铁路工程土工试验讲义.docx

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铁路工程土工试验讲义

铁路工程土工试验讲义

工程试验2009-12-1818:

37:

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一、概述

1、土的形成

土是岩石风化的产物。

物理风化------岩石暴露在大气层内，受风、霜、雨、雪的侵蚀，以及受温度升降变化的影响，裂隙水结冰等原因，使岩石崩解成块。

化学风化-------这些碎块再与水、二氧化碳、氧气接触发生化学作用。

生物风化-------岩石在风化过程中与自然界的生物发生相互作用。

2、土与工程的关系

地基-----作为建筑物（桥涵、楼房等）或构筑物（路基等）的地基；

填料-----作为土工构筑物（路基、堤坝等）的填料；

介质-----作为构筑物（渠道、黄土隧道等）的周围介质。

3、土工试验的重要意义

土用于地基，会出现地基的变形和稳定问题；用作填料，存在土的压实和变形问题；用于介质，需考虑土的渗流和抗渗稳定性问题。

研究解决以上问题，涉及到土的物理、力学、化学性能。

要评价土的以上性能，须通过土工试验来获取土的各项性能指标。

尤其在研究不良地基处理方案时，实测的实验指标是优选技术措施的重要依据。

4、对土工试验人员的要求

由于土工试验成果因试验方法和试验技巧的熟练程度不同，会有较大的差别，这种差别远大于计算方法引起的误差。

为了使土工试验比较正确地反映实际土的性状，要求试验人员了解和掌握以下五个问题：

①.试验的目的和所依据的原理；

②.使用的仪器设备性能和操作方法；

③.试验应获得哪些数据、分析出什么结论；

④.试验中的注意事项、误差的初步分析；

⑤.分析试验设计与实际问题的联系

概括地说土工试验人员要具备：

一有基本理论，二有基础知识，三有基本技能。

二、土工试验项目

土工试验项目应根据土的用途决定：

1、室内实验。

①.土的物理性能试验：

含水率、密度、颗粒密度、界限含水率、颗粒分析、渗透、击实等。

试验成果用于土的工程分类，土的状态的判定，渗透计算，填土工程施工方法的选择和碾压质量控制。

②.砂的相对密度试验：

包括砂的最大和最小孔隙比的测定，由此确定砂的相对密度，判定砂的疏密状态。

③.土的变形试验：

包括固结、压缩、湿陷性和膨胀性等。

这些试验为工程设计提供变形参数：

压缩系数、压缩模量、体积压缩系数、压缩指数、回弹指数、前期固结压力、固结系数、湿陷系数、自重湿陷系数、膨胀率、膨胀力等。

④.土的强度试验：

包括直接剪切试验、反复直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验等。

这些试验为设计提供土的抗剪指标参数（粘聚力、内摩擦角）、无侧限抗压强度、灵敏度等。

⑤.土的化学性试验：

包括粘土矿物鉴定、有机质和盐渍土试验等。

粘土矿物成分是决定土的物理化学性质的重要因素；有机质试验提供土中有机质含量，供施工选择土料之用；盐渍土是土中易溶盐含量大于5%的土，盐渍土试验指标供地基评价、采取工程措施或选料之用。

⑥.级配碎石：

粒径级配、破碎面含量、洛杉矶磨耗率、硫酸钠浸泡损失率、液塑限、塑性指数、粘土团及其他杂质含量、毛体积密度。

⑦.改良土：

液塑限、塑性指数、颗粒分析、击实（重型）、含灰剂量、无侧限抗压强度

2、路基现场压实质量检测。

①.路基压实密度、含水率检测。

常用的方法有环刀法、灌砂法、灌水法、气囊法、核子射线法等。

②.路基地基系数K30检测。

③.路基动态变形模量Evd检测。

④.路基静态变形模量Ev2检测。

3、土工原位测试

①.静力载荷试验。

试验成果用于确定地基承载力、变形模量等。

②.静力触探试验。

适用于软土、粘性土、砂类土以及含少量碎石的土层。

试验成果用于确定地基承载力、判定砂土液化和提供地基物理力学参数等。

③.动力触探试验。

适用于粘性土、砂类土和碎石类土。

试验成果用于确定地基承载力、评定土的抗剪强度和变形模量等。

④.标准贯入试验。

适用于一般粘性土、粉性土和砂类土。

可判定砂土的密实程度、粘性土的塑性状态、判别饱和砂土及粉土的液化等。

⑤.十字板剪切试验。

适用于测定饱和粘性土的不排水抗剪强度及灵敏度等。

⑥．旁压试验。

三、土的工程分类

工程土按用途主要有两种：

一是作为建筑物地基的原状土；二是作为建筑材料的扰动土。

1、我国土的工程分类标准有：

①.国家标准《土的工程分类标准》GB50145-2007 

《土工试验方法标准》GB/T50123-1999

②.水利部《土的工程分类》SL237-001-1999；

②.交通部《公路土工试验规程》JTGE40-2007；

       《公路桥涵地基与基础设计规范》JTGD63-2007

④.铁道部《铁路工程岩土分类标准》TB10077-2001。

        《铁路工程土工试验规程》TB10102-2004

2、铁路工程桥涵地基与基础土的分类

1）.一般土

①.分类定名

A.土的颗粒分类。

讲义表17.1

 把土颗粒按颗粒形状和粒径大小分成了7类15种。

B.碎石类土。

讲义表17.2

大于2mm的颗粒超过总质量的50%。

按颗粒形状和级配分为4类8个名称。

C.砂类土。

讲义表17.3

大于2mm的颗粒不超过总质量的50%，而大于0.075mm的颗粒超过总质量的50%。

按颗粒级配分为1类5个名称。

D.粉土。

 粒径大于0.075mm颗粒的质量不超过全部质量50%的土，且塑性指数等于或小于10。

按塑性指数和颗粒级配分为1类1个名称。

E.粘性土。

讲义表17.4

  按塑性指数分为1类2个名称。

②.密实程度

A.碎石类土。

讲义表17.5

 根据结构特征、天然坡和开挖情况、钻探情况分为：

密实、中密、稍密和松散4种。

B.砂类土。

讲义表17.6

 根据标准贯入锤击数N和相对密度Dr分为：

密实、中密、稍密和松散4种。

C.粉土。

讲义表17.7

 根据孔隙比e的大小分为密实、中密、稍密3种。

D.粘性土。

讲义表17.8

根据压缩系数a0.1~0.2分为高、中、低压缩性土3种。

③.潮湿程度

A.碎石类和砂类土。

讲义表17.9

 根据饱和度分为稍湿、潮湿、饱和3种。

B.粉土。

讲义表17.10

 根据天然含水率分为稍湿、潮湿、饱和3种。

C.粘性土。

讲义表17.11

 根据液性指数分为坚硬、硬塑、软塑、流塑4种。

2）.特殊土

①.黄土。

第四纪以来，在干旱、半干旱气候条件下形成的，土颗粒成分以粉粒为主、含碳酸钙及少量易溶盐、并具大孔隙和垂直节理、抗水性能差、易崩解和潜蚀、上部多具湿陷性等工程地质特征的土，应判定为黄土。

黄土按堆积时代、塑性指数、湿陷系数分类。

②.红粘土。

颜色呈棕红、褐黄色，覆盖于碳酸盐系岩层之上，且液限等于或大于50%的高塑性粘土，应判定为红粘土。

红粘土经搬运、沉积后仍保留残积粘土的基本特征，且液限大于45%，应判定为次生红粘土。

红粘土具有遇水软化、失水收缩强烈、裂隙发育、易剥落等工程地质特征。

红粘土根据塑性状态、裂隙状态和界限液塑比和液塑比关系分类。

③.膨胀土。

土中粘粒成分主要由亲水矿物组成，具有吸水显著膨胀软化，失水急剧收缩开裂，并能产生往复胀缩变形的粘性土，应判定为膨胀土。

膨胀土分类首先根据地貌、土的颜色、结构、土质情况、自然地质现象和土的自由膨胀率等特征，作初期判定；然后按自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量三项指标可对膨胀土详细判定。

④.软土。

天然孔隙比大于或等于1.0，天然含水率大于或等于液限，压缩系数大于或等于0.5，不排水抗剪强度小于30kPa的粘性土，可判定为软土。

软土一般含有机质，具有压缩性高、强度低、灵敏度高和排水固结缓慢的特点。

软土的结构受到扰动后，强度会极大地下降。

软土根据物理力学性质、成因类型、无侧限抗压强度试验或现场十字板剪切试验、软土的灵敏度分类。

⑤.盐渍土。

易溶盐含量大于0.5%的土，可判定为盐渍土。

某地区或场地地表以下1.0m深度内易溶盐的平均含量大于0.5%时，应定为盐渍土地区或场地。

盐渍土具有较强的吸湿、松涨、溶陷及腐蚀等工程地质特性。

盐渍土按含盐性质、盐渍程度的分类。

⑥.填土.

人为活动堆填的土应判定为填土，一般具有成分复杂和固结时间短等特点。

根据物质组成和堆填方式，填土分为杂填土、素填土、冲填土、填筑土4类。

3、铁路工程路基填料的分类

铁路路基填料分类是根据原《铁路路基设计规范》TB10001-99中的“填料分类”为基础，进行了局部的修订，在“一级定名”上与《铁路工程岩土分类标准》TB10077-2001进行了统一，并以铁建设[2004]148号文发布。

①.巨粒土、粗粒土（包括砂类土）

根据颗粒组成、颗粒形状、细粒含量、颗粒级配、抗风化能力等，按讲义表17.26进行定名和分组。

②.细粒土

根据土的塑性指数Ip和液限含水率wL，按讲义表17.27进行定名和分组。

四、土的组成及基本物理指标

1、土的三相体概念

土是由固体颗粒、水分和空气三相组成。

其中每种成分的质量、体积的相对比例有所增减，都会引起土的物理力学性质的变化。

图1土的三相图

2、土的基本物理指标及换算关系

土的基本物理指标有九项,他们是：

密度、颗粒密度、含水率、干密度、饱和密度、有效重度、孔隙比、孔隙率及饱和度。

其中前三项是直接检测出来的，后六项是计算出来的。

①.密度ρ

单位体积土的质量（包括孔隙中水的质量在内）称为土的密度（g/cm3）。

②.颗粒密度

土体内的固体颗粒质量与颗粒体积之比值，称为颗粒密度（g/cm3）,颗粒密度关注的是土体固体颗粒的视密度，也是以前的比重的概念。

③.含水率w

土中水的质量与土固体颗粒质量的比值称为土的含水率，以百分数计。

在有的标准中，如公路用标准，含水率又称为含水量。

不同的土其含水率的变化范围很大。

干燥坚硬的土，含水率只有2～10%.而软粘土的含水率可达50～200%.

④.孔隙比e

土中的孔隙体积与土固体颗粒体积的比值称为孔隙比。

孔隙比是土的重要指标之一，它反映了土的松软和紧密程度。

⑤.孔隙率n

土中孔隙体积与全部体积之比称为孔隙率（%）。

孔隙比与孔隙率之间存在着式（17-9）或（17-10）的关系。

⑥.饱和度Sr

土中水分所占体积与全部孔隙所占体积之比，称为饱和度（%）。

⑦.干密度

表示单位体积内土粒的质量（g/cm3）。

⑧.饱和密度

当土体的孔隙完全为水所充满时，土体的密度（g/cm3）

⑨.浮密度

表示地下水位以下的土体，且它的孔隙完全为水所充满，但又整个受到地下水的浮力作用。

因此有：

五、土工试验方法

1、含水率

①、试验目的：

土的基本物理指标之一，是计算干密度、孔隙比、饱和度、液性指数等指标的基本数据，用于评价土的工程性质。

②、检测方法：

a.烘干法：

适用于各类土。

本法为测定含水率的标准方法，粘性土、粉土烘干时间不少于8h，砂类土不少于6h，砾、碎石类土不少于4h。

但当土中有机质含量超过5%或含石膏或硫酸盐时，应控制温度在65-70℃。

b酒精燃烧法：

适用于不含有机制的砂类土、粉土和粘性土。

c.碳化钙减量法：

适用于各类土。

d.核子射线法：

适用于现场原位测定填料为细粒土和砂类土的含水率

③、烘干法数据处理：

ω=m-ms/ms×100%

ω—含水率，%；计算至0.1%

m—湿土质量，g，称量至0.01g

ms—干土质量，g，称量至0.01g

④、平行试验允许偏差：

细粒土：

含水量10%以下为0.5%；含水量40%以下为≤1%；含水量40%以上为≤2%。

粗粒土：

含水量10%以下为1%；含水量40%以下为≤2%；含水量40%以上为≤3%。

练习题

3、（问答）常用的测试含水量的方法有哪些？

并说明各自的适用范围。

2、密度

①、试验目的：

测定土的密度，用于计算土的干密度、压实度、孔隙比、孔