a4第4章道路路基土试验检测方法.docx
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a4第4章道路路基土试验检测方法
第四章道路路基土试验检测方法
第一节路用土石材料
土石材料是建筑道路的基本材料，不同的土类具有不同的工程性质，因而将直接影响到道路的强度与稳定性，故而有必要按土石材料的性质加以区分。
不同的土类含有不同粒径的土颗粒，砂粒成分多的土，强度构成以内摩擦力为主，强度高，受水的影响小，但施工时不易压实。
较细的砂，在渗流情况下，容易流动，形成流砂。
粘粒成分多的土，强度形成以粘聚力为主，其强度随密实程度的不同变化较大，并随湿度的增大而降低。
粉土类土毛细现象强烈，路基路面的强度和承载力随着毛细水上升、湿度增大而下降。
在负温度坡差作用下，水分通过毛细作用移动并积聚，使局部土层湿度大幅度增加，造成路基冻胀，最后导致路基翻浆、路面结构层断裂等各种破坏。
一、路用土石材料的工程分类
世界各国道路用土的分类方法虽然不尽相同，但是分类的依据则大致相近。
我国对道路用土石材料的分类方法，借鉴了国际惯用的统一土分类原则，依据土颗粒的粒径组成、土颗粒的矿物成分、土的塑性指标以及有机质含量等，形成路用土石材料分类体系。
表4-1为按土的颗粒粒径大小划分不同粒组情况。
按土石颗粒粒径大小划分不同粒组情况表4-1
路用土分类的总体系如图4-1所示。
其中，巨粒土、砾粒土、砂粒土、细粒土等进一步分类情况如图4-2、图4-3、图4-4、图4-5所示。
图4-1土分类总体系
图4-2巨粒土分类体系
图4-3砾类土分类体系
图4-4砂类土分类体系
图4-5细粒土分类体系
细粒土按塑性图分类。
其塑性图如图4-6。
采用下列液限分区：
低液限wL<50%高液限wL≥50%
图4-6塑性图
二、路用土石材料的工程性质
路用的各类土石材料具有不同的工程性质，在修筑道路路基或路面路基垫层时需要据此进行材料选择，以及采取相应的工程技术处理措施。
按路用土石材料分类，总体系构成划分的不同工程性质情况见表4-2。
总之，砂性土是筑路的最好材料，粘性土次之，粉性土是不良筑路材料，易引起各类道路病害，重粘土、特别是蒙脱土的矿物成分也为不良筑路材料。
此外，一些特殊的土类，如有机质土、黄土、膨胀土、盐渍土等，不宜用来筑路，或使用时采取相应技术处理措施。
路用土石材料的工程性质表4-2
第二节土的物理性质试验检测方法
土是土粒、空气和水所组成的三相体，三相成分的比例不同，所运用的环境不同，使其物理和力学特性变为十分复杂。
工程概念上的土是由固体颗粒、水和气体三部分所组成的三相体系。
固体部分一般由矿物质所组成，有时含有有机质，由它构成土的骨架。
土骨架间布满相互贯通的孔隙，这些孔隙有时完全被水充满，称为饱和土；有时一部分被水占据，另一部分被气体占据，称为非饱和土；有时也可能仅完全充满气体，称为干土。
这三种组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用决定土的物理力学性质及工程状态。
一般可用相应的指标表示它们的物理性质及状态情况，工程设计和工程检验中要用到这些指标。
常用的指标包括土粒比重、天然密度、饱和密度、干密度、浮密度、含水率、孔隙比、孔隙率、饱和度、液限含水率、塑限含水率、塑性指数、液性指数、相对密度等。
这些指标中，土粒比重、天然密度、含水率是实测指标，其他是换算指标，这三个指标的测试结果直接影响其他指标的计算，其中以天然密度和含水率的测试尤为重要。
一、含水率试验方法
（一）概述
土的工程性质之所以复杂，其主要原因是含水率在土的三相物质中形成不确定的因素，含水率的变化将使土的一系列物理力学性质随之而异。
土中含水率的不同，可使土成为坚硬的、可塑的或流动的土；反映在土的力学性质方面，能使土的结构强度、孔隙压力、有效应力及稳定性发生变化。
因此，土的含水率测试是研究土的物理力学性质的重要方面。
土中的水分划分为强结合水、弱结合水及自由水。
工程上含水率定义为土中自由水的质量与土粒质量之比的百分数，按式（4-1），一般认为在100℃～105℃下能将土中自由水蒸发掉。
（4-1）
式中：
——含水率，％；
m——湿土质量，g；
ms——干土质量，g。
（二）烘干法测定含水率
烘干法是测定含水率的标准方法，适用于粘质土、粉质土、砂类土和有机质土类。
1、仪器设备
（1）烘箱：
可采用电热烘箱或温度能保持105℃～110℃的其他能源烘箱。
（2）天平：
称量200g，感量0.01g。
（3）其他：
干燥器、称量铝盒等。
2、试验步骤
（1）取具有代表性试样，细粒土15～30g，砂类土、有机质土为50g，砂砾石为1~2kg，放入称量盒内，立即盖好盒盖，以天平或电子天平称称湿土和盒的质量，准确至0.0lg。
（2）揭开盒盖，将试样和盒一起放入烘箱内，在温度105℃～110℃恒温下烘干。
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，应将温度控制在60℃～70℃的恒温下，干燥12~15h为好。
（3）将烘干后的试样和盒取出，放入干燥器内冷却（一般只需0.5h～lh即可）。
冷却后盖好盒盖，称干土和盒质量，准确至0.0lg。
3、结果整理
含水率按式（4-2）计算，计算至0.l％。
（4-2）
式中：
——含水率，％；
m1——湿土和盒的质量，g；
m2——干土和盒的质量，g；
m3——盒的质量，g。
4、精密度和允许差
本试验须进行两次平行测定，取其算术平均值，允许平行差值应符合规定：
含水率为5％以下、40％以下和40％以上，允许平行差值分别不大于0.3％、1％、2％。
对于粗粒土，称量盒可采用铝制饭盒、瓷盘等，相应的土样也应多些。
含水率测定记录如表4-3所示。
含水率试验记录（烘干法）表4-3
盒号
盒质量
g
①
盒＋湿土质量
g
②
盒＋干土质量
g
③
水分质量
g
④＝②－③
干土质量
g
⑤＝③－①
含水率
%
⑥＝④/⑤
平均含水率
%
⑦
（三）酒精燃烧法测定含水率
在土样中加入酒精，利用酒精能在土上燃烧，使土中水分蒸发，将土样烘干。
一般应烧三次，这是快速测定法中较准确的一种，适用于快速测定细粒土的含水率。
1、仪器设备有：
（1）称量盒；
（2）天平：
感量0.0lg；
（3）酒精：
纯度95％；
（4）滴管、火柴、调土刀等。
2、试验步骤
（1）取代表性试样称湿土和盒质量同上。
（2）用滴管将酒精注入放有试样的称量盒中，直至盒中出现自由液面为止。
为使酒精在试样中充分混合均匀，可将盒底在桌面上轻轻敲击。
（3）点燃盒中酒精，燃至火焰熄灭。
（4）将试样冷却数分钟，按第2、3步的方法重新燃烧两次。
（5）待第三次火焰熄灭后，盖好盒盖，立即称干土和盒质量，准确至0.0lg。
其余同烘干法。
二、密度试验方法
（一）概述
密度是土的基本物理性质指标之一，无论在室内试验或野外勘查以及施工质量控制中均须测定密度。
测定密度常用的方法有环刀法、蜡封法、灌砂法、灌水法等。
环刀法操作简便而准确，在室内和野外普遍采用；不能用环刀切入的坚硬、易碎、含有粗粒、形状不规则的土，可用蜡封法；灌砂法、灌水法一般在野外应用。
土的天然密度定义为：
（4-3）
式中：
m——土的天然质量，g；
V——与m相应的土体积，cm3。
在密度测试中，m较易获得，而V值的检测操作受人为因素影响很大。
（二）环刀法测定密度
此法采用一定体积的环刀切削土样，使土按环刀形状充满其中，测环刀中土重，根据已知环刀的体积就可按定义计算土的密度。
有不同型号的环刀可供选用。
室内测试时，应结合我国仪器设备情况，可选用剪切、压缩、渗透仪环刀。
施工现场检查填土密度时，因每层土压实程度上下不均，而每一层压实厚度达20cm～30cm，环刀容积过小，取土深度稍有变化，所测密度误差较大，为此可选用大容积环刀提高测试精度。
1、仪器设备包括：
（1）环刀：
内径6cm～8cm，高2cm～3cm，壁厚1.5cm～2mm；
（2）天平：
感量0.1g；
（3）其他：
修土刀、钢丝锯、凡士林等。
2、试验步骤
（1）按工程需要取原状土或制备所需状态的扰动土样，整平两端，环刀内壁涂一薄层凡士林，刀口向下放在土样上。
（2）用修土刀或钢丝锯将土样上部削成略大于环刀直径的土柱，然后将环刀垂直下压，边压边削，至土样伸出环刀上部为止。
削去两端余土，使与环刀口面齐平。
（3）擦净环刀外壁，称环刀＋土质量m1，准确至0.1g。
利用清出的土样测定含水率。
3、结果整理
按式（4-4）计算湿密度：
（4-4）
式中：
——湿密度，g/cm3；
——环刀+土的质量，g；
——环刀质量，g；
V——环刀体积，cm3。
密度测定记录如表4-4所示。
密度试验记录（环刀法）表4-4
土样编号
环刀号
环刀容积
cm3
①
环刀质量
g
②
土＋环刀质量
g
③
土样质量
g
④
③-②
湿密度
g/cm3
⑤
④/①
含水率
%
⑥
干密度
g/cm3
⑦
⑤/（1+0.01⑥）
平均干密度
g/cm3
⑧
4、精密度和允许差
本试验须进行两次平行测定，取其算术平均值，其平行差值不得大于0.03g/cm3。
（三）蜡封法测定密度
此法系将不规则的土样（体积不小于500cm3）称其自然质量后，浸入熔化的石蜡中，使土样被石蜡所包裹，而后称其在空气中重与在水中重，并按公式计算土样密度。
此法所得密度值较其他方法大，这是因为在任何情况下难以避免熔蜡浸入土内孔隙中的缘故。
1、仪器设备包括：
（1）天平：
感量0.0lg；
（2）烧杯、细线、石蜡、针、削土刀等。
2、试验步骤
（1）用削土刀切取体积大于30cm3试件，削除试件表面的松、浮土以及尖锐棱角，在天平上称量，准确至0.0lg。
取代表性土样进行含水率测定。
（2）将石蜡加热至刚过熔点，用细线系住试件浸入石蜡中，使试件表面覆盖一薄层严密的石蜡，若试件蜡膜上有气泡，需用热针刺破气泡，再用石蜡填充针孔，涂平孔口。
（3）待冷却后，将蜡封试件在天平上称量，准确至0.0lg。
（4）用细线将蜡封试件置于天平一端，使其浸浮在盛有蒸馏水的烧杯中，注意试件不要接触烧杯壁，称蜡封试件的水下质量，准确至0.01g，并测量蒸馏水的温度。
（5）将蜡封试件从水中取出，擦干石蜡表面水分，在空气中称其质量，将其与本步骤（3）中所称质量相比，若质量增加，表示水分进入试件中；若浸入水分质量超过0.03g，应重做。
3、结果整理
按式（4-5）计算湿密度：
（4-5）
式中：
——土的湿密度，g/cm3；
m——试件质量，g；
——蜡封试件质量，g；
——蜡封试件水中质量，g；
——蒸馏水在t℃时密度，g/cm3，准确至0.001g/cm3；
——石蜡密度，g/cm3（应事先实测，准确至0.01g/cm3，一般可采用0.92g/cm3。
其余同环刀法。
（四）现场坑试法测定密度
对含有碎砾石的土层或人工填土层无法用环刀取样，则可在现场测点挖一测坑。
挖的同时测其挖出土石的质量和含水率，挖出的土质量一般不少于300kg。
对不规则的试坑体积测量，可用不透水的薄膜袋放在坑内，然后向袋中灌水并测所灌水的体积，并按定义计算土的密度。
也可按灌砂法测定体积。
三、界限含水率试验方法
（一）概述
细粒土随着土中含水率的不同，分别处于各种不同的状态。
1911年瑞典农学家阿太堡将土从液态过渡到固态的过程分为五个阶段，规定了各个界限含水率，称为阿太堡限度。
土的界限含水率和土的机械组成、土粒的矿物成分、比表面积、表面电荷强度等一系列因素有关，是这些因素的综合反映。
塑性高表示土中胶体粘粒含量大，同时也表示粘土中可能含有蒙脱石或其他高活性的胶体粘粒较多。
因此，界限含水率尤其是液限、能较好地反映出土的某些物理力学特性，如压缩性、胀缩性等。
对工程来说，有实用意义的主要是土的液限、塑限和缩限。
液限是土可塑状态的上限含水率，塑限是土可塑状态的下限含水率。
含水率低于缩限，水分蒸发时土体积不再缩小。
事实上，土从粘滞流动状态到可塑状态、从可塑状态到半固体状态的性质和直观变化都是渐变的。
因此，在两者之间建立确定的界限都带有一定的任意性。
为此各国均实行行业约定和规范，先后发展用碟式仪法、圆锥仪法、搓条法以及联合测定法来区分和测定土的界限含水率。
我国通用圆锥仪法测土的液限含水率，搓条法测土的塑限含水率，或联合法测土的液限和塑限含水率。
但各行业间由于历史原因，用同样方式测试时，所采用的仪器的具体尺寸、质量和测试标准不相同，这在测试中应加以注意。
（二）液限塑限联合测定法
1、仪器设备包括液塑限联合测定仪；锥质量为100g，锥角为30°，读数显示形式宜采用光电式、游标式、百分表式。
如图4-7所示
图4-7液塑限联合测定仪
2、试验主要步骤
（1）取有代表性的天然含水率或风干土样进行试验。
如土中含有大于0.5mm的土粒或杂物时，应将风干土样研碎或用木棒在橡皮板上压碎，过0.5mm的筛。
取代表性土样200g，分开放入三个盛土皿中，加不同数量的蒸馏水，使土样的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。
用调土刀调匀，密封放置18h以上。
（2）将制备好的土样充分搅拌均匀，分层装入盛土杯中，试杯装满后，刮成与杯边齐平。
（3）给圆锥仪锥尖涂少许凡士林，将装好土样的试杯放在联合测定仪上，使锥尖与土样表面刚好接触，然后按动落锥开关，测记经过5s锥的入土深度h。
（4）去掉锥尖入土处的凡士林，测盛土杯中士的含水率w。
重复以上步骤对已制备的其他两个含水率的土样进行测试。
3、结果整理
在二级双对数坐标纸上，以含水率w为横坐标，锥入深度h为纵坐标，点绘a、b、c三点含水率的h-w图，连此三点，应呈一条直线，如图4-8所示。
图4-8维入深度与含水率（h-w）
在h-w图上，查得纵坐标入土深度h＝20mm所对应的横坐标的含水率w即为该土样的液限含水率wL。
对于细粒土，用式（4-6）计算塑限入土深度hp：
（4-6）
对于砂类土，则用式（4-7）计算塑限入土深度hp：
（4-7）
也可不计算hp，而在《公路土工试验规程》（JTGE40－2007）规程上用相应的图查取hp。
根据hp值，再查试验结果h-w图，对应hp的含水率即为塑限含水率wP值。
四、相对密度试验方法
（一）概述
土的密实程度通常指单位体积中固体颗粒的含量。
土颗粒含量多，土就密实；土颗粒含量少，土就疏松。
但对于无粘性土来说这种表示密实度的方法有明显缺点，主要是这种表示方法没有考虑到粒径级配这一重要因素的影响。
例如取两种不同级配的砂土进行分析，假定第一种砂是理想的均匀圆球，不均匀系数Cu＝1.0。
若这种砂处于最密实的排列，理论上可以算出这时的孔隙比e＝0.35。
如果砂的比重Gs=2.65，则最密实时的干密度ρd=1.96；第二种砂是同样的理想圆球，但其级配中除大的圆球外，还有小的圆球可以充填孔隙，即不均匀系数Cu＞1.0，显然这种砂最密时的孔隙比e＜0.35。
这就是说如果两种砂都具有同样的孔隙比e＝0.35，但对于第一种砂已处于最密实状态，而对第二种砂则不是最密实状态。
工程上为了更好地表明粗粒土所处的密实状态，采用将现场土的孔隙比e与该种土所能达到最密实时的孔隙比emin和最松时的孔隙比emax相对比的办法来表示现场土孔隙比为e时的密实度。
这种度量密实度的指标称为相对密度Dr，表示为：
Dr=（emax-e）/（emax-emin）（4-8）
一般认为Dr≤1/3时土属于疏松状态；l/3＜Dr＜2/3时土属于中密状态；而Dr＞2/3时土属于密实状态。
相对密度的另一种等价表达式为：
（4-9）
式中：
——干密度，g/cm3。
公路路基填方工程用击实试验结果控制施工质量，对粘性土来说是很好的，但对于粗粒土，因其理论和实践上不适用于一般粘性土所表示的击实关系曲线，所以用压实度指标控制粗粒土路基的压实质量不尽合理，而采用Dr作为压实质量控制指标。
（二）仪器设备
1、量筒：
容积为500cm3及1000cm3两种，后者内径应大于6cm。
2、长颈漏斗：
颈管内径约1.2cm，颈口磨平。
3、锥形塞：
直径约1.5cm的圆锥体镶于铁杆上。
4、砂面拂平器。
5、电动最小孔隙比仪，如无此种仪器，可用下列（6）～（8）的设备。
6、金属容器两种：
容积250cm3，内径5cm，高度12.7cm；容积1000cm3，内径10cm，高度12.7cm。
7、振动仪。
8、击锤：
锤重1.25kg，高度150mm，锤座直径50mm。
（三）试验步骤
1、最大孔隙比的测定
（1）取代表性试样约1.5kg，充分风干（或烘干），用手搓揉或用圆木棍在橡皮板上碾散，并拌和均匀。
（2）将锥形塞杆自漏斗下口穿入，并向上提起，使锥体堵住漏斗管口，一并放入体积1000cm3量筒中，使其下端与量筒底相接。
（3）称取试样700g，准确至1g，均匀倒入漏斗中，将漏斗与塞杆同时提高，移动塞杆使锥体略离开管口，管口应经常保持高出砂面约1cm～2cm，使试样缓缓且均匀分布地落入量筒中。
（4）试样全部落入量筒后取出漏斗与锥形塞，用砂面拂平器将砂面拂平，勿使量筒振动，然后测读砂样体积，估读至5cm3。
（5）以手掌或橡皮塞堵住量筒口，将量筒倒转，缓慢地转动量筒内的试样，并回到原来位置，如此重复几次，记下体积的最大值，估读至5cm3。
（6）取上述两种方法测得较大体积值，计算最大孔隙比。
2、最小孔隙比的测定
（1）取代表性试样约4kg，按最大孔隙比测定的步骤处理。
（2）分三次倒入容器进行振击，先取上述试样600g～800g（其数量应使振击后的体积略大于容器容积的1/3）倒入1000cm3容器内，用振动仪以各150次/min～200次/min的速度敲打容器两侧，并在同一时间内，用击锤于试样表面锤击30次/min～60次/min，直至砂样体积不变为止，一般约5min～10min时。
敲打时要用足够的力量使试样处于振动状态。
振击时，粗砂可用较少击数，细砂应用较多击数。
（3）如用电动最小孔隙比试验仪时，当试样同上法装入容器后，开动电机，进行振击试验。
（4）按上述方法进行后两次加上的振动和锤击，第三次加土时应先在容器口上安装套环。
（5）最后一次振毕，取下套环，用修土刀齐容器顶面削去多余试样，称量，准确至1g，计算其最小孔隙比。
（四）结果整理
1、按下列公式计算最小与最大干密度，计算至0.01g/cm3。
（4-10）
（4-11）
式中：
——最小干密度，g/cm3；
——最大干密度，g/cm3；
m——试样质量，g；
——试样最大体积，cm3；
——试样最小体积，cm3。
2、按下列公式计算最大与最小孔隙比：
计算至0.01
（4-12）
（4-13）
式中：
Gs——土粒比重。
3、按式（4-8）和式（4-9）计算相对密实度，计算至0.01。
（五）精密度和允许差
最小与最大干密度，均须进行两次平行测定，取其算术平均值，其平行差值不得超过0.03g/cm3。
上述方法适用于颗粒直径小于5mm的土，且粒径2mm～5mm的试样质量不大于试样总质量的15％。
五、颗粒分析试验方法
（一）概述
组成土体的颗粒的粒径是大小不同的，土粒粒径的大小和级配与土的工程性质紧密相关。
土的颗粒分析试验就是测定土的粒径大小和级配状况，为土的分类、定名和工程应用提供依据。
分析的方法有直接法和间接法，对于粒径大于0.074mm的土用筛析法直接测试；对于粒径为0.002mm～0.074mm的土一般用水析法间接测试。
（二）筛分法
1、试验原理
筛分法是将土样通过逐级减小孔径的一组标准筛子。
对于通过某一筛孔的土粒，可以认为其粒径恒小于该筛的孔径，反之，遗留在筛上的颗粒，可以认为其粒径恒大于该筛的孔径。
这样即可把土样的大小颗粒按筛孔径大小逐级加以分组和分析。
2、仪器设备
粗筛：
孔径为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm；细筛：
孔径为2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm。
特别应注意土的筛析采用圆孔筛，路用集料的筛析则采用方孔筛。
3、试验步骤
（1）将土样放在橡皮板上风干，用木碾将粘结的土团充分碾散拌匀，用四分法取代表性土样备用。
（2）将四分法取出的代表性土样称取100g～4000g，土样的粒径越大称取的数量越多。
将试样过孔径为2mm的细筛，分别称出筛上和筛下土的质量。
（3）取2mm筛上试样倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中；取2mm筛下的土样倒入依次叠好的细筛的最上层筛中进行筛析。
若2mm筛下的土不超过试样总质量的10％，则可省略细筛分析。
同样，2mm筛上的土如不超过试样总质量的10％，则可省略粗筛分析。
筛析时细筛可放在摇筛机上振摇，振摇时间一般为10min～15min。
（4）依次将留在各筛上的土称重。
要求各细筛及底盘内土质量总和与原来所取2mm筛下试样质量之差不得大于1％，同样各粗筛及2mm筛下的土质量和与试样质量之差不得大于1％。
4、计算及绘图
按式（4-14）计算小于某颗粒直径的土的质量百分数：
（4-14）
式中：
x——小于某颗粒粒径的土质量百分数，％；
A——小于某颗粒直径的土质量，g；
B——细筛分析时所取试样质量，粗筛分析时则为试样总质量，g；
P——粒径小于2mm的总土质量百分数，或粒径小于0.074mm的总土质量百分数。
如果土中无大于2mm的颗粒或无小于0.074mm的颗粒，分析时取P=100％。
以小于某粒径的土质量百分数为纵坐标，颗粒粒径的对数值为横坐标，绘制颗粒大小分配曲线。
试验记录格式及图例如表4-5和图4-9所示。
颗粒分析试验记录（筛分法）表4-5
筛前总土质量＝g，小于2mm土质量＝g，小于2mm土占总土质量＝%，小于2mm取样质量＝g
粗筛分析
细筛分析
孔径mm
累积留筛土质量g
小于该孔径的土质量g
小于该孔径的土质量百分比%
孔径mm
累积留筛土质量g
小于该孔径的土质量g
小于该孔径的土质量百分比%
占总土质量百分比%
2
60
1
40
0.5
20
0.25
10
0.074
5
2
图4-9颗粒大小分配曲线
（三）比重计法和吸管法
1、试验原理
比重计和吸管法分析是水析法的一种，实质为静水沉降法，其基本原理认为0.002mm～0.2mm粒径的土粒在水或液体中靠自重下沉时应作等速运动，运动的
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