1、第五章 土工试验第一节概述一、基本概念1、土与土工试验方法的含义岩石风化后经搬运、 堆积(沉积)等过程形成的疏松沉积物称为 “土” 。 土由 矿 物 颗 粒构 成 骨 架 ， 颗 粒 骨 架 之 间 的 孔 隙 中 有 水 和 空 气 。 骨 架 、 水 、 气 组 成 了 土的三相体系， 土的三相之间量的比例关系决定了土的物理力学性质。 测定各项物理力学性质指标的试验方法称为“土工试验方法”。2、土工试验与工程的关系“土工试验是测定各类工程地基土和填筑料工程性质的试验。试验测得的数据经整理、计算、分析，为工程设施和施工提供可靠的依据、参数或结论。在建筑地基施工和检测中需要采用有针对性的“土工
2、试验”项目确定建筑地基或填筑体是否满足设计和使用要求。二、土的工程分类土的工程分类按土的基本工程属性（如：粒径、级配、塑性、压缩性等）分成几大类。土的合理分类具有实际意义，工程中按类别可大致判断土的工程特征，评价不同类别地基的强度，评价不同土类作为建筑材料的适宜性等。工程中一般将土分为两大类，即：粗粒土类和细粒土类。粗粒土按颗粒形状、粒径、级配分别定为漂石、块石、碎（卵）石、砾石、粗砂、中砂、细砂、粉砂。粗粒土的分类可采用筛析法，以下为各粗粒土类顺序的示意图，图1。图1 粗粒土类顺序示意图细粒土按塑性指数(I P)分为粘土、粉质粘土，见表1。细粒土分类须进行界限含水量试验，即液限（W L）、塑
3、限（W P）试验。液限与塑限的差值为塑性指数。细粒土分类 表 1塑性指数 IP 土的名称 塑性指数 IP 土的名称17 粘土 10I P17 粉质粘土第二节 土的基本物理性质指标一、土的三相组成通常，土是三相组成，矿物颗粒叫固相；水溶液叫液相；空气叫气相。矿物颗粒构成土的骨架，空气与水则填充骨架间的孔隙。矿物颗粒有大有小，且性质和矿物成分不同。土中的水也不完全是一种形态，可以处于液态，也可处于固态的冰，气态的水蒸气；土中的空气，有的是与外面连通，容易排出，有的是封闭在孔中，受压时可以压缩。在淤泥与泥炭地还有可燃气体。土的三相组成示意图，如图 2 所示。不同土类三相的体积与质量是不相同的，并随着
4、条件的变化，三相组成的体积与质量也会变化。表示三相组成比例关系的指标称为土的三相比例指标，即土的基本物理性质指标。二、土的基本物理性质指标含水率（w）-土中水的质量与土颗粒质量之比，以百分数表示。密度（）-土的单位体积质量。比重（Gs）-土颗粒质量与同体积的水的质量之比。干密度（s）-干土的单位体积质量。孔隙比（e）- 土中孔隙体积与土粒体积之比，以小数计。孔隙度（n）-土的孔隙体积与全体体积之比，以百分数计。饱和度（Sr）-土的孔隙中被水所充满的程度，以百分数计。图 2 土的三相组成示意图V -土的总体积 ； m-土的总质量； V-土中孔隙体积；M-土中水的质量； V-土中气体的体积；m-
5、土的颗粒质量；V-土中水的体积； V-土中颗粒的体积。以上含水率、密度、比重三项指标是通过试验实测获得，称为实测指标。干密度、孔隙比、孔隙度、饱和度指标是通过实测指标计算所得，称为计算指标。实测指标和计算指标统称为土的基本物理性质指标。第三节 土的各项指标测定一、含水率试验土的含水率定义为试样在 105110温度下烘至恒量时所失去的水质量和至恒量后干土质量的比值，以百分数表示。含水量室内标准试验方法为烘干法。（1） 本试验方法适用于粗粒土、细粒土、有机质土和冻土。（2） 本试验所用的主要仪器设备，应符合下列的规定：1） 电热烘箱：应能控制温度在 105110。2） 天平：称量 200g，最小分
6、度值为 0.01g;称量 1000g,最小分度值为 0.1g。（）含水量试验，应按下列步骤进行：）取具有代表性的试样 1530g 或用环刀中的试样，有机质土、砂类土和整体状构造冻土为 50g，放入称量盒中，盖上盒盖，称盒加湿土质量，准确至 0.01g。2）打开盒盖，将盒置于烘箱内，在 105110的恒温下烘至恒量。烘干时间对粘土、粉土不得少于 8h，对砂土不得小于 6h，对含有机质超过干土质量的 5%的土，应将温度控制在 6570的温度下烘干至恒重。33）将盒从烘箱中取出，盖上盒盖，放入干燥器中冷却至室温，称盒加干土质量，准确到 0.01g。（4)试样的含水率,应按式 1 计算,准确到 0.1
7、%.wo = （ m0 / md 1）*100 % （1）式中 md-干土质量，g；mo-湿土质量，g。（5）对层状和网状构造的冻土含水率试验应该按下列步骤进行：1）用四分法切取 200500g 试样（视冻土结构均匀程度而定，结构均匀少取，反之多取）放入搪瓷盘中，称盘和试样的质量，准确到 0.1g。2)待冻土融化后,调成均匀糊状 (土太湿时,多余的水分让其自然蒸发 )发或用吸球吸出，但不得将土粒带出；土太干时，可适量加水） ，称土糊和盘质量，准确至0.1g,从糊状土中取样测定含水率,其试件步骤和计算按本节第(3)、 （4）条进行。（6）层状和网状冻土的含水率，应按式 2 计算，准确至 0.1%
8、。w = m1（1+0.01w b）/ m 2 - 1*100% (2)式中 w-含水率；m1-冻土试样质量,g；m2-糊状试样的质量,g；wb-糊状试样的含水率。（7）本试验必须对两个试样进行平行测定。测定的差值，当含水率小于 40%时不大于 1%；当含水率等于大于 40%时不大于 2%，对层状和网状构造的冻土不大于 3%。取两个测定的平均值，以百分数表示。二、密度试验1、环刀法（1）本试验方法适用于细粒土。（2）本试验所用的主要仪器设备，应符合下列规定；1）环刀：内径 61.8mm 和 79.8mm,高度为 20mm。2）天平：称量 500g，最小分度值 0.1g；称量 200g，最小分度
9、值为 0.01g。(3)环刀切取试样时,应在环内部涂一薄层凡士林,刃口向下放在土样顶面 ,边压边削,至土样高出环刀,用钢丝锯整平环刀两端土样,擦净环刀外壁,称环刀和土得总质量,并取余土测定含水量。(4)试样的湿密度,应按式 3 计算:o= m0 / V (3) 式中 o- 试样的湿密度(g/cm 3), 准确到 0.01(5)试样的干密度,应按式 4 计算:h = o/ （1+0.01 w 0） (4)（6）本试验应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于 0.03g/cm3，取两次测值的平均值。2、蜡封法(1)本试验方法适用于易破裂土和形状不规则的坚硬土。(2)本实验所用的主要仪器设备，应符
10、合下列规定。1）蜡封设备：应附融蜡烛加热器。2）天平：应符合本节（环刀法（2）中 2） ）的归定。（3）蜡封法试验，应按下列步骤进行：1）从原状土中，切取体积不小于 30cm3 的代表性试样，清除表面浮土及尖锐棱角。系上细线，称试样质量，准确至 0.01g。2）持线将试样缓缓浸入刚过熔点的蜡液中，浸没后立即提出，检查试样周围的蜡膜，当有气泡时应用针刺破，再用蜡液补平。冷却后称蜡封试样质量。3）将蜡封试样挂在天平的一端，浸没于盛有纯水的烧杯中，称蜡封试样在纯水中的质量，并测定纯水的温度。4）试样的密度，应按式 5 计算。 0 = m0 /（m n m nw ）/ wT - （m n m 0）/
11、n （5）式中 mn 蜡封试样质量， g；m nw蜡封试样在纯水中的质量，g； wT纯水在温度 T 时的密度，g/ cm3； n蜡的密度，g/ cm 3。（5）试样的干密度，应按式 4 计算。（6）本试验应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于 0.03 g/ cm3，取两次测值的平均值。3、灌水法（1）本试验方法适用于现场测定粗粒土的密度。（2）本试验所用的主要仪器设备，应符合下列规定：1)储 水 筒 ： 直 径 应 均 匀 ， 并 附 有 刻 度 及 出 水 管 。2)台秤：称量50kg，最小分度值10g。(3)灌水法试验，应按下列步骤进行：1)根据试样最大粒径，确定试坑尺寸见表2。 试
12、坑尺寸(单位：mm)试坑尺寸（mm）试样最大粒径直 径 深 度520 150 20040 200 25060 250 3002)将选定试验处的试坑地面整平， 除去表面松散的土层。 3)按 确 定 的 试 坑 直 径 划 出 坑 口 轮 廓 线 ， 在 轮 廓 线 内 下 挖 掘 至 要 求 深 度 ， 边 挖 边 将 坑内 的 试 样 装 入 盛 土 容 器 内 ， 称 试 样 质 量 ， 准 确 到 10g， 并应测定试样的含水率。4)试 坑 挖 好 后 ， 放 上 相 应 尺 寸 的 套 环 ， 用 水 准 尺 找 平 ， 将 大 于 试 坑 容 积 的 塑料薄膜平铺于坑内，翻过套环压住薄
13、膜四周。5)记 录 储 水 筒 内 初 始 水 位 高 度 ， 拧 开 储 水 筒 出 水 管 开 关 ， 将 水 缓 慢 注 入 塑 料薄膜袋中。 当袋内水面接近套环边缘时， 将水流调小， 直至袋内水面与套环边缘 齐 平 时 关 闭 出 水管 ， 持 续 3 5min， 记 录 储 水 筒 内 水 位 高 度 。 当 袋 内 出 现 水 面 下降时，应另取塑料薄膜袋重做试验。(4)试坑的体积，应按6计算：Vp = （H 1-H2）Aw V 0 (6)式中 Vp试坑体积，cm 3；H1一一储水筒内初始水位高度，cm；H2一一储水筒内注水终了时水位高度，cm；Aw储水筒断面积，cm 2；Vo套环
14、体积， cm 3。(5)试样的密度，应按式7计算： 0 = mp / Vp式中 m p一一取自试坑内的试样质量，g。4、灌砂法(1)本试验方法适用于现场测定粗粒土的密度。(2)本试验所用的主要仪器设备，应符合下列规定：1)密度测定器：由容砂瓶、灌砂漏斗和底盘组成(图3)。灌砂漏斗高135mm、直径165mm，尾部有孔径为13mm的圆柱形阀门；容砂瓶容积为4L，容砂瓶和灌砂漏斗之间用螺纹接头连接。底盘承托灌砂漏斗和容砂瓶。2)天平：称量10kg，最小分度值5g，称量500g，最小分度值0.1g。(3)标准砂密度的测定，应按下列步骤进行：1)标准砂应清洗洁净，粒径宜选用025-050mm，密度宜选
15、用147-161g/cm3。 2)组装容砂瓶与灌砂漏斗，螺纹连接处应旋紧，称其质量。3)将密度测定器竖立，灌砂漏斗口向上，关阀门，向灌砂漏斗中注满标准砂，打开阀门使灌砂漏斗内的标准砂漏入容砂瓶内，继续向漏斗内注砂漏入瓶内，当砂停止流动时迅速关闭阀门，倒掉漏斗内多余的砂，称容砂瓶、灌砂漏斗和标准砂的总质量，准确至5g。试验中应避免震动。4)倒出容砂瓶内的标准砂，通过漏斗向容砂瓶内注水至水面高出阀门，关阀门，倒掉漏斗中多余的水，称容砂瓶、漏斗和水的总质量，准确到5g。并测定水温，准确到05。重复测定3次，3次测值之间的差值不得大于3mL，取3次测值的平均值。(4)容砂瓶的容积，应按式8计算：Vr=
16、(mr2一m r1) wT (8)式中 Vr容砂瓶容积，mL；mr2一一容砂瓶、漏斗和水的总质量，g；mrl一一容砂瓶和漏斗的质量，g； wT 不同水温水的密度gcm 3，查表3。水的密度 表3温度（）水的密度（gcm 3）温度（）水的密度（gcm 3）温度（）水的密度（gcm 3）4.0 1.0000 15.0 0.9991 26.0 0.99685.0 1.0000 16.0 0.9989 27.0 0.99656.0 0.9999 17.0 0.9988 28.0 0.99627.0 0.9999 18.0 0.9986 29.0 0.99598.0 0.9999 19.0 0.9984
17、 30.0 0.99579.0 0.9998 20.0 0.9982 31.0 0.995310.0 0.9997 21.0 0.9980 32.0 0.995011.0 0.9996 22.0 0.9978 33.0 0.994712.0 0.9995 23.0 0.9975 34.0 0.994413.0 0.9994 24.0 0.9973 35.0 0.994014.0 0.9992 25.0 0.9970 36.0 0.9937(5)标准砂的密度，应按式9计算：s =（m rs- mrl）/ Vr （9）式中 一一标准砂 的密度，g/cm 3；mrs一一容砂瓶、 漏斗和标准砂的总质量
18、，g。(6)灌砂法试验，应按 下列步骤进行：1）按本节3灌水法中（3）的13款的步骤挖好规定的试坑尺寸，并称试样黔质量。2）向容砂瓶内注满砂，关阀门，称容砂瓶、漏斗和砂的总质量，准确至10g。 3）将密度测定器倒置（容砂瓶向上）于挖好的坑口上，打开阀门，使砂注入试坑。在注砂过程中不应震动。当砂注满试坑时关闭阀门，称容砂瓶、漏斗和余砂的总质量，准确至lOg，并计算注满试坑所用的标准砂质量。(7)试样的密度，应按式10计算： 0 = mp/（m s/s） （10）式中 m s一一注满试坑所用标准砂的质量，g。(8)试样的干密度，应按式11计算，准确至0.01 g/cm 3。d = m p/（1+0
19、.01w 1）/（m s/ s） （11）三、回填土试验在建设工程中，回填或换填法大量应用，填筑材料有素土、灰土、三合土（石灰、土、碎石)、砂石等，填筑料经分层铺设并压实，达到预定要求。填土的压落 锤(1kg)5)土湿密度计算，见式 13； 湿 = （G 1-G）/ V （13）式中 湿 土湿密度，g/cm 3；G1环刀和湿土共重，g；G环刀质量，g；V-环刀容积，cm 3；6）土干密度的计算，见式 14； 干 = 湿 / （1+w ） （14）环 盖图4 取土环刀环 刀一，下下式 中 干 土 干 密 度 ， g cm3； 湿 土 湿 密 度 ， g cm3；w一 土 含 水 量 ， %。(2
20、)灌 水 法 、 灌 砂 法 参 见 本 章 密 度 试 验 中 灌 水 法 和 灌 砂 法 。四 、 灰 土在 建 筑 工 程 的 地 基 处 理 中 ， 常 使 用 灰 中 。 灰 土 回 填 时 ， 应 尽 量 采 用 原 土 ， 土 料 应 先 过筛 ， 粒 径 不 大 于 15mm。 灰 土 中 的 生 石 灰 ， 必 须 在 使 用 前 一 天 用 清 水 充 分 粉 化 ， 其 粒 径 不 得大 于 5mm， 不 得 夹 有 未 熟 化 的 生 石 灰 块 ， 也 不 得 含 有 过 多 的 水 份 。 灰 土 配 合 比 应 按 设 计 规定 或 施 工 规 范 确 定 。灰
21、土 施 工 时 应 适 当 控 制 含 水 率 。 工 地 的 检 验 方 法 是 以 用 手 紧 握 土 料 成 团 ， 两 指 轻 捏 即松 散 为 宜 。 如 水 份 过 多 或 不 足 时 ， 可 晾 干 和 洒 水 湿 润 。灰 土 夯 实 后 的 干 密 度 需 符 合 设 计 或 规 范 的 规 定 。 测 试 方 法 参 照 回 填 土 试 验 。五 、 试 验 系 数 与 击 实 试 验回 填 土 或 砂 石 经 压 实 ， 工 程 性 质 得 到 改 善 。 压 实 得 愈 密 实 ， 其 工 程 性 能 愈 好 ， 如 何 判定 压 实 程 度 ， 地 基 规 范 对 填
22、 土 采 用 压 实 系 数 c来 控 制 ， c值 愈 大 ， 压 实 度 愈 高 ， 各 类地 基 规 范 对 不 同 的 条 件 给 出 了 c的 对 应 值 。1、 压 实 系 数 的 含 义现 场 实 测 干 密 度 与 室 内 试 验 确 定 的 最 大 干 密 度 之 比 称 为 压 实 系 数 ( c)。即 ： c = 现 场 测 定 的 干 密 度 /室内试验的最大干密度室内密度试验根据不同填筑材料采用不同试验方法，对砂石可采用振密试验方法确定最大干密度，对素土、灰土采用击实试验确定最大干密度和最佳含水量。室内和现场密度试验方法对照见表4。室内和现场密度试验方法对照表 表4填筑料 室内最大干密度试验方法 现场实测干密度试验方法土、灰土 击实试验 环刀法砂石 振密试验 灌砂法、灌水法2、 击 实 试 验(1)本 试 验 分 轻 型 击 实 和 重 型 击 实 。 轻 型 击 实 试 验 适 用 于 粒 径 小 于 5mm的 粘 性 土 ， 重型 击 实 试 验 适 用 于 粒 径 不 大 于 20mm的 土 ， 采 用 三 层 击 实 时 ， 最 大 粒 径 不 大 于 40mm。
