17土工试验

17土工试验17.1概述17.1.1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。

其大小从块石到粘粒皆有，其外形因圆顺或有棱角而不同，但它的化学成份与母岩相同。

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。

颗粒与颗粒之间的连接强度远较土粒本身的强度低，甚至没有连接性。

根据土粒之间有无连接性大致可将土分为砂类土（砾石、砂）和粘性土两大类。

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；用做填料，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：1)试验的目的和所依据的原理；2)使用的仪器设备性能，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。

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。

17.1.2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（比重）、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，由此确定的砂的相对密实度，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（粘聚力、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。

本章后面各节仅介绍工程施工阶段需要开展的部分土工试验项目的测试方法。

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—取样—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使用条件，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影响原位测试成果的因素较为复杂（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)原位测试的方法繁多，常用的方法有：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、不排水剪的强度；确定单桩（垂直、横向）承载力。

本章后边介绍K30平板载荷试验、E v d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、粘性土、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：适用于粘性土、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：适用于一般粘性土、粉性土和砂类土。

本试验可判定砂土密实程度或粘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：适用于测定饱和粘性土的不排水抗剪强度及灵敏度等参数。

17.2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：老粘土——第四纪上更新世（Q3）及期以前沉积的，具有较高的结构强度和低压缩性；一般粘性土——第四纪全新世（Q 4）沉积的粘性土；新近沉积的粘性土——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、粉土和粘性土。

4)按塑性指数分类——适用于粘性土。

5)按塑性图分类——适用于砾、砂及粘性土。

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

我国土的工程分类标准有：国家标准《土的分类标准》G BJ145-90；水利部《土的工程分类》SL237-001-1999；交通部《公路土工试验规程》JTJ051-93中《土的工程分类》（M0101-93）；铁道部《铁路工程岩土分类标准》T B10077-2001中《土的分类》。

本节主要介绍铁路工程《土的分类》。

17.2.1一般土的分类1)土的颗粒分组按见表17.112)根据颗粒的形状和级配，碎石类土按表17.2分类。

1[说明] 本条是铁建设[2004]180号文发布的局部修订条文，划线部分为修订内容，修订主要将圆砾（或角砾）与卵石（或碎石）之间的分界粒径由过去的20mm改为60mm；20mm至60mm之间的颗粒定名为“粗圆砾”或“粗角砾”；原2mm至20mm之间的颗粒名称由“圆砾”或“角砾”改名为“细圆砾”或“细角砾”。

此次修订主要考虑与国家标准《土的分类标准》（G BJ145-90）、公路、水利系统等标准靠拢，与欧美等国家土的分类标准趋于一致，便于国内与国际间资料的交流。

23)根据土的颗粒级配，砂类土按表17.3分类。

34)塑性指数等于或小于10，且粒径大于0.075mm颗粒的质量不超过全部质量50%的土，定名为粉土。

5)根据土的塑性指数，粘性土按表17.4分类。

表17.4粘性土的分类42定名时应根据粒径分组，由大到小，以最先符合者确定。

本条为2004年局部修订条文，划线部分为修订内容3定名时应根据颗粒级配，由大到小，以最先符合者确定6)根据结构特征、地貌、天然坡形态、开挖及钻探情况，碎石类土的密实程度按表17.5分类；根据标准贯入锤击数或相对密度，砂类土的密实程度按表17.6划分；根据孔隙比，粉土的密实程度按表17.7划分；根据压缩系数，粘性土的压缩性按表17.8划分。

4①塑性指数等于土的液限含水率与塑限含水率之差；②液限含水率试验采用圆锥仪法，圆锥仪总质量为76g，入土深度10m m；③塑限含水率试验采用搓条法。

57)根据饱和度，碎石类土、砂类土的潮湿程度按表17.9分类；根据天然含水率，粉土的潮湿程度按表17.10划分；根据液性指数，粘性土的塑性状态按表17.11划分。

5a为0.1~0.2M Pa压力范围内的压缩系数0.1~0.217.2.2特殊土的分类17.2.2.1黄土的判定及分类：1)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。

2)黄土堆积时代按表17.12分类。

63)根据塑性指数,黄土按表17.13分类。

4)根据湿陷系数，黄土的湿陷性按表17.14分类。

6Q 2离石黄土层顶面以下的黄土湿陷性，应根据建筑物的实际压力或上覆土的饱和自重压力进行室内湿陷性试验或现场浸水性试验确定。

5)黄土在上覆土层的自重压力下受水浸湿发生湿陷时，应定为自重湿陷性黄土；当黄土在大于上覆自重压力（包括土的自重压力和附加压力）下受水浸湿发生湿陷时，应定为非自重湿陷性黄土。

17.2.2.2红粘土的判定和分类1)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。

2)根据塑性状态，红粘土按表17.15分类。

73)红粘土的裂隙状态按表17.16分类。

4)根据界限液塑比和液塑比关系，红粘土按表17.2.2-6分类。