到土條直徑恰好為 3mm 左右時，土條自動斷裂時的含水率即為塑限。收縮指數(shù)指液限與縮限的差值。

　　土的天然稠度試驗(yàn)：土的天然稠度是土的液限與天然含水率之差和塑性指數(shù)之比：Wc=(WL-W)/Ip

　　30、一般對粗粒土主要按粒度成分進(jìn)行分類，黏性土則按照塑性指數(shù)分類，土分類的依據(jù)有：土顆粒組成特征、土的塑性指標(biāo)(液限、塑限、塑性指數(shù))、土中有機(jī)質(zhì)的存在情況。土粒組分類：分為巨粒組、粗粒組、細(xì)粒組，對應(yīng)的粒徑分界點(diǎn)為 60mm、0.075mm;其中巨粒組中又分為漂石和卵石，分界為 200mm;

　　粗粒組又分為礫和砂，分界為 2mm。將土分為巨粒土、粗粒土、細(xì)粒土和特殊土(2、2、3、5)。細(xì)粒土包括粉質(zhì)土、黏質(zhì)土、有機(jī)質(zhì)土;特殊土包括黃土、膨脹土、紅黏土、鹽漬土和凍土。土的塑性圖是以液限為橫坐標(biāo)，塑性指數(shù)為縱坐標(biāo)。

　　31、試樣中巨粒組質(zhì)量多于總質(zhì)量的 15%的土稱為巨粒土;試樣中巨粒組質(zhì)量少于或等于總質(zhì)量的 15%，但巨粒組和粗粒組質(zhì)量之和大于總質(zhì)量的 50%的土稱為粗粒土;試樣中細(xì)粒組質(zhì)量多于或等于總質(zhì)量的

　　50%的土稱為細(xì)粒土。礫類土又分為礫(細(xì)粒土含量≤ 5%)、含細(xì)粒土礫(5%~15%)、細(xì)粒土質(zhì)礫(15%~50%);砂又可分為粗砂(大于 0.5mm 粒徑的多于總質(zhì)量的 50%)、中砂(大于 0.25mm 粒徑的多于總質(zhì)量的 50%)和細(xì)砂(大于 0.075mm 粒徑的多于總質(zhì)量的 75%)。

　　32、細(xì)粒土中粗粒組質(zhì)量少于或等于總質(zhì)量的 25%的土稱為粉質(zhì)土或黏質(zhì)土;細(xì)粒土中粗粒組質(zhì)量為總質(zhì)量的 25%~50%的土稱為含粗粒的粉質(zhì)土或黏質(zhì)土。試樣中有機(jī)質(zhì)含量多于或等于總質(zhì)量的 5%，且少于總質(zhì)量的 10%的土稱為有機(jī)質(zhì)土;試樣中有機(jī)質(zhì)含量多于或等于 10%的土稱為有機(jī)土。

　　33、塑性圖中右上角為高液限黏土(CH)其中膨脹土為 CHE;右下角為高液限粉土(MH)其中紅黏土為 MHR;左上角為低液限黏土(CL)其中黃土為 CLY;左下角為低液限粉土(ML)。A 線 Ip=0.73*(WL-20)，B 線 WL=50%;含礫細(xì)粒土后面加 G，含砂細(xì)粒土后面加 S，若烘烤 24h 后試樣的液限小于烘烤前的 3/4，則該試樣為有機(jī)質(zhì)土。

　　34、擊實(shí)試驗(yàn)：擊實(shí)使粗粒土增強(qiáng)了摩擦力和咬合力，細(xì)粒土增強(qiáng)了分子引力。室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)：適用于細(xì)粒土，分為輕型擊實(shí)和重型擊實(shí)，內(nèi)徑 100mm 的試筒適用于粒徑不大于 20mm的土;內(nèi)徑 152mm 的試筒適用于粒徑不大于 40mm 的土。當(dāng)最大粒徑大于或等于 40mm，并且大于 40mm的含量大于 5%時，應(yīng)使用大尺寸試筒進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，大尺寸試筒要求最小尺寸大于最大粒徑 5 倍以上，分層厚度大于最大粒徑 3 倍以上，單位擊實(shí)功控制在 2677.2~2687 范圍內(nèi)。輕型Ⅰ法分為Ⅰ-1 和Ⅰ-2，重型Ⅱ法分為Ⅱ-1 和Ⅱ-2，這四種類別對應(yīng)的錘底直徑都是 5cm，錘質(zhì)量是 2.5、2.5、4.5、4.5;落高是 30、

　　30、45、45;內(nèi)徑和高是 100 及 127、152 及 120、100 及 127、152 及 120;容積是 997、2177、997、2177;層數(shù)是 3、3、5、3;每層擊數(shù)是 27、59、27、98;擊實(shí)功是 598.2、598.2、2687、2677.2;最大粒徑是 20、40、20、40。干法制樣：按土的塑限來估計(jì)最佳含水率，依次相差約 2%的含水率制備試樣不少于 5 個，其中兩個大于和兩個小于最佳含水率。靜置時間對高液限黏土不得少于 24h，低液限黏土不少于 12h。擊實(shí)后余土高度不超過試筒頂面 5mm(小筒)或 6mm(大筒)，影響壓實(shí)的因素有含水率、擊實(shí)功、壓實(shí)機(jī)械、土粒級配等。

　　35、壓縮試驗(yàn)(固結(jié)特性)：飽和土體受到的總應(yīng)力為有效應(yīng)力和孔隙水壓力之和，壓縮性試驗(yàn)分為室內(nèi)壓縮試驗(yàn)和野外承載板試驗(yàn)�？紫堵�=e-△h/h(1+e)，表示圧縮曲線的方法有 e-p 曲線和 e-lgp 曲線，土的壓縮系數(shù)α= - e/p，α不是常數(shù)，一般隨著壓力 p 的增大而減小，工程上常以 p=100~200kPa 時的壓縮系數(shù)作為評價土層壓縮性的標(biāo)準(zhǔn)。土的壓縮模量 Es=(1+e1)/α，在 e-lgp 曲線中有壓縮指數(shù) Cc，在曲線過渡到直線段的拐彎點(diǎn)的壓力值是歷史上的最大固結(jié)壓力，稱為先期固結(jié)壓力 Pc。天然土層的三種固結(jié)狀態(tài)：超固結(jié)狀態(tài)(Pc>гz 土的重度、上覆壓力)、正常固結(jié)狀態(tài)(Pc=гz)、欠固結(jié)狀態(tài)(Pc<гz)。

　　粗粒土的三軸壓縮試驗(yàn)：適用于測定最大粒徑為 60mm 粗粒土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)，試件尺寸分為φ30cm*60cm 和φ30cm*75cm 兩種，試件應(yīng)分層裝填，一般分 6 層，試驗(yàn)開始階段，每產(chǎn)生 1mm 垂直變形測記一次，當(dāng)接近峰值時應(yīng)按每產(chǎn)生 0.5mm 垂直變形記錄一次讀數(shù)，已出現(xiàn)峰值后，繼續(xù)測讀 1~2 次即可停機(jī)，如果沒有出現(xiàn)峰值，當(dāng)相鄰兩級壓力差小于 5kPa 時即可關(guān)機(jī)。

　　36、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)：與強(qiáng)度有關(guān)的工程問題主要是穩(wěn)定問題、環(huán)境問題和承載力問題。

　　直剪試驗(yàn)：分為應(yīng)變式和應(yīng)力式兩類，前者是等速推動、后者是分級施加，我國普遍采用的是應(yīng)變式直剪儀。砂性土的平均剪應(yīng)力=法向應(yīng)力σtanψ;黏性土的平均剪應(yīng)力=黏聚力 c+σtanψ。土的抗剪強(qiáng)度與土受力后的排水固結(jié)狀態(tài)有關(guān)，直剪試驗(yàn)有快剪、固結(jié)快剪和慢剪三種試驗(yàn)方法。快剪從加荷到剪壞只用3~5min。應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯峰值時，取峰值作為抗剪強(qiáng)度破壞值，如曲線無峰值，一般取其剪應(yīng)變的15%或試樣直徑的 1/15~1/10 剪切變形時的剪應(yīng)力作為破壞值。

　　三軸試驗(yàn)：三軸剪力儀包括三個部分：主機(jī)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、量測系統(tǒng)。其中主機(jī)包括壓力室、加荷系統(tǒng)(包括傳動裝置)等。三軸試驗(yàn)分為不固結(jié)不排水剪(UU 試驗(yàn))、固結(jié)不排水剪(CU 試驗(yàn))、固結(jié)排水剪(CD試驗(yàn))。ψ依次增大，c 依次減小。單軸試驗(yàn)(無側(cè)限壓縮試驗(yàn))：主要用于測定飽和軟黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及靈敏度，靈敏度是表示土結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度影響的指標(biāo)，靈敏度 St<2、2~4、4~8、>8 四個范圍對應(yīng)于不靈敏的黏土、中等靈敏黏土或一般黏土、靈敏性黏土、高靈敏性黏土。

　　粗粒土的直剪試驗(yàn)：適用于最大粒徑為 60mm 的粗顆粒土。

　　37、粗粒土和巨粒土的最大干密度試驗(yàn)：

　　表面振動壓實(shí)儀法：適用于 0.075mm 標(biāo)準(zhǔn)篩的土顆粒質(zhì)量不大于 15%的粗粒土和巨粒土的最大干密度，振動器功率為 0.75~2.2kW，振動頻率為 30~50Hz，激振力 10~80kN，產(chǎn)生 18kPa 以上的靜壓力。干土法中裝填量宜等于或略低于筒高的 1/3，振動器振動 6min，相對密度 Dr=(max-0)/(max-min)=(d-min)*max/(man-min)*d。

　　振動臺法：適用于 0.075mm 標(biāo)準(zhǔn)篩的土顆粒質(zhì)量不大于 15%的粗粒土和巨粒土的最大干密度，干土法中裝填量宜等于或略低于筒高的 1/3，振動臺在振動頻率 50Hz 下振幅為 0.5mm，振動 10min;在振動頻率60Hz 下振幅為 0.35mm，振動 8min。

　　38、土的承載比(CBR)試驗(yàn)：適用于各種土、路面基層、底基層，試樣的最大粒徑宜控制在 20mm 以內(nèi)，

　　最大不得超過 40mm 且含量不超過 5%。試筒內(nèi)徑 152mm，高 170mm，套環(huán)高 50mm，筒內(nèi)墊塊直徑 151mm，高 50mm;貫入桿端面直徑 50mm，長約 100mm 的金屬柱;路面材料強(qiáng)度儀能量不小于 50kN，貫入速度每分鐘 1mm。土團(tuán)均應(yīng)搗碎到通過 5mm 的篩孔，采取有代表性的試樣 50kg，用 40mm 篩篩除大于 40mm的顆粒，用四分法取出 25kg，再用四分法分成 4 份，每份 6kg。測定含水率用試樣數(shù)量：粒徑<5mm、5mm、20mm、40mm 對應(yīng)的試樣質(zhì)量為 15~20g、50g、250g、500g。按重型擊實(shí)試驗(yàn)Ⅱ-2 要求，浸潤時間：重黏土不得少于 24h，輕黏土可縮短到 12h，砂土可縮短到 1h，天然砂礫可縮短到 2h。如每種干密度試件制3 個，共制 9 個試件，每層擊數(shù)分別為 30 次、50 次和 98 次，使試件的干密度從低于 95%到等于 100%的最大干密度，9 個試件共需試料約 55kg。在多孔板上加 4 塊荷載板，在泡水期間，槽內(nèi)水面應(yīng)保持在試件頂面以上約 25mm，通常泡水 4 晝夜。先在貫入桿上施加 45N 荷載，加荷使貫入桿以 1~1.25mm/min 的速度壓入試件，注意使貫入量為 2.5mm 時能有 5 個以上讀數(shù)，第一個讀數(shù)應(yīng)在貫入量為 0.3mm 左右。一般采用貫入量為 2.5mm 時的單位壓力與標(biāo)準(zhǔn)壓力之比作為材料的承載比 CBR=p/7000，計(jì)算至 0.1，貫入量為 5mm 時的承載比 CBR=p/10500，如貫入量為 5mm 的承載比大于 2.5mm 時的承載比，則試驗(yàn)應(yīng)重做，如結(jié)果仍然如此，則采用 5mm 時的承載比。當(dāng)承載比變異系數(shù)大于 12%，則去掉一個偏離大的值，取其余兩個結(jié)果的平均值，如變異系數(shù)小于 12%且三個干密度偏差小于 0.03，則取三個結(jié)果的平均值;如三個干密度的偏差大于 0.03，則去掉一個偏離大的值，取其余兩個結(jié)果的平均值。

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