土工试验概述.docx

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土工试验概述

土工试验概述

一、土的形成及土工试验的重要性

土是岩石分化的产物（火山灰除外）。

岩石暴露在大气圈内，由于风、霜、雨、雪以及温度升降变化的影响，裂隙中积水结冰等原因（物理风化），使岩石崩解成块。

其大小从块石到黏粒皆有，其外形因圆顺或有棱角而不同，但它的化学成分与母岩相同。

这些碎块再与水、二氧化碳、氧气接触（化学风化）以及受生物作用（生物风化），其粒径变得更小，与母岩化学成分也有所不同的物质。

这些由风化作用形成的沉积物或未经固结的松散集合体，在工程上统称为土。

由于土在形成过程中所受的风化作用不同，使它具有不同的沉积形式。

土的主要成因类型有残积、坡积、洪积、冲积、湖积、冰积和风积。

从工程观点来看，土具有颗粒特性。

颗粒与颗粒之间的黏结强度远较土粒本身的强度低，甚至没有黏结性。

根据土粒之间有无黏结性大致可将土分为砂类土（砾石、砂）和黏性土两大类。

自然界的土与工程大体可归纳为三个方面：

作为建筑物或构筑物地基；作为土工构筑物（路堤、堤坝等）填料；作为构筑物的周围介质。

在这些应用中，土与建筑物、构筑物产生着相互作用。

例如：

用于地基，会出现地基的变形和稳定问题；用作填料，会产生土的压实和变形问题；作为周围介质（渠道、土中隧道、地下洞穴等）需要考虑土的渗流及抗渗稳定性等。

研究这类问题，涉及到土的强度、压缩性、密实性以及渗透性等，都需要研究土的颗粒特性和力学性能，通过土工试验确定颗粒特性和力学性能指标。

这些指标也是评价地基和优选填筑土料的必备数据。

在研究不良地基处理方案时，实测试验指标更是优选技术措施的重要依据。

由此可见，从认识土性，利用土体到改良土体，换句话讲，无论是研究岩土工程问题，或是解决岩土工程问题，土工试验皆是必不可少和至关重要的工作。

它的重要性表现在：

测试指标失真，不仅使按此设计的工程失稳甚至于破坏，就是造成财力、物力的浪费。

另外，土工试验成果因试验方法和试验技巧的熟练程度的不同，会有较大的差别。

这种差别远大于计算方法所引起的误差。

为了使土工试验比较正确地反映实际土的性状，要求试验人员必须了解和掌握以下五方面的情况：

▲试验的目的和所依据的原理。

▲使用的仪器设备性能，操作方法。

▲试验应获得哪些数据、分析出什么结论。

▲试验中的注意事项、误差的初步分析。

▲分析试验设计与实际问题的联系。

具体地说，要求试验人员既要学习和理解试验原理，又要训练和掌握试验方法，并能熟悉和正确使用仪器设备。

概括为三句话，就是要具有基本理论，基础知识和基本技能。

在此基础上，向测试技术的深度和广度发展。

二、土工试验项目

土工试验一般分为室内试验和现场原位测试两部分。

1．室内试验

从现场采取具有代表性的原状或扰动土样，送至试验室进行测试。

一般常规的项目包括以下内容：

（1）土的物理性能试验：

包括含水率、密度、颗粒密度、界限含水率、颗粒分析、渗透、击实等试验。

试验成果可分别用于土的工程分类、土的状态判定、渗透计算、填土工程施工方法的选择和质量控制。

（2）砂的相对密度试验：

包括砂的最大和最小孔隙比试验，由此确定砂的相对密实度，可作为判断砂疏密状态的指标。

（3）土的变形试验：

包括固结、压缩、湿陷性和膨胀性等。

这些试验可为设计提供变形参数，即：

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、膨胀力等指标。

（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。

这些试验可为设计提供抗剪强度指标参数（黏聚力、内摩擦角）、无侧限抗压强度、灵敏度等。

用以计算地基、边坡及挡土墙等的稳定性，必要时用以计算地基承载力。

（5）土的化学性试验：

包括黏土矿物鉴定、有机质和盐渍土试验等。

黏土矿物成分是决定土的物理、化学性质的重要因素；有机质试验可测得土中的有机质含量，供研究其特性或供施工选择土料之用；盐渍土指土中易溶盐含量大于5％的土。

随着其含量多寡和类别的不同，土的物理力学性质将有不同程度的改变，进行盐渍土试验，提供相应的指标，作为地基评价、采取工程措施或选料决策的依据。

2．现场原位测试

原位测试就是在土原来所处的位置基本保持土的天然结构，天然含水率以及天然应力状态测定土的性能。

它与勘探一取样一室内试验相比，有以下优点：

（1）可以测定诸如砂土、流动淤泥层、贝壳层、破碎带等采样时不可避免会扰动的土层的工程性质。

（2）避免采样过程中应力释放的影响。

（3）原位测试的土体体积比室内试样大，因此代表性也大。

（4）可缩短勘探周期。

但原位测试也有不足之处，主要表现在以下几个方面：

（1）各种原位测试都有其适用条件，如使用不当则会影响其效果。

（2）有些原位测试所得参数与土的工程性质的关系往往是建立在统计经验关系上，难以从理论上解释。

（3）影响原位测试效果的因素较为复杂（如周围的应力场、排水条件等），使得对测定值的准确判定造成一定困难。

（4）原位测试中的主应力方向往往与实际工程问题中的主应力方向并不一致。

因此，土的室内试验与原位测试各有其独到之处，在全面研究土的各种性状中，两者不能偏废，而应相辅相成。

3．原位测试常用的方法

（1）静力载荷试验（简称载荷试验）：

包括平板载荷试验、螺旋载荷试验、桩基载荷试验、动载荷试验等。

试验成果应用于确定地基承载力、变形模量；预估建筑物沉降量；计算地基土的固结系数、不排水剪切强度；确定单桩（垂直、横向）承载力。

本章后边介绍K30平板载荷试验、Evd动态平板载荷试验均是平板载荷试验的变种。

（2）静力触探试验：

适用于软土、黏性土、砂类土及含少量碎石的土层，常用于划分土层界面、土类定名，确定地基承载力和单桩极限荷载、判别砂土和饱和粉土液化可能性及测定地基土的物理力学参数等。

（3）动力触探试验：

适用于黏性土、砂类土和碎石类土。

利用动力触探测试资料，可以确定砂土、碎石土密实度及地基土的承载力；评定土的抗剪强度及变形模量等。

（4）标准贯入试验：

适用于一般黏性土、粉性土和砂类土。

本试验可判定砂土密实程度或黏性土的塑性状态判别饱和砂土、粉土的液化等。

（5）十字板剪切试验：

适用于测定饱和黏性土的不排水抗剪强度及灵敏度等参数。

三、土的工程分类

自然界的土是在各种不同的成土环境中形成的。

土的矿物成分和所经历的年代不同，工程性质的差别很大。

在实际工程应用中，正确的评价土的工程性质，对土进行工程分类，作为工程设计及施工选料等的依据。

一般地，工程土可按下列几种标准分类：

1．按地质成因分类：

残积土、坡积土、洪积土、冲积土、海积土、湖积土、淤积土、风积土和冰积土等。

2．按沉积年代分类：

（1）老黏土一第四纪晚更新世（Q3）及其以前沉积的，具有较高的结构强度和低压缩性。

（2）一般黏土一第四纪全新世（Q4）沉积的黏性土。

（3）新近沉积的黏性土一近代文化期沉积的，一般为欠压密的，结构性较差。

3．按堆积碎屑物粗细（颗粒级配）分类：

碎石类土、砂土、粉土和黏性土。

4．按塑性指数分类一适用于黏性土。

5．按塑性图分类一适用于砾、砂及私黏性土。

6．按地区和工程地质分类的特殊土，如黄土、红黏土、膨胀土、软土、盐渍土、多年冻土、填土等。

四、土的组成及基本物理指标

1．土的固体、液体和气体

土中固体的矿物颗粒构成骨架，其间布满孔隙。

孙隙中可能全部为水或空气所充满，为二相体，在多数的情况下，孔隙中水和空气各占一部分，则呈为三相体。

这种组成部分的改变决定于周围的条件，如压力、温度和湿度的变化，三相之间量的比例关系和相互作用，决定着土的物理力学性质。

（1）土的固体颗粒

1）砂类土

砾石、卵石和各种砂土的颗粒主要由原生矿物所组成。

母岩中原有的矿物成份如石英、长石、云母等，它们在物理风化作用下，形成大小为0.05~200mm的各种颗粒。

颗粒形状多为浑圆的，间或带有棱角。

这些矿物是憎水性的，与水的相互作用并不显著。

2）黏性土

黏性土的矿物颗粒主要由次生矿物组成。

原生矿物中一部分可溶解的成分，经雨水淋溶以后，被流水带到其他地方沉积下来，形成可溶性的次生矿物，如方解石、白云石、石膏等。

另外，还有一些残留部分，形成新的不可溶解的次生矿物，如高岭石、蒙脱石、伊利石等，它们是各种黏性土的主要组成部分。

这三种黏土矿物因含量上的差异，构成了不同性质的黏性土。

高岭石：

具有坚固的不活动的骨架，晶体构造比较稳定，故吸水性能较差，压缩性和膨胀性都很小，但透水性较大。

蒙脱石：

具有互相对称的晶格且为层状结构，相邻层组之间由于电荷相同，故层与层之间结合力较小，水易渗入其中，引起土的剧烈膨胀。

同时在晶格内部，低价元素可以交换高价元素，形成额外晶格缺陷，因而加大了土对水的吸收能力。

由于蒙脱石具有这些特点，所以它的吸水性、膨胀性、压缩性都很大，但透水性却很小。

伊利石：

矿物晶格与蒙脱石相似，但由于钾离子分布于层与层之间，可以加强层间的稳定性。

所以，伊利石的物理性质介于高岭石和蒙脱石之间。

黏土矿物颗粒粒径在0.001~5μm之间，颗粒呈鳞片状，具有很强的亲水性（其中高岭石较弱，蒙脱石最强）。

因颗粒很细，故颗粒之间产生了很大的吸引力，将一部分水紧紧地吸附在颗粒表面，水不能自由移动，并且具有抵抗变形的能力。

这是黏性土区别于砂性土的显著标志之一。

（2）土中水及其性质

土中水是影响土工程性质的主要因素，土中水具有以下几种形态：

1）吸附水

吸附水紧紧吸附在颗粒表面，它的性质与普通水有很大的差别。

由于高岭石、蒙脱石、伊利石颗粒表面一般带有负电荷，对水有很大的静电作用，所以能将约0.003un厚度水吸附在其表面。

吸附水的密度在1.2～2.0之间，冰点在-78℃，并具有很大的黏滞性、弹性和塑性，这种水在地球引力下不移动，只有在105-500℃温度下用烘干的方法才能从土的颗粒表面逸出。

2）薄膜水

在吸附水的外层，由于距离黏土颗粒表面较远，故被颗粒吸引的程度要弱些。

当两个相邻薄膜水的厚度不同时，较厚的水膜会向较薄处移动。

薄膜水也具有一定的黏滞性和可塑性。

吸着水和薄膜水的存在是黏性土具有可塑性的根本原因。

薄膜水在105～500℃时可从土中逸出。

3）孔隙水

孔隙水远距颗粒表面，可以认为不受静电力的影响，可以自由移动。

其中一部分位于地下水位以下，受重力作用在孔隙中自由移动，并对土产生浮力，称为“重力水”。

还有另一部分位于地下水位以上的土孔隙中，称为“毛细水”。

孔隙水在80~105℃时即可从土体中逸出。

（3）土中气及其性质

土体中存在一定量的气体，如空气，也可能还有沼气等其他气体。

它们可能是与大气相通的，也可能是封闭的。

当气体与大气相通时，土体受到压力后，气体可被排出到土体之外；反之，由于气体与大气不相通，气体不能被排除到土体之外，这样土就具有特殊的弹性特性；由于土体不能与大气相通，从而孔隙中水也不能受压排除到土体之外，因而土体受外力作用时，其变形过程延长。

土体中气体的存在远较土全中水对土质影响为小，但在特殊情况下，也会严重影响土的工程性质。

如封闭气体的存在，就会降低土的透水性和产生弹性变形等。

2．土的基本物理指标及换算关系

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9-1是土的三相图。

图9-1土的三相图

人们比较关心土的物理指标为密度、颗粒密度、含水率、孔隙比、孔隙率及饱和度。

其中密度、颗粒密度和含水率可以直接测量，而其他的三个指标需通过其他指标经计算求得的。

（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）。

9-1

式中：

ρ：

密度；

m：

质量；

v：

体积。

当土的结构比较松散，孔隙中水分较多时，密度就小；结构紧密，水分较少时，密度就大。

泥炭、沼泽土的密度只有1.40～1.60g/cm3。

生成年代较早的密实黏土，可达2.00～2.20g/cm3。

工程设计中还经常用到饱和密度ρsr、浮密度ρ’和干密度ρd、等指标，它们均是土体在不同状态下的密度。

（2）孔隙率n

土中孔隙体积与全部体积之比称为孔隙率（％）。

9-2

式中：

n：

孔隙率；

V：

土体体积（cm3）。

孔隙比与孔隙率之间存在着式（9-3）或式（9-4）的关系。

9-3

9-4

（3）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（％）。

9-5

式中：

Sr：

饱和度；

Vw：

土体中水的体积（cm3）。