《公路土工试验规程》宣贯释义.ppt
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1 公路土工试验规程 JTGE40 2007宣贯理解 王园研究员交通部公路科学研究院2007 10 15 2 联系 联系人 王园博士联系地址 北京市海淀区西土城路8号交通部公路科学研究院邮政编码 100088电话 010 62078519传真 010 62079556电子信箱 y wang 或wybjcn 3 宣贯理解材料 公路土工试验规程 JTGE40 2007 公路土工试验规程 释义手册 4 讲解形式 结合 释义手册 讲解 试验规程 的修订内容 以及在理解和应用中应注意的问题 5 修订的主要内容 1 增加了 术语 符号 一章 对各章内容及条文说明进行了局部修改和有效性确认 2 土的工程分类中 对塑性图进行了部分调整 3 将 含水量 名称修改为 含水率 删除了 碳化钙气压法 4 比重试验增加了浮力法 5 颗粒分析试验增加了对密度计法的 刻度及弯液面的校正 依据标准 6 界限含水率试验增加了76g锥入土17mm的液限试验方法和液限碟式仪试验方法 7 渗透试验修订了变水头渗透试验方法 8 规定了击实试验的土类和击实筒的匹配以及击实功能等 9 增加了标准吸湿含水率试验方法 10 黄土湿陷试验方法中增加了自重湿陷系数试验 溶滤变形系数试验和湿陷起始压力试验 同时还明确了黄土指标试验的 单线法 和 双线法 的试验操作步骤 11 增加了冻土密度试验 冻结温度试验 冻土导热系数试验 未冻含水率试验 冻胀率试验和冻土融化压缩试验的冻土类试验方法 12 增加了湿化试验方法 13 在土的直接剪切试验中增加了排水反复直接剪切试验方法 14 在细粒土三轴压缩试验的固结不排水试验中 增加了固结后的土样几何尺寸计算方法 增加了 一个试样多级加荷三轴压缩试验 15 增加了粗粒土直接剪切试验方法 6 1总则 规程 P1 手册 P1 P3目录P5 规程 总体包含 31个大类总则和术语 符号土的分类标准87个试验方法 手册 中的附录C和附录D在数据整理时不可缺少几乎含盖了目前土工试验的所有内容 7 应当注意的是 手册 P2 1 对于粗粒土和巨粒土必须进行颗粒分析试验 提供土样的颗粒级配粒组数据和级配特征曲线 2 对于细粒土除应进行颗粒分析试验 提供土样的颗粒级配粒组数据和级配特征曲线外 还应进行界限含水率试验 提供土样的液限 塑限和塑性指数等 3 对于特殊土还应提供描述特殊土基本特征的试验测试指标 这是可重复再现土工试验结果的基本条件 也是科学实验的基本要求 8 规程 在修订中的参考文献 见 手册 P538 546在 文献 列表中可以查到各种与本 规程 有关的国家和行业标准以及著作等 便于同行对相关文献的了解和研读 9 2术语 符号 规程 P2 5 手册 P4 13 解释术语21个 本章 术语 为新增加内容 符号 增列了新内容 10 应注意的几个名词 1 土粒比重 手册 P5目前定义相对密度 2 渗透系数 手册 P7断面平均渗透系数 3 固结与压缩 手册 P6含义不同 侧限条件相同 饱和 非饱和 4 直剪与三轴 手册 P7快剪 固结快剪 慢剪 库仑强度理论不固结不排水剪 固结不排水剪 固结排水剪 摩尔库仑强度理论总应力强度指标 有效应力强度指标 5 砂的相对密度与压实度 目前定义相对密度 11 3土的工程分类 1 粗粒与细粒的分界粒径 规程 P6 P16原0 074mm 现0 075mm 2 粉粒与黏粒的分界粒径 手册 P15 P16国标0 005mm 交通0 002mm 3 塑性图 规程 P12 手册 P24原Ip 6 10 现Ip 4 7推论抗剪强度为零与碟式仪等效注意 Ip小于10 液限小于15 区域数据不可用 原因是该范围液限值不准 12 4 特殊土分类国标 删除该内容分类准则 扰动土 颗粒级配 液塑限 未考虑特殊土的特性指标 本规程 仍然列入 并增加冻土 手册 还列出了各种特殊土的分类标准P27 34 13 4土样采集和试样制备 规程 P21 30 手册 P38 46 新增对冻土的要求 规程 P21 P22 P26 手册 P38 P39 P43注意 不同土类的饱和方法和效果 14 5土的含水率试验 规程 P31 37 手册 PP47 55 1 含水率 含水量 手册 P47 2 土中水及其特征 手册 P47 3 删除 碳化钙气压法可替代的方法 酒精燃烧法目前也有采用 微波炉法 但其加热往往不均匀 有待进一步总结经验 15 酒精燃烧法应特别注意安全 手册 P50 51 在使用中应分层次分装酒精 如首先将桶装酒精分装在500 1000ml的大瓶中 使用时在将大瓶中的酒精分装在100ml以下的小瓶中 从小瓶中将酒精倒入土样 点燃酒精燃烧湿土 再次将酒精倒入土样前 必须确定土样中的火焰已经熄灭 否则将可能造成严重事故 在野外试验确定土样中火焰熄灭的方法是将手从远处慢慢移向燃烧土样的坩埚上部 体会是否有高温燃烧的感觉 如果没有燃烧火焰 则手可以盖在坩埚上 如果有燃烧火焰 则手有烧灼感 应立刻从坩埚上部移开手 反复测试 直至火焰确定燃灭 应当引起注意的是 白天燃烧酒精 当燃烧的火焰较小时 人的肉眼很难观察到 此时应特别注意安全 在现场使用酒精燃烧法时 应做好试验操作安全预案 16 采用烘干法应注意的问题 手册 P55 1 烘土期间烘箱不应频繁开启 以免影响箱内温度 2 水分较多的土 不应与接近烘干的土在一个箱内混烘 3 因烘箱底层离热源较近 温度较高 故试样应距底层有一定距离 4 将称量盒校正恒重后 筒化了试验过程中反复测量称量盒质量的手续 但使用一定时间后 称量盒的质量常有变化 因此一般半年需要校正一次 以保正试验精度 17 6土的密度试验 规程 P38 55 手册 P56 76 湿密度 干密度 饱和密度 浮密度孔隙率 孔隙比 饱和度土粒的密度 水的密度 手册 P536三大试验指标 比重 密度 含水率关系 饱和密度 湿密度 干密度 浮密度定义 手册 P56 58 18 7土的比重试验 规程 P56 66 手册 P77 87 新增 浮力法试验基础 高精度 大称量 低感量天平技术的发展 各法适用范围 比重瓶法 小于5mm浮力法 大于5mm浮称法 大于或等于5mm虹吸筒法 粒径大于或等于5mm的土 且其中粒径大于等于20mm土的含量大于 等于总土质量的10 19 需要补充说明的是 手册 P87 比重瓶法仅能用作细粒土 小于5mm 的比重测定 但天然土常为粗 细颗粒混合而成 尤其是在路堤填料中经常遇到 因此 大于5毫米的粗粒土用虹吸筒法测定土的比重 由于虹吸筒不能同时测定小于5毫米颗粒的比重 这样对全粒径土体就需要采用联合测定的方法 即分别采用密度计法和虹吸筒法 或浮力法 浮秤法等 测定比重 然后再求其加权平均值 若用虹吸筒法测定全粒径土时 对于细土粒易悬浮于水中而为虹吸管所吸出 同时在试验的过程中细粒部分易于丢失 此外细粒土过多时会影响排气 在确定采用何种比重试验方法时 应考虑在不影响结果精度的原则下 尽量一次测定 因此 当大于5毫米土粒不多时可以直接用比重瓶法试验 平行误差与试样的数量问题 20 8颗粒分析试验 规程 P67 84 手册 P88 111 1 筛分法粒径大于0 075mm筛号与筛径关系 手册 P932 密度计法粒径小于0 075mm水的密度 手册 P5363 移液管法粒径小于0 075mm 21 9界限含水率试验 规程 P85 99 手册 P112 131 1 液限和塑限联合测定法增加 76g锥入土17mm液限方法 各种液限值的经验换算 手册 P1212 液限蝶式仪法3 塑限滚搓法塑性指数越大黏粒含量越多 手册 P134 缩限试验稠度界限图 手册 P13 22 图2 G土的稠度界限示意图 23 图2 H土的塑性指数与粘粒含量关系 24 10土的收缩试验 规程 P100 104 手册 P132 136 试验指标 体缩率 线缩率 缩限 该试验无修订内容 25 11土的天然稠度试验 规程 P105 108 手册 P137 140 修订 公式 T0122 3 和 的计算公式原公式错误 26 12砂的相对密度试验 规程 P109 114 手册 P141 149 无修订内容 砂的相对密度评价 手册 P146 149 27 13土的湿化试验 规程 P115 117 手册 P150 152 该试验为新增试验内容 土的湿化是指粘性土体在水中发生崩解或强度减弱的现象 属于土体膨胀的另一种形态 土在膨胀过程中 使相邻土粒的距离超过土粒间的引力作用范围时 或使粒间结构连接受到破坏时 都会使土体发生崩解现象 土在水中崩解的难易 表明了土对水的稳定程度 研究土的湿化性具有重要的实际意义 例如路堑边坡 路堤河岸 当受水体浸湿时 就有可能湿化而失稳 发生崩解现象 在路堤的设计与施工中 也需要了解土料湿化崩解的速度 作为取舍料场的依据 土湿化性质的指标有崩解量和崩解速度 28 14土中毛细管水上升高度试验 规范 P118 122 手册 P153 163 该试验无修订内容 评价土的毛细性的指标 1 毛细管水上升高度 手册 P1602 毛细管水上升速度 手册 P161 29 15渗透试验 规程 P123 131 手册 P164 182 变水头渗透试验 为新修订内容 1 常水头渗透试验适用于渗透系数大于10 E4cm s的土2 变水头渗透试验 原内容有误适用于渗透系数为10 E4 10 E7cm s的土标准渗透系数换算 土的动力黏滞系数表 手册 P526 30 1 土的渗透规律 达西定律 水流在中砂流动呈层流状态时 有下式V kiq kiA断面平均流量 手册 P172黏性土的渗透规律 v k i i0 n 手册 P174 31 达西定律的适用范围 由于达西定律只适用于层流的情况 故一般只适用于中砂 细砂 粉砂等 对粗砂 砾石 卵石等粗颗粒土就不适用 因为此时水的渗透流速较大 已不是层流而是紊流 32 常见土的渗透系数 手册 P175 33 影响渗透系数的因素 手册 P175 177 土粒的大小和级配 土的孔隙比 水的动力粘滞系数 土中封闭气体含量 土的结构构造的影响 结合水膜厚度的影响 手册 P175 177 34 关于起始渗透坡降 在粘土中 土颗粒周围存在着结合水 结合水因受到分子引力作用而呈现粘滞性 因此 粘土中自由水的渗流受到结合水的粘滞作用 类似毛细水 产生很大阻力 只有克服结合水的粘滞阻力后才能开始渗流 我们把克服此粘滞阻力所需的水头梯度 称为粘土的起始水头梯度 这样 在粘土中应按下述修正后的达西定律计算渗流速度 v k i i0 图2 B土中毛细水示意图 35 成层土的渗透系数 水平渗透系数 手册 P177 178决定于透水性最大那层土的渗透系数 垂直渗透系数 手册 P178决定于透水性最小那层土的渗透系数 36 渗透力 手册 P178 定义 将渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗透力 渗透力具有三种特征 1 渗透力是一种体积力 量纲为kN m3 2 渗透力与水力坡降成正比J wi 3 渗透力方向与渗流方向一致 37 渗透变形 手册 P178 181 1 流土 手册 P179 180定义 临界水利坡降 手册 P180流土可能性判别 手册 P1802 管涌 手册 P180 181定义 稳定型管涌与非稳定型管涌临界水利坡降 很难推导出定式 多为经验 手册 P181管涌可能性判别 手册 P181 38 应当引起注意的是 通常给出的渗透速度是一种假想的平均流速 因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面来进行的 而实际上 渗透水流仅仅通过土体中的孔隙流动 因此 水在土体孔隙中的实际平均流速要比通常所求得的数值大得多 他们之间的关系近似为 39 土按渗透系数分类表15 C 手册 182 40 16土的击实试验 规程 P132 138 手册 P183 191 修订内容 1 增加 大粒径试样与试筒的匹配2 取消 重复使用土 的试验内容思考 土体为什么在大于或小于最佳含水率时进行击实都不能达到最大干密度 41 修订增加内容 当土中最大颗粒粒径大于或等于40mm 并且大于或等于40mm颗粒粒径的质量含量大于5 时 则应使用大尺寸试筒进行击实试验 或按5 4条进行最大干密度校正 大尺寸试筒要求其最小尺寸大于土样中最大颗粒粒径的5倍以上 并且击实试验的分层厚度应大于土样中最大颗粒粒径的3倍以上 单位体积击实功能控制在2677 2 2687 0kJ m3范围内 当细粒土中的粗粒土总含量大于40 或粒径大于0 005mm颗粒的含量大于总土重的70 即 30 0 005mm 时 还应做粗粒土最大干密度试验 其结果与重型击实试验比较 最大干密度取两种试验结果的最大值 42 有关问题的讨论 争论的问题 轻型击实与重型击实 规范击实标准 最大干密度 与规范压实度 43 击实特征规律与最佳压实方式 黏性土的压实规律单峰型曲线 静力压实若 动压 气体压缩并溶解水中 无黏性土的压实规律双峰型曲线 动力压实若 静压 能量小效率低粉土 具有无黏性土的压实特征 当黏粒含量15 40 性质可改变 44 影响土压实特性的因素 土类和级配 静与动考虑不同 未考虑 含水率 土类不同最佳值的初判不同 部分考虑 压实功能 原理与设备考虑不同 考虑 45 17土的承载比 CBR 试验 规程 P139 147 手册 P192 201 未进行修订 文字错误 规程 P147 手册 P19 46 18土的回弹模量试验 规程 P148 155 手册 P202 209 未进行修订 个别公式有误进行了修正 47 19土固结试验 规程 P156 171 手册 P210 229 未进行修订 个别公式有误进行了修正 48 20土的标准吸湿含水率试验 规程 P172 175 手册 P230 232 新增加内容 系中交第二公路勘察设计研究院2002 2004年交通部西部交通建设科技项目 膨胀土地区公路勘察设计技术研究 成果 49 试验方法 干燥缸法 恒温恒湿箱法建议 采用干燥缸试验方法该试验主要针对 膨胀土 50 21黄土湿陷试验 规程 P176 193 手册 P233 258 修订和新增加内容 单线法双线法1 相对下沉系数试验 修订2 自重湿陷系数试验 增加3 溶滤变形系数试验 增加4 湿陷起始压力试验 增加 51 单线法与双线法 52 黄土分类 按湿陷性分类 手册 P238 239 按黄土的物理和化学变化分类 手册 P258 53 22土的直接剪切试验 规程 P149 222 手册 P259 291 增加 排水反复直接剪切试验试验数据整理 库仑强度理论 手册 P259 54 应力应变曲线与试验结束标准 应力应变软化型曲线 取峰值强度 点应力应变硬化型曲线 取稳定值强度 点应力应变曲线无峰值或稳定值 取最大位移为试样直径的1 15 1 10 点 图22 B剪应力与剪切位移关系曲线 55 直接剪切试验与试验两阶段土样中水及其压力 56 直剪试验的缺点 不能有效控制排水条件 剪切面人为规定 剪切过程中土样内部的垂直应力分布不均匀 手册 P291 剪切面积随剪切位移的增加而减少 不能量测试样中的孔隙水压力 57 直剪仪的类型 应力控制式应力控制剪切不能测出残余剪切强度 应变控制试应变控制剪切可以测出残余剪切强度 58 直剪试验的相关问题 试验中的垂直压力应优先考虑先期固结压力 试样的固结稳定标准垂直变形每小时不大于0 005mm 剪切速率快剪应在3 5min内剪损 而慢剪可能需要在3 5h剪损 适用土类渗透系数大于10 E6cm s的土不适宜 59 使用应变控制式直剪仪应注意的事项 1 作用于上下两盒上的方向相反的外力作用线要与剪切面上的中轴线相吻合 如外力不通过剪切面的中轴线时 须设法保证上下盒沿水平方向移动 不发生转动 2 下盒下面两滑槽的刚球个数及直径应相等 并须均匀分布 3 所有滑动部分必须加润滑剂 4 下盒前后滑动应均匀平稳 不应发生扭动现象 60 23土的三轴压缩试验 规程 P223 270 手册 P292 349 增加 在固结不排水试验中 增加了固结后的土样几何尺寸计算方法 一个试样多级加荷三轴压缩试验 试验数据整理 摩尔 库仑强度理论 手册 P293 61 三轴压缩试验与试验两阶段土样中水及其压力 62 三轴仪的类型 应力控制式应力控制垂直压缩不能测出残余抗剪强度指标 应变控制试应变控制垂直压缩可以测出残余抗剪强度指标 63 三轴压缩仪的优点 1 能够严格控制试样排水条件 2 试样所受到的应力情况为已知 3 可以测定试样内的孔隙压力和体积变化 4 可以测定土的静止侧压力系数和非饱和土的固结系数等 64 抗剪强度指标有效应力指标和总应力指标 总应力抗剪强度及指标 tng c 有效应力抗剪强度及指标 tng c 其中 u 65 有效应力路径和总应力路径 图23 B土的不固结不排水剪切试验应力路径 正常固结 超固结 66 24土的无侧限抗压强度试验 规程 P271 275 手册 P350 357 未进行修订 试验数据整理 摩尔 库仑强度理论 手册 P350注意 该试验与无机结合料的无侧限抗压强度试验对土样尺寸和试验方法以及仪器设备的要求不同 67 试验应用 评价土的强度 计算灵敏度分析土的触变性 图24 A不同土随静置时间强度增长特征 68 粘性土经过扰动后 其强度削弱较多者 说明其灵敏度较大 根据灵敏度的大小 常将粘性土分为 2 4一般粘性土 4 8灵敏粘性土 8特别灵敏的粘性土也有按灵敏度的大小 对粘性土进行如下分类 1 2低灵敏 2 4中灵敏 4高灵敏某些软粘土在重塑后甚至不能维持自己的形状 无侧限抗压强度几乎等于零 这时灵敏度就很大 对于灵敏度大的土应特别注意保护基槽 使其结构不受扰动 69 25粗粒土和巨粒土的最大干密度试验 规程 P276 292 手册 P358 378 总体未进行修订 仅少数文字修改 表面振动压实仪法 推荐使用 振动台法 表面压载不能匹配 70 26粗粒土的直接剪切试验 规程 P293 299 手册 P379 392 新增加试验内容 试验数据整理 库仑强度理论 手册 P259 71 粗粒土的剪切试验问题 剪切方法单样法 一个样多次剪切 多样法 一个样剪切一次 剪缝宽度d50 d60 剪切规律 n 通过78组河床砂砾土的大型直剪试验得出 57 53 12 70 其中 与 的线性相关系数为0 8075 72 27粗粒土的三轴压缩试验 规程 P300 310 手册 P393 403 未进行修订 试验数据整理 摩尔 库仑强度理论 手册 P293 73 粗粒土的三轴试验问题 剪切方法单样法 一个样多次压缩试验 多样法 一个样一次压缩试验 剪切速率 5mm min 剪切规律 n 相对通常直线形强度包线 高压力下抗剪强度降低 74 问题 大粒径土 块石土 的指标确定 仪器设备尺寸的无限增大 相似模拟技术的滞后颗粒几何尺寸弹性模量泊松比 超粒径的处理简单剔除法几何相似法等质量代换法 75 28土的膨胀性试验 规程 P311 324 手册 P404 428 未进行修订 1 自由膨胀率试验2 无荷载膨胀率试验3 有荷载膨胀率试验4 膨胀力试验 76 对膨胀土应进行的土工试验及指标 1 颗粒分析2 界限含水率3 自由膨胀率 有荷及无荷膨胀率 膨胀力4 缩限 线缩率等 77 影响膨胀土胀缩变形的因素 1 黏土矿物及化学成分2 黏土颗粒含量3 土的密度4 土的含水率变化5 土的结构变化6 在长期自然淋浴下膨胀土的胀缩性能减弱或丧失 78 膨胀土试验应注意的问题 1 用现行常规取样技术采取 原状土 样 不能模拟和保持膨胀土样应力状态 因为 此时土样的初始膨胀压力已降为零 土样结构已受到扰动 2 用现行常规饱和方法进行膨胀土样的饱和 不能模拟膨胀土的实际工况 因为 这样的饱和过程已使膨胀土的初始膨胀总应力降为零 3 一维膨胀变形试验 不能正确模拟地基土体的三维变形性状 其结果往往过高地估计了膨胀变形 忽视了对基础结构的水平拉裂 4 膨胀土的变形不仅具有应力路径的依附性 而且还具有初始含水量的依附性 也就是说 膨胀土的应力应变规律 不但与应力路径有关 而且还与起始含水量有关 5 膨胀土的多维变形试验不能采用应力控制试试验设备 79 膨胀土的胀缩性分类表28 D 80 膨胀土的膨胀潜势分类表2 C 81 29冻土试验 规程 P325 353 手册 P429 460 新增加冻土试验10项 增加 冻土密度试验 5种方法 冻结温度试验 冻土导热系数试验 未冻含水率试验 冻胀率试验和冻土融化压缩试验 82 冻土常用术语及其含义表29 A 83 表3 3冻土按冻结状态持续时间分类 84 冻土按冰含量分类表29 B 85 冻土按物理状态分类表29 C 86 硬冻土的近似温度界限表29 D 87 影响冻土及冻融土的力学性能不稳定的因素 1 在自然条件下以及上部建筑物作用下 地基土温度的变化 2 在各种内外因素作用下 冻土及冻融土应力状态的变化 3 影响冻土和冻融土应力衰减和蠕变的荷载作用的时间等 88 30土中化学成分试验 规程 P354 397 手册 P461 502 未进行修订 89 31土中矿物成分试验 规程 P398 410 手册 P503 520 未进行修订 90 91 谢谢- 配套讲稿:
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