1、铁路工程土工试验讲义杨德平2011年6月一、概述本章内容以铁路工程试验与检测为准。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
2、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：.试验的目的和所依据的原理；.使用的仪器设备性能和操作方法；.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概括地说
3、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。5、现行铁路土工试验有关标准序号 标准名称 标准代号 实施日期 备注1 铁路路基设计规范 TB 10001-2005 2005-04-252 铁路工程地质勘查规范 TB 10012-2001 2001-12-013 铁路工程物理勘探规程 TB 10013-2004 2004-04-014 铁路工程地质钻探规则 TB 10014-1998 1998-07-015 铁路工程地质原位测试规程 TB 10018-2003 2003-06-016 铁路工程不良地质勘察规程 TB 10027-2001 2001-12-017 铁路工程岩土分类标
4、准 TB 10077-2001 2001-12-018 铁路工程土工试验规程 TB 10102-2010 2010-11-219 铁路工程岩土化学分析规程 TB 10103-2008 2009-01-0710 铁路工程水质分析规程 TB 10104-2003 2003-06-0111 铁路工程地基处理技术规程 TB 10106-2010 2010-08-0312 铁路工程岩石试验规程 TB 10115-1998 1998-07-0113 铁路路基施工规范 TB 10202-2002 2002-07-0114 铁路路基工程施工质量验收标准 TB 10414-2003 2004-01-0115 高
5、速铁路设计规范(试行) TB 10621-2009 2009-12-0116 高速铁路路基工程施工质量验收标准 TB 10751-2010 2010-12-086、练习题.(填空)工程试验工作的依据是( )。. (填空)铁路工程土的物理力学性能检测标准(代号)为（ ）,化学性能检测标准( 代号 )为( )。二、土工试验项目 本章内容以铁路工程试验与检测为准。土工试验项目应根据土的用途决定：1、室内实验。.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、粗粒土的最大干密度等。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。.
6、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。.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。.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。.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
7、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。.级配碎石：粒径级配、破碎面含量、针状及片状颗粒含量、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。.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。.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。.路基地基系数K30检测。.路基动态变形模量Evd检测。.路基静态变形模量Ev2检测。3、土工原位测试.静力载荷试验。试验成果用于确定地基承载力、变形模量等。.静力触探试验。适用于软土
8、、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。.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。.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。.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。旁压试验。4、练习题.(填空)土的抗剪强度可以用库仑公式( )表达，其中( )表示摩擦角，( )表示凝聚力。.(填空)黄土湿陷性是指黄土在( )、( )共同作用下产生的变形。.(填空)用动力触探确定地基承载
9、力，轻型动力触探的锤重为( )kg，以贯入深度每( )cm 的锤击数计；重型动力触探的锤重为( )kg，以贯入深度每( )cm 的锤击数计。.(填空)静力触探试验中多功能探头可测得( )、( )和( )等指标。.(单选)标准贯入试验中，其装置的锤重为(C)A.4.5kg B.2.5kg C.63.5kg D.100g .(单选)土的压缩试验中试样体积的变化是：( )A.空气体积压缩 B.水体积压缩 C.孔隙体积的减小 D.土颗粒体积压缩.(多选)土工原位测试试验有：( )A.击实试验 B.压缩试验C.十字板剪切试验 D.标准贯入试.(判断)一般对粘性土地基用液性指数和天然孔隙比确定地基的容许承
10、载力。( )三、土的工程分类本章内容以铁路工程试验与检测为准。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：.国家标准土的工程分类标准GB 50145-2007 土工试验方法标准GB/T50123-1999 .水利部土的工程分类 SL237-001-1999；.交通部公路土工试验规程 JTG E40-2007；公路桥涵地基与基础设计规范JTG D63-2007.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 TB10102-20102、铁路工程桥涵地基与基础土的分类1）. 一般土.分类定名A.土的颗粒分类。
11、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。.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
12、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a 0.10.2分为高、中、低压缩性土3种。.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. 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、
13、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。. 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。. 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
14、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。. 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。.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
15、。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。.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2004148号文发布。.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。
16、.细粒土根据土的塑性指数Ip和液限含水率w L，按讲义表17.27进行定名和分组。3、练习题. (问答)铁路工程土的分类标准，砂粒、粉粒、粘粒的含义是什么？. (问答)铁路路基填料巨粒土、粗粒土和砂类土，他们是怎样分类的？需要做什么试验？. (问答)铁路路基填料细粒土是怎样分类的？需要做那些试验？. (问答)路基填料分类中“细粒含量”的含义是什么？. (问答)路基填料分类中颗粒级配“良好”与“ 不良”是怎样区分的？. (问答)路基填料分类中硬块石于软块石是怎样区分的？. (问答)细粒土填料分类标准规定液限含水率试验采用圆锥仪法，圆锥仪总质量多少？入土深度多少？.(问答)土样定名时，如果同时符合
17、2个或2个以上名称时，怎样处理？.(填空)路基普通填料按颗粒粒径大小可以分为三大类（ ） 、 （ ） 、 （ ） 。.(填空)巨粒土、粗粒土填料依据颗粒组成、颗粒形状、细粒含量、颗粒级配、抗风化能力等分为（ ）组。.(填空) 细粒土填料分为粉土、粘性土和有机土。粉土、粘性土按照液限含水率进行分组，当WL10-3cm/s。四、土的组成及基本物理指标本章内容以铁路工程试验与检测为准。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
18、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。. 密度单位体积土的质量（包括孔隙中水的质量在内）称为土的密度（g/cm 3） 。体 积质 量密 度其 中:;: )17(vmv. 颗粒密度 s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/cm 3）,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。 )(: 5173cmVss中 . 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。 土 体 水 的 质 量土 的 含 水 率其 中 :（%w)6
19、17(10ms 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210%.而软粘土的含水率可达50200%.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。);(: )71(Ve3cmvsv孔 隙 体 积孔 隙 比其 中 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。.孔隙率n土中孔隙体积与全部体积之比称为孔隙率（%） 。 )(:%;)817(10Vn3cmv土 体 体 积孔 隙 率其 中 孔隙比与孔隙率之间存在着式(17-9)或（17-10）的关系。 )107(109ne.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（%） 。);(:%)(VS3cmw
20、rvr土 体 中 水 的 体 积饱 和 度其 中 .干密度 d表示单位体积内土粒的质量（g/cm 3） 。 )417(Vsd.饱和密度 sr当土体的孔隙完全为水所充满时，土体的密度（g/cm 3）)(: ;/1,:);/( )2(333cmVgwrswrsr土 体 体 积 一 般 可 取水 密 度土 体 孔 隙 体 积土 体 固 体 颗 粒 质 量饱 和 密 度其 中.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： )317( wsr3、练习题、(填空)一般情况下，土是由（） 、 （） 、 （）三相组成。、(单选)土粒比重的定义式为：( )A、
21、B、 C、 D、WSsVmWVmVms WSVm、(单选)干密度的定义为：（ ）A、 B、 C、 D、SVmdVmdSSsVmdVmd、(单选)土粒比重的单位是：（）A、kN/m 3 B、kg/m 3 C、无 D、kPa、(单选)对于砾石土、碎石土和级配碎石，宜采用（）计算孔隙率n 。A、颗粒密度 B、毛体积密度 C、表观密度 D、堆积密度、(多选)土可能由（ ）组成。A、单相体 B、两相体 C、三相体 D、四相体、(多选)在土的三相体比例指标中，可以直接测出的指标有（）A、湿密度 B、干密度 C、颗粒密度 D、含水率、(判断)孔隙率n是土样中的孔隙体积占土样总体积的百分率。 （）、(判断)土
22、中的空气体积为零时，土的密度最大。 （）、(计算)已知土样面积30cm 2，高2cm，湿土质量126.4g，含水率W14.8%，土的颗粒密度s2.73，求该土样的孔隙比 e、孔隙率 n和饱和度Sr。、普通铁路路基基床底层用碎石土填筑， ，室内测定填料的颗粒密度为2.73g/cm3, 毛体积密度为2.68g/cm3，现场测定压实后的干密度分别为：2.00、1.95、1.90、1.85、1.80、1.75g/cm3，要求孔隙率n35%,计算并判断该六个点的孔隙率n是否合格。五、土工试验方法本章内容以TB10102-2010为准。1、含水率、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
23、度、液性指数等指标的基本数据，用于评价土的工程性质。、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,真空干燥像7h或电热干燥箱18h。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粗粒土的含水率、烘干法数据处理：=(m-ms)/ms100%含水率， %；计算至0.1%m湿土质量，g，称量至0.01gms干土质量，g，称量至0.01g、平行试验允许偏
24、差：砂类土、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%。砾石类、碎石类土：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1、(多选)含水量测定的方法有()A、烘干法 B、酒精燃烧法 C、碳化钙法 D、比重法2、(判断)现场平行测定细粒土的含水量为26.5%及27.9%，则含水量的平均值为：27.2%。()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、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、孔隙率、饱和度等指标。、检测方法及适用范围：a、环刀法：适用于粉土和粘性土。b、蜡封法：
25、适用于环刀难以切削并易碎裂的土。c、灌砂法：适用于现场测定最大粒径小于75mm的土密度。d、气囊法：适用于现场测定最大粒径小于40mm的土密度。e、灌水法：适用于现场测定最大粒径小于200mm的土密度。f、核子射线法：适用于现场测定填料为细粒土、粗粒土的压实密度。、检验标准：铁路工程土工试验规程 TB10102-2010、灌砂法注意事项a.允许偏差：两次平行误差不得超过0.03 g/cm3。b、灌砂筒下部圆锥体内砂的质量必须进行标定；标准砂的密度也必须进行标定，并保持干燥状态，受潮或重新进样必须重新标定。c、灌砂法测试表面必须清理干净、平坦；试坑必须垂直，不能鼓肚。练习题、(单选)灌砂法测定土
26、的密度之前，要求标定的内容有（） 。A、一项 B、二项 C、三项 D、四项、(多选)密度测定方法有（）A、环刀法 B、腊封法 C、比重法 D、灌砂法、(判断)灌砂法测定密度应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于 0.05g/cm3。 （ ）、灌砂法适用于最大粒径( )的土，灌水法适用于最大粒径( )的土。A.20mm；B.60mm；C.75mm；D.200mm、灌砂法测试压实密度，已知灌入的砂重 1200g，量砂的单位重为 1.35g/cm3，挖出的湿土重1750g，含水率 18.0%。请计算 和 d。3、颗粒密度、检测目的：测定土的颗粒密度，用于计算土的孔隙比、孔隙度、饱和度等指标。 （土体内固体颗粒质量与颗粒体积之比值，即为颗粒密度）、检测方法及适用范围：a、量瓶法：粒径小于5mm的土；b、浮称法：粒径大于、等于5mm的土，且其中大于20mm的颗粒含量应小于总土质量的10%。c、虹吸法：粒径大于、等于5mm的土，且其中大于20mm的颗粒含量应大于总土质量的10%。d、当土中含有小于5mm和大于5mm的颗粒时，则分别用量瓶法、浮称法或虹吸法测定不同粒径时的颗粒密度，平均颗粒密度按下式计算：sm=1/(P1/s1+P2/s2)其中： sm 平均颗粒密度（g/cm 3）P1、P 2 大于和小于5mm粒径的土粒质量占总质量的质量分数
