土工试验的认识

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1、一、土的生成和特性 21.形成作用 22. 土的主要成因类型及其特征 3二、土的一般特性 7三、土工实验的重要性 81. 土工试验对土力学及土木工程学科研究的重要性 82. 从土的物理、力学性质方面阐述土工试验的重要性 .9四. 土工试验当前存在的问题 111 .试样的制备112. 土的物理性质试验123. 土体的定名154. 土力学性质试验15土工试验的认识一、土的生成和特性1. 形成作用在土木工程中土是指覆盖在地表面上碎散的、没有胶结或胶结 很弱的颗粒堆积物，地壳表层的岩石在阳光、大气、水和生物等因 素影响下发生风化作用，使岩石崩解、破碎；经流水、风、冰川等 动力搬运作用，在各种自然环境下

2、沉积，形成土体，因此说：“土是 岩石风化的产物”。风化作用包括：1） 物理风化是指由于温度变化、水的冻胀、波浪冲击、地震等引起的物理 力使岩体崩解、碎裂的过程，这种作用使岩体逐渐变成细小的颗 粒。土体中的粗颗粒便是物理风化的产物。2） 化学风化是指岩体（或岩块、岩屑）与空气、水和各种水溶液相互作用的 过程，这种作用不仅使岩石颗粒变细，更重要的是使岩石的矿物成 分发生变化，形成大量细微颗粒（粘粒）和可溶盐类。土体中的粘粒便是化学风化的产物。3） 生物风化由动物、植物和人类活动对岩体的破坏称生物风化，例如：长 在岩石缝隙中的树，因树根伸展使岩石缝隙扩展开裂；人们开采矿 山、石材，修铁路、打隧道，劈

3、山修公路等活动形成的土等。2. 土的主要成因类型及其特征由于形成条件、搬运方式和沉积环境不同，自然界的土也就有 不同的成因类型，可分为陆相沉积和海相沉积两类。1）陆相沉积 陆地环境下的沉积，包括：（1）残积土（物） 岩石经风化作用后残留在原地的碎屑堆积物称为残积土，残积 土没有分选作用和层理构造，与基岩之间没有明显的界限，矿物成 分与基岩大致相同。由于山区原始地形变化很大且岩层风化程度不一，使残积土的 厚度在小范围内就有很大变化。当残积土被风或降水带走一部分细小颗粒后土中存在较大的孔 隙。因此，该种沉积土均匀性很差，作为建筑物地基时，要特别注 意其不均匀沉降。（2）坡积土（物） 高处的风化物经

4、雨水、雪水或本身的重力作用搬运后，沉积在 较平缓的山坡上的堆积物称为坡积土，如图1Tb所示。它般分布在坡腰上或坡脚下，其上部与残积土相接，坡积土 的厚度变化很大，有时上部厚度不足1m,而下部可达几十米。坡积土由上而下具有一定的分选性，土质不均匀，还常易发生 沿基岩倾斜面的滑动。尤其是新近堆积的坡积土土质疏松、压缩性较高，在工程建设中要引起重视。（3）洪积土在山区或高地由暂时性的山洪急流把大量的残积土、坡积土， 剥蚀、搬运到山谷中或山麓平原上而形成的堆积物称为洪积土，山 洪流出沟谷口后，由于流速骤减，被搬运的粗碎屑物质，如块石、 砾石、粗砂等首先大量堆积下来，离山越远，洪积土的颗粒越细， 分布范

5、围也越来越广，形成扇形地貌，故也称为洪积扇。有时相邻沟谷口的洪积扇互相连接起来组成洪积扇群，称为洪 积平原。洪积土具有分选性，但因搬运距离较短，颗粒磨圆程度较差， 且山洪不规则地暴发，堆积物质各不一样，所以洪积土还具有不规 则交替的层理构造，并具有夹层、尖灭等产状。一般地，靠近山地的粗粒碎屑堆积物，地下水位埋藏较深，土 质较均匀，是良好的天然地基；离山较远的山前平原开阔地段由较 细的粉砂、粘土颗粒堆积，厚度较大，颗粒均匀，其形成过程中受 到周期性干旱的影响，细小粘土颗粒发生凝聚作用，同时析出可镕 性盐类，使土质较为密实，通常这部分洪积土也是良好的天然地由 基；而中间地带，土粒组成复杂，常由于地

6、下水溢出地面而形成沼 泽地带，土质较弱而承载力较低，工程建设时应特别注意。（4）冲积土由河流流水作用将两岸基岩及其上部覆盖的物，剥蚀后，搬运、沉积在河流坡降平缓地带而形成的堆积物称为冲积土。冲积土具有明显的层理构造，由于搬运距离大，土颗粒的磨圆 程度较好，搬运距离越大，沉积物的颗粒越细。冲积土分布很广， 主要分为平原河谷冲积土和山区河谷冲积土。山区河谷的冲积土，颗粒较粗，多为砂粒填充的卵石、圆砾组 成，所以，透水性好、压缩性小，是良好的建筑地基。平原河谷的冲积土，河床沉积土大多为中密砾砂，承载力高且 压缩性低，但必须注意河流的冲刷作用导致地基毁坏和岩坡稳定性 问题；河漫滩沉积土具有两层地质构造

7、，上层为河流泛滥的沉积 物，颗粒较细局部夹有有机物，承载力低，压缩性大，下层河床沉 积物为砂石类土，地基承载力高，但开挖时可能发生流砂现象，不 可忽视；河流阶地是由河床沉积土和河漫滩沉积土上升演变而成， 形成时间长，又受干燥作用，所以结构强度较高，是良好的地基。在河流入海或入湖口处，所搬运的大量细颗粒沉积下来，形成 了面积相当宽广、厚度较大的三角洲沉积土，它的含水量很高，孔 隙率大，呈饱和状态，常有较厚的淤泥或淤泥质土层，因而承载力 较低，压缩变形量大。但在三角洲沉积土的表面，有一层厚度不大 且经过长期干燥而形成的粘性土硬壳层，承载力较高，可作为一般 建筑物基础的持力层。（5）湖泊沉积土由湖浪

8、作用而在湖中沉积的堆积土称湖泊沉积土。近岸的沉积土 主要由粗颗粒的卵石、圆砾、砂土组成，作为地基具有较高的承载 力；远岸的沉积土则主要由细颗粒的砂土、粘性土组成，承载力较 前者低。湖心沉积土是由河流和湖流挟带的细小悬浮颗粒到达湖心 后沉积，主要由粘土和淤泥组成，常夹有细砂粉砂薄层，该沉积土 强度低，压缩性高。若湖泊逐渐淤塞后则可变成沼泽，形成沼泽 土，它主要是由泥炭（有机物含量近 60以上）组成，其主要特征 是：含水量极高，透水性极低，压缩性很高且不均匀，承载力也很 低，一般不宜作为天然地基。此外还有冰积土和风积土。它们分别是在冰川地质作用和风的 地质作用下形成的。2） 海相沉积由河水带入海洋

9、的物质和海岸风化后的物质以及化学、生物物 质在搬运过程中随着流速逐渐降低在海洋各分区（海滨、浅海、陆 坡、深海地区）中沉积下来的堆积物称海洋沉积土。海滨（海水高潮位时淹没，低潮位时露出的海洋地带）沉积土 主要由卵石、圆砾和砂等粗碎屑物质组成，有时有粘性土夹层，具 有基本水平或缓倾斜的层理构造，作为地基，强度较高；但在河流 入海口地区常有淤泥沉积，这是河流带来的泥砂及有机物与海中有 机物沉积的结果。浅海（水深约0200m，宽度约100200km的大陆架）沉积土主 要由细颗粒砂土、粘性土、淤泥和生物化学沉积物组成；离海岸越 远，沉积物的颗粒越细小；该沉积土具有层理构造，其中砂土比滨 海带更疏松，易

10、发生流砂现象，其分布广，厚度不均匀，压缩性 高；在浅海带近代沉积的粘土则密度小、含水量高，因而其压缩性 大、承载力低；而古老的粘土则密度大、含水量低，压缩性小，承 载力高。陆坡（浅海区与深海区之间过渡的陆坡地带，水深约2001000m,宽度约100200km）及深海（水深超过1000m的海洋底 盘）的沉积物主要为有机质淤泥，成分均一。二、土的一般特性土的形成过程决定了它具有特殊的物理力学性质,在天然状态 下,土是由固体、液体、气体三部分所组成的三相体系。固体部分 即为土粒,由矿物颗粒或有机质组成,构成土的骨架。骨架间有许 多孔隙,可为水和气体所填充。土体三个组成部分本身的性质以及 它们之间的比

11、例关系和相互作用决定土的物理力学性质。土具有三 个重要特点。（1）散体性：颗粒之间无粘结或弱粘结,存在大量孔隙,可 以透水、透气。（2）多相性：土往往是由固体颗粒、水和气体组成的三相体 系,三相之间质和量的变化直接影响它的工程性质。（3）成层性：土粒在沉积过程中,不同阶段沉积物成分、颗 粒大小及颜色等不同,而使竖向呈现成层的特征。（4）. 变异性：土是在自然界漫长的地质历史时期演化形成的 多矿物组合体,性质复杂,不均匀,且随时间还在不断变化。基于此,土具有不同于其它建筑材料的特征。一般的建筑材料 可由设计人员指定品种和型号，品种、型号一经确定，力学性质参 数也就确定，土则不同，建(构)筑物是以

12、天然土层作为地基，拟 建地点是什么土设计人员就以该种土作为设计对象。由于土是自然 地质历史产物，各种土的颗粒大小和矿物成分差别很大，土的三相 间的数量比例不尽相同，而且土粒与其周围的水分又发生了复杂的 物理化学作用，因此，造成了土的物理性质的复杂性；土的物理性 质又在一定程度上决定了它的力学性质，不同地区的土，又有不同 的变化。土的物理性质、力学性质，相对于其它材料来说，是比较 复杂的，如土的应力-应变关系是非线性的，土的变形在卸荷后一般 不能完全恢复，土的强度也不是一成不变的，土对扰动还特别敏感 等等。因此进行土工试验对于土木工程的研究是非常必要的。三、土工实验的重要性1.土工试验对土力学及

13、土木工程学科研究的重要性土工试验是土力学中的基本内容，实验土力学是土力学的一个 重要分支，土工试验是土木工程学习中必须掌握的基本实验。由于 现场试验原状土的结构性，土工问题的诸多影响因素是现场原位试 验、室内试验和工程原型监测成为工程实践中不可缺少的一部分。土工试验的重要性主要表现在：(1).只有通过试验才能揭示土作为一种碎散多相地质材料的一 般和特有的力学性质。(2).只有对具体土样的试验，才能揭示不同类型、不同产地、 不同状态的不同力学性质，特别是对于非饱和图、区域性与、人工 复合土等。(3) .试验是确定各种理论和工程设计参数的基本手段。(4) .试验是验证各种理论的正确性以及实用性的重

14、要手段。(5) .足尺试验、模型试验可以验证土力学理论和数值分析计算结构的合理性，也是认识和解决实际工程问题的重要手段。(6) .原位试验、原型监测直接为土木工程服务，同时使数值计 算的反算和实现信息化施工的重要依据、所以，土力学的研究和土工实践从来都不能脱离土工实验工 作，它是深入认识和发展完善理论和计算的正确途径。 2.从土的物理、 力学性质方面阐述土工试验的重要性实际工程中因为不同地区具有不同的土体，因此为保障现场现 场施工的安全性，设计前必须对场地进行工程地质勘察，并对土进 行物理、力学性质试验，作出工程地质评价为了使地基强度、稳定 性、变形及满足筑物使用及构造上的要求，必须进行土工试

15、验确定 很多非常重要的参数，如地基承载力和地基变形计算中的参数等进 行计算土工试验经过测试岩土试样，得到了岩土的力学性、物理性、 动力性以及渗透性等各项指标。从而为工程设计和施工提供参数， 这些参数可以对工程地质条件进行正确的评价， 进而为后期施工提 供重要的参考依据。土的物理性质试验:包括土的含水率试验、密度 试验、比重试验、颗粒分析试验、界限含水率试验(液限、塑限和缩 限试验)等。土是由固体颗粒、 水和气体所组成， 土的各组成部分 的质量和体积之间的比例关系，用土的三相比例指标表示。它们对 于评价土的物理、力学性质有重要意义。土的力学性质试验:土的渗透性，土的变形特性，土的强度。 渗透是液

16、体在多孔介质中运动的现象。土属多孔介质体，它 内部的骨架颗粒之间存在一定的空隙，形成了通道， 使水能在其中 运动， 所以它必然具有渗透性。水在土的孔隙中的运动造成了水压 力的变化进而影响了土的各种力学性质，所以在建筑物设计施工中 必须考虑土的渗透性的影响。地基在荷载作用下会发生变形，是岩土工程中最普遍的问题之 一。地基变形会造成土体本身失稳或建筑物结构的破坏，因此，无 论何种形式的地基的变形都必须控制在一定范围内。另外还必须对 岩土的变形特性有一定的了解和掌握，这样才能指导岩土工程的设 计与施工，才能保证工程能经济，安全，有效的运行。为了计算地 基的变形量，必须了解土的压缩性。通过室内或现场试

17、验，可求出 土的压缩性指标，即可计算基础的最终沉降量。土的强度是土的一个重要的力学性能，也叫土的抗剪强度，是 指土体抗剪破坏的最大应力，它的破坏会造成地基失稳或边坡滑塌 等现象。土的水理性质试验:包括土的固结试验、湿化试验等。土的 动力性质试验:包括土的振动三轴试验、共振柱试验、动单剪试验 等。土的特殊性质试验:包括非饱和土试验、黄土湿限试验、膨胀率 试验、膨胀力试验、收缩试验、有机质试验等。关于对室内试验结 果影响最大的取土扰动，现有的取土技术，已经足以使取土扰动的 影响降低到最小限度，目前，采用薄壁取土器取土是比较完善的取 土技术，它可以取到质量最好的原状土，至于取土时无法避免的应 力释放

18、引起的土样扰动，可采取室内再固结等方法予以减轻甚至消 除。四. 土工试验当前存在的问题由于岩土体的不均匀性，取样、运输、保管过程中的扰动， 试 验仪器及操作方法的差异等使得岩土试验结果出现部分失真，在一 定程度上影响勘察成果的真实性与准确性。本文就岩土样试验中经 常出现的部分问题进行剖析， 以便勘察单位在过程质量控制中采取 相应措施， 为设计部门提交真实、准确的勘察成果。1 试样的制备岩土工程勘察市场竞争激烈，勘察费用较低，勘察单位的设备 技术更新改造投入较少，勘察手段的单一，导致采取的原状岩土样 质量较差，土体结构受到严重扰动和破坏（ 尤其是采用岩芯管岩芯 切样）部分样品采集后没有在现场用蜡

19、封堵，水分蒸发；冬天没有 防冻措施，使样品受冻；运输过程中没有减震措施， 特别是灵敏度 较高的粉土和软塑土。由以上原因造成的土体结构破坏和含水量变 化， 严重影响到岩土体的原状，该类样品根本不能作为力学试验样 使用。采样不合格的岩土样，在试样制备时应注意。开启土样筒后 先检查土样结构，确定土样是否已受扰动或取土质量是否符合规 定，对不符合规范要求的试样必须舍弃。对合格土样用环刀切取 时，首先应做好以下几点：应在环刀内壁涂一薄层凡士林，目的 是为减少环刀与土样间的摩擦，避免土样压密扰动；将环刀垂直 下压，环刀垂直下压是避免环刀偏向受压时环刀一侧出现相对压密 而另一侧出现样品与环刀间的小缝隙，造成

20、土的容重失真及压缩时 压缩模量偏小； 环刀下压过程中，边压边削，可避免土样受到 环刀外侧壁与土样间的过大摩擦而使土样受到一定程度的压密； 压入环刀后对土样的上下端面削平，对于软土要用钢丝锯修复平 整， 若用切土刀整平则刀面极易带起软土形成二次扰动，对其它土 可采用切土刀削平。这四种措施都可有效避免土样在室内试验时受 到扰动。在制样过程中要对土样的颜色、 名称、包含物、矿物成 分、软硬程度、塑性状态、结构构造等进行描述，不仅是判定土类 别的依据，也有利于后期数据整理时进行对比和综合分析处理，得 出符合工程实际的数据。2 土的物理性质试验2 .1含水率试验土层的不均匀、取样扰动或进水、取土器和筒壁

21、的挤压、 原状 样密封不严、土样在运输和存放期间保护不当而失水等均会引起含 水率的变化。除此之外在试验室若操作不当对土样含水率的测试结 果也会造成偏差：取样点的位置不同，尤其是对粉质含量髙的 粉质粘土、粉土、砂土，样的上、中、 下不同部位含水量会有较大 的差别，为克服这种影响可分上中下不同部位同时取等量样品，加 以混合后再取为含水量试验样品。铝盒烘干时应开口，以利水的 充分蒸发。铝盒质量应定期标定：铝盒在长期使用过程中由于氧 化、磨损其质量也有一定变化，定期标定能有效降低试验误差； 烘干时间及温度对含水量测试数据影响较大，从而影响到地基土承 载力基本值。以粉土为例，含水量每提髙5%，承载力基本

22、值降低 约5%10%。因而应严格掌握烘干时间和温度。红粘土、膨胀 土等粘粒含量很髙的土类，有较大的比表面积，吸附水能力强，需 在10511101温度下烘干8 h，粉土、粉砂土不得小于6h, 但对含有机质的土（尤其是有机质含量大于5%的土）应在65 17 0 1烘至恒重，温度过髙会造成有机质的损失，使含水量 偏大。决不能为赶工期而省时省工，更不能不分土类别、不分温 度、不分时间地进行烘干。2.2土粒比重试验从理论上讲要得到一个准确的土粒比重值较为困难，因为国标 中采用的试验方法存在下列因素的影响： 结合水的影响。土粒带 负电荷，与其周围的水相互作用，形成结合水，结合水吸附在粘粒 表面，使测出的土

23、粒体积大于实际体积，导致测试结果偏小；土 粒间胶结物固化的影响。制备试样在烘干过程中，不可溶的胶质矿物如SiO2、A12O3、粘土矿物等易固化形成团粒，形成的团粒较难靠水的作用分散，加热煮沸对团粒不能达到完全分 散的作用，使计算出的土粒相对密度偏小。土粒比重是土的基本物 理指标之一，是一个相对稳定的值，它决定于土的矿物成分，一般 无机物矿物颗粒的比重为2.602.80， 有机质为 2.402.50， 泥炭为1.501.80，土粒的比重变化幅度很小，同一地区同一类 型的土相对密度基本接近，通常可按地区经验数据选用。由于土粒 比重试验相对复杂且费时，但也不能在一个地区根本就没有进行过 土粒比重试验

24、，而盲目套用其它地区的经验，这是不科学的。2.3 界限含水量试验液、塑限联合测定法的界限含水量土样制备方式对比较均匀的 土可采用天然含水状态的土样；对不均匀的土样，采用风干土样。 当试样中含有粒径大于0. 5 mm的土粒和杂物时，应过0. 5 mm的 筛。进行界限含水率试验时应将试验样品加入不同水量充分调和均 匀，填入试样杯中，按规范测定三个不同含水率的点。在实际试验 时操作人员能够对含砾石、 岩屑、 杂物的土样过筛后进行试验， 但当土中含原生的铁、 锰质结核时而往往忽视过筛，直接将土中的 铁、锰质结核压碎混入土中，这种方法造成土的液、塑限含水量偏 小。土样加水后应充分拌和，拌合后试验样品的含

25、水量必须均匀， 否则锥体下落试验点处的含水量难以代表实际样品的含水量。试样 调好后填入盛土杯也是一个关键环节，填入的样品要均匀，不能有 空洞，杯口土面应平整。低含水量的试验样易在盛土杯中产生土体 密实度差异现象，高含水量试验样易出现盛土杯土体空洞现象，操 作时应注意。杯口土面平整时，不能用调土刀过分抹平，尤其对易 粉土更容易造成杯表面含水量降低，产生试验误差。在具体试验过 程中可在一杯土的不同位置测试两次，以此来检验试样是否均匀。 对于搓条法进行塑限试验，虽然规范允许， 试验时人为影响因素较 大， 试验误差过大。这种方法虽然简便，但应慎重选用。3. 土体的定名 土体定名应规范，在土体定名时经常

26、出现粉土定名的误区。规 范规定：粉土是粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的5 0%,且塑性指数不大于10的土。在实际运用中，由于颗分试验较 繁杂，仍采用按塑性指数不大于10来划定粉土的做法。土工试验 时，粉砂有时也具有一定的塑性指数，若仅按塑性指数划分粉土可 能会造成误判。另外， 按 建筑地基基础设计规范（规定粉土承 载力特征值深宽修正时、按 建筑抗震设计规范进行液化判别 时，均需根据粉土粘粒含量数值来进行计算和判别， 虽然对地震烈 度小于等于6度的地区，对非持力层粉土一般建筑不需进行液化判 别和承载力特征值深宽修正，但也不能仅以塑性指数作为判定粉土 的条件。4. 土力学性质试验1.

27、固结试验土的固结试验是测定土体在压力作用下的压缩特性，以此计算 建筑物的沉降量，是地基设计的重要参数之一。在试验时常有以下 因素影响其准确度。由于频繁折卸仪器、透水石磨损、滤纸规格 的变化等因素，均会影响测试结果，因而仪器应定期校正；上透 水石的含水量差异会对土体固结产生一定程度的变化，这种变化对 一般的土样影响比较隐蔽，不易发现，但对具膨胀性的土样会有很 大的影响，当透水石的含水量较土样含水量大时会引起土样吸水膨 胀，出现前后级荷载百分表读数差别很小的现象，有时甚至出现后 级读数较前级读数小的异常情况。在透水石含水量较土样含水量小 时，会加速土样的失水呈收缩趋势，造成压缩量过大。因而下透水

28、石的含水量未接近土的天然含水量 安装试样仪器归零必须严格 到位，环刀上、下土面必须紧密与上、 下透水石处的滤纸接触。由 于环刀使用时外力破坏会出现外径变化情况，使得环刀不能有效放 入规定限位，造成透水石不能与环刀上、下土面有效接触，使初级 压缩偏大，产生实验误差。百分表归零时应使百分表量测的活动 轴杆有足够的量程，以避免压缩变形量较大时，仪器量程小于土样 压缩变形而造成压缩试验的失真。试验稳定 标准在 土 工试验方法标准中规定：施加每级压力后，每小时变形达0.01m m时，测定试验髙度变化作为稳定标准。原来的lh快速法由于缺 少理论依据而不再使用，但实际工作中， 由于固结仪器数量的限 制、试验工期的紧迫仍会沿用，这种违背规范的现象，应禁止。 2.抗剪强度试验直剪试验受力条件复杂（如发生剪切位移时法向加荷由最初轴心 受压变为偏心受压，剪切破坏面人为限制 ，排 水 条件不易控制， 按土工试验方法标准第18条规定快剪试验一般适用于渗透系数 小于10 6cm/s的细粒土，粉质粘土渗透系数一般大于10 5 c m/s，粉土 K值更大，用直剪试验已非常勉强，在室内试 验对较软的粉土及粉质粘土直剪时，发现四级荷载下很少存在峰值强 度，绝大部分需剪切至位移6 mm处，剪切强度指标回归性差（尤 其最后一级荷载强度偏低，再现性差），剪切强度指标仅能作为参考。