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1、1,土工试验 二一三年四月,panhualiang,2,土工试验是对土的工程性质进行测试，并获得土的物理性指标和力学性指标的实验工作 为工程设计和施工提供可靠的参数,3,土是自然界的产物，其形成过程、物质成分以及工程特性是极为复杂 且随其受力状态、应力历史、加载速率和排水条件等的不同而变得更加复杂。,4,各类工程的成败，在很大程度上取决于土体能否提供足够的承载力，取决于工程结构不至于遭受超过设计限度的地基沉降和差异变形等 而地基承载力确定和地基变形计算中的参数又主要是由土工试验来确定的 由此可见，土工试验对于各类工程项目建设的成功与否是至关重要的。,5,从土力学的发展历史、发展过程来看,可以说
2、土力学是土的实验力学 库仑(Couloreb)定律 达西(Darcy)定律 普洛特(Proctor)压实理论 描述土的应力应变关系的双曲线模型 都是通过对土的各种试验而建立起来的,6,原位测试? 室内土工试验?,7,原位测试可以避免钻孔取土时对土的扰动和取土卸荷时土样回弹等对试验结果的影响，试验结果可以直接反映原位土层的物理状态，某些不易采取原状样的土层(如深层的砂)，只能采用原位测试的方法。 但其边界条件较为复杂，在计算分析时，有时还需作不少假定方能进行 如十字板剪切试验结果整理中的竖向和水平向抗剪强度相等的假定-实际并不是这样的 且有些指标还不能用原位测试直接测定 如应力路径、时间效应及应
3、变速率等对土的性状的影响。,8,室内土工试验由于能进行各种模拟控制试验以及进行全过程和全方位的量测和观察，在某种程度上反而能满足土的计算或研究的要求。 因此，室内土工试验又是原位测试所代替不了的。,9,其实，当土样从钻孔中取出时，就已产生两种效应使该土样偏离了实际情况 一是取土、搬运及试验切土时的机械作用扰动了土的结构，降低了土的强度； 二是改变了土的应力条件，土样产生回弹膨胀。 这两种效应统称为扰动，扰动使试验指标不符合原位土体的工程性状。,10,试样的数量有限 一层土一般只能取几个或十几个试样，试样总体积与其所代表的土层体积相比，相差悬殊 土各向异性 在垂直方向上与在水平方向上，其性质指标
4、是不相同的。 室内土工试验的应力条件是相对理想和单一化的 如固结试验是在完全侧限条件下进行的，三轴压缩试验也仅是轴对称的，这些条件均与实际土层的受力条件不尽相符,11,另外，土工试验成果因试验方法和试验技巧熟练程度的不同，也可能会有较大差别，这种差别在某种程度上甚至大于计算方法所引起的误差。,12,13,14,第1章 试样制备和饱和,15,一、试样制备,土样在试验前必须经过制备程序 土样和试样的制备程序是试验工作的第一个质量要素 试样的制备是获得正确的试验成果的前提 为保证试验成果的可靠性和试验数据的可比性，必须统一土样和试样的制备方法和程序。,16,试样间的允许误差,原状土样同一组试样间密度
5、的允许差值小于规定标准； 扰动土，一般用含水率和密度控制，误差值小于规定标准。 土工试验方法 GBT 50123-1999 公路土工试验规范JTG E40-2007,17,试样制备的主要仪器设备：,1细筛：孔径0.5mm、2mm。 2洗筛：孔径0.075mm。 3台秤和天平： 称量10kg，最小分度值5g； 称量5000g，最小分度值1g； 称量1000g，最小分度值0.5g； 称量500g，最小分度值0.1g； 称量200g，最小分度值0.0lg。 4环刀：不锈钢材料制成，内径61.8mm和79.8mm，高20mm；内径61.8mm，高40mm。,18,7抽气设备：附真空表和真空缸。 8其他
6、： 切土刀、钢丝锯 碎土工具、烘箱 保湿缸、喷水设备等。,19,土样的要求与管理,采样数量应满足试验项目和试验方法的需要，并应附取土记录及土样现场描述。 采样的数量按下表规定采取,20,21,过筛,根据试验所需土样数量，将碾散的土样过筛。 物理性试验土样过0.5mm筛； 力学性试验土样过2mm筛； 击实试验土样过5mm筛。,22,过筛后用四分对角取样法，方法如下： 将土样拌匀，倒在纸上成圆锥形图 (a)， 然后用尺以圆锥顶点为中心，向一定方向旋转图 (b)使圆锥成为12cm厚的圆饼状。 继而用尺划两条相互垂直的直线，使土样分成四等份，取走相同的两份图 (c)，图 (d)将剩下的两份样拌匀； 重
7、复上述步骤，直到剩下的土样约等于需要量为止。,23,原状土试样制备步骤：,原状土的土样制备包括开启、描述、切取。 1 将土样筒按标明的上下方向放置。 检查土样结构(若土样已受扰动，不应制备力学性质试验的试样)。 2 切削试样前，应对土样的层次、气味、颜色、夹杂物、裂缝和均匀性进行描述,24,3,根据试验要求用环刀切取试样时，应在环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上，将环刀垂直下压，并用切土刀沿环刀外侧切削土样，边压边削至土样高出环刀，根据试样的软硬采用钢丝锯或切土刀整平环刀两端土样，擦净环刀外壁，称环刀和土的总质量。 用环刀切取试样时，要防止扰动，否则会影响测试结果。,25,4,从余土中
8、取代表性试样测定含水率。 对低塑性和高灵敏度的软土，制样时特别注意：不得扰动。,26,扰动土试样的制备步骤：,扰动土的土样制备包括 土的风干、碾散、过筛、匀土、分样和贮存等预备程序 击实、饱和等试样制备程序。 将块状扰动土放在橡皮板上用木碾碾散，或用碎土机碾散(不得破坏土粒结构)。,27,试样的数量视试验项目而定，应有备用试样12个。 将碾散的风干土样通过孔径2mm或5mm的筛，取筛下足够试验用的土样，充分拌匀，测定风干含水率，装入保湿缸或塑料袋内备用。,28,29,根据试验所需的土量与含水率，制备试样所需的加水量应按下式计算： 式中 制备试样所需要的加水量(g)； 风干土质量(g)； 风干土
9、含水率(%)； 制样要求的含水率()。,30,31,称取过筛的风干土样平铺于搪瓷盘内，将水均匀喷洒于土样上，充分拌匀后装入盛土容器内盖紧，润湿一昼夜，砂土的润湿时间可酌减。 测定润湿土样不同位置处的含水率，不应少于两点，含水率差值应符合本标准的规定。(不得大于1),32,二、试样饱和,土有三相组成：固相、液相、气相 土的孔隙逐渐被水填充的过程称为饱和，当孔隙被水充满时的土，称为饱和土。 完全饱和则为二相：固相、液相,33,试样饱和宜根据土样的透水性能，分别采用下列方法： 1粗粒土采用浸水饱和法。 2渗透系数大于10-4cms的细粒土（较易透水)，采用毛细管饱和法； 渗透系数小于、等于10-4c
10、ms的细粒土（不易透水) ，采用抽气饱和法。 如土的结构性较弱，抽气可能发生扰动，不宜采用真空饱和法。 二氧化碳和反压力饱和是目前较好的饱和方法,34,第2章 含水率试验,35,一、概念,长期以来，在岩土工程领域中将含水率和含水量两个意义不同的名词相互混淆，统称含水量。 实际上含水量应该是土体中所含水的量，单位为克(g)。 而含水率的定义是试样在105110温度下烘至恒量时所失去的水质量和恒量后干土质量的比值，以百分率表示。计算公式如下：,36,式中w0试样含水率(%)； 干土质量(g)； 湿土质量(g)。 - 这才是“含水量”,37,国家标准中采用含水率这个名词更符合定义。 含水率是土的基本
11、物理性指标之一。它反映土的状态 含水率的变化将使土的一系列物理力学性质随之而异。,38,这种影响表现在各个方面 如反映在土的稠度方面，使土成为坚硬的、可塑的或流动的； 反映在土内水分的饱和程度方面，使土成为稍湿、很湿或饱和的； 反映在土的力学性质方面，能使土的结构强度增加或减小，紧密或疏松，构成压缩性及稳定性的变化。 因此，土的含水率是研究土的物理力学性质必不可少的一项指标。 同时，土的含水率也是土工建筑物施工质量控制的依据。,39,二、试验方法,测定含水率的方法多种多样，如烘干法、酒精燃烧法、炒干法、比重法、实容积法、微波法和核子射线法等等。,40,1.烘干法：,将试样放入温度能保持在105
12、110的电热烘箱中烘至恒值。,这是测定含水率的通用标准方法，精度高，试验简便，结果稳定。 此法为室内测定含水率的标准方法，列入国家标准。 在野外无烘箱设备或要求快速测定含水率，则可根据土的性质和工程情况分别采用下列方法。,41,2.酒精燃烧法,在试样中加入酒精，利用酒精在试样上燃烧，使土中水分蒸发，将土烤干。 是快速测定法中较准确的一种，适用于没有烘箱或土样较少的情况。 由于此法难以控制105110的恒温条件，与定义不完全符合，故一般在现场使用，或者在制备试样时测定风干土样的含水率，供制样参考。 酒精燃烧法测得的含水率略低于烘干法所测的含水率。,42,3.炒干法,用火炉或电炉将试样炒干，在炒干
13、过程中，随时翻拌试样，至试样表面完全干燥。此法适用于砂性土及含砾较多的土，在工地使用。此法也不符合定义所规定的105110，炒干法温度在100150，所测的含水率略大于烘干法。,43,4.比重法：,该法是根据比重试验，测定湿土体积，估计土粒比重，间接计算土的含水率。由于试验时没有考虑温度的影响，所测得的结果准确度较差。 土内气体能否充分排出，直接影响试验成果的精度，故此法仅适用于砂性土。,44,5.实容积法：,根据波义尔马略特定律设计的速测含水率仪。它是通过测定土中固相和液相的体积，取土的经验比重值，换算出土的含水率。 该法的原理是波义尔马略特定律，首先要求气温基本保持不变，这在填筑工地上是很
14、难达到的。若以标准温度为20，那么气温变化1，实容积的变化就达到5，相应含水率的变化也约5，为此，目前很少使用。,45,6.微波法：,微波加热是近十几年来才发展的一门新技术。 微波是一种超高频的电磁波。微波加热就是通过微波发生器产生微波能，然后用波导(传送线)将微波能输送到微波加热器中，加热器中的试样受到微波的照射后就发热，使水分蒸发。,46,由于微波具有一定的穿透深度，使被加热物体里外同时加热，因此具有均匀、快速的优点。 显然，快速干燥工艺在土工试验中具有重要的意义。 但微波加热的温度如何控制、烘干时间采用多长等，都是有待进一步研究的。美国于1998年将此列入ASTM标准。,47,7.核子射
15、线法：,利用核子法测定土石等材料原位密度和含水率是一项迅速发展的无损、快速检测新技术。 水利部已制定核子水分密度仪现场测试规程。 用表层型核子水分密度仪测定材料密度和含水率是一种间接的物理测量方法。,48,测量依据： 仪器所记录到的射线或热中子计数率分别与被测材料密度和含水率有确定的相关性。 通过预先建立适合仪器进行密度或水分测量的标定曲线，则可根据仪器现场测量所记录的射线或热中子计数率，按相对应的标定曲线，确定被测材料的密度或含水率。 深层型核子仪利用探棒通过钻孔或测量导管放至地面下预定深度，分别用射线散射法和快中子被氢原子慢化法测定材料原位密度和含水率变化。,49,三、检测依据,土工试验方
16、法标准GBT 501231999 本试验方法适用于粗粒土、细粒土、有机质土和冻土。,50,四、仪器设备及环境,天平： 称量200g，精度0.01g； 称量600g，精度0.1g； 称量6000g，精度lg。 烘箱：能控制温度在105110。 铝盒：大小适当。 料盘：大小适当。 环境：在室内常温条件下进行。,51,四、取样及制备要求,素土、灰土等细粒土每份一般取1530g，二灰碎石等粗粒土由于含大颗粒，每份宜取1000g以上。 取样要有代表性，宜采用四分法取样。当取样后不立即进行称量测定时，必须密封防止水分损失。,52,当采用抽样法测定含水率时，必须抽取两份样品进行平行测定，平行测定两个含水率的差值应符合以下要求： 含水率40，差值1； 含水率40，差值2； 冻土，差值3；,53,五、操作步骤,(1) 素土、灰土取代表性试样或环
