土工试验教程

土工水利工程质检员考试目录1概述2土的工程性质的相关知识3土样取样和制备4土的物理、化学性质指标5土的力学性质指标第1章概述1•1.1水利工程质量检测的目的和意义•1.2室内土工试验的分类•1.3试验人员应掌握的知识1.1水利工程质量检测的目的和意义目的：发现问题、减少偏差、防止缺陷、将以上三项内容从速解决。意义：提高水利工程质量不符合质量要求的缺陷改正在产品形成过程中，提交合格的工程提高工程的效益准确的检测数据，为工程质量的优劣提供可靠的依据使管理者增强紧迫感和危机感，采取切实有效的措施，把产品质量、工程质量和服务质量提高到一个新的水平1.2室内土工试验分类大致可以分为以下五类：土的物理性质试验：包括土的含水率试验、密度试验、土粒比重试验，颗粒分析试验、界限含水率试验（液限、塑限和缩限试验）土的力学性质试验：包括土的固结试验、抗剪强度试验、击实试验、静止侧压力系数K0试验、流变试验1.2土的水理性质试验：包括土的渗透试验、湿化试验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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、有机质试验室内土工试验分类1.3试验人员应掌握的基本知识试验要达到什么目的，依据什么原理使用的仪器设备，方法步骤试验应获得那些数据，得出什么结论试验中的注意事项和误差分析分析试验设计与实际问题的联系第2章2•2.1土的工程分类•2.2土的渗透性•2.3达西定律•2.4土的压缩性工程性质相关知识2.1土的工程分类分类总体思路与规定：土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别。以土的特性指标为依据，分类简明，反映不同类工程用土的主要不同性质。特性指标：土颗粒组成及其特性——SL237-006-1999《颗粒分析试验》土的塑性指标——SL237-007-1999《界限含水率试验》土的有机质含量——SL237-066-1999《有机质试验》2.2土的渗透性土的渗透性：土具有使水通过其孔隙流动的性能称为土的渗透性。渗透性是土的重要力学性质之一，它对工程设计、施工都具有重要意义渗透的危害：渗漏，造成水量损失改变建筑物地基或土坝、边坡等的稳定条件。2.2土的渗透性了解土的渗透性的重要意义建筑物稳定和安全的要求：渗流将细土粒或局部土体冲走，使土体发生渗透变形，土体的稳定条件变坏，甚至危及整个建筑物的安全；或因渗透力过大会引起土坡发生滑动或坍塌。研究建筑物或地基沉降的需要：饱和土地基在建筑物荷载作用下产生压缩（固结）变形需经过一定时间才能稳定，而经历时间的长短与土的渗透性直接有关开挖基坑时估算涌水量2.3达西定律基本假设：达西采用了以整个土样断面积计算的假想渗流速度，或单位时间内土样通过单位总面积的流量，而不是土样孔隙流体的真正速度。实际上土试样断面内，仅土颗粒骨架间的孔隙是渗水的，而沿试样长度的各个断面，其孔隙大小和分布是不均匀的。达西考虑了以试样长度计算的平均水力梯度，而不是局部的真正水头损失。土中水的实际流程是十分弯曲的，比试样长度大得多，而且也无法知道。2.3达西定律表达式当水流是层流的时候，水力梯度与土中水的流速之间呈线性关系。kiv这个关系称为达西定律，比例系数k为土的渗透系数，其物理意义是当水力梯度等于1时的渗透速度达西定律2.4土的压缩性土的压缩性：是指土在压力作用下体积缩小的特性压缩量的组成固体颗粒的压缩土中水的压缩空气的排出水的排出占总压缩量的1/400不到，忽略不计压缩量主要组成部分说明：土的压缩被认为只是由于孔隙体积减小的结果土的固结：是对饱和土而言，饱和土孔隙中充满水，在荷载作用下，土体中孔隙水排出、孔隙比减小而使土逐渐被压密的过程称为土的固结。2.4压缩试验：研究土的压缩性大小及其特征的室内试验方法，亦称固结试验三联固结仪土的压缩性2.4土的压缩性刚性护环加压活塞透水石环刀底座透水石土样荷载注意：土样在竖直压力作用下，由于环刀和刚性护环的限制，只产生竖向压缩，不产生侧向变形•压缩仪示意图2.4土的压缩性•e-p曲线研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律Vv＝e0Vs＝1H0/(1+e0)H0Vv＝eVs＝1H1/(1+e)pH1s土样在压缩前后变形量为s，整个过程中土粒体积和底面积不变eHeH11100土粒高度在受压前后不变)1(000eHsee整理1)1(000wswGe＝其中p根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制e-p曲线，为压缩曲线2.4土的压缩性e0eppe曲线A曲线B曲线A压缩性＞曲线B压缩性e-p曲线压缩性指标压缩性不同的土，曲线形状不同，曲线愈陡，说明在相同压力增量作用下，土的孔隙比减少得愈显著，土的压缩性愈高根据压缩曲线可以得到三个压缩性指标1.压缩系数a2.压缩模量Es3.变形模量E02.4土的压缩性•1.压缩系数a土体在侧限条件下孔隙比减少量与竖向压应力增量的比值p1p2e1e2M1M2e0epe-p曲线△p△e《规范》用p1＝100kPa、p2＝200kPa对应的压缩系数a1-2评价土的压缩性a1-2＜0.1MPa-1低压缩性土0.1MPa-1≤a1-2＜0.5MPa-1中压缩性土a1-2≥0.5MPa-1高压缩性土1221ppeepea＝斜率2.4土的压缩性2.压缩模量Es土在侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值，或称为侧限模量aeEs11说明：土的压缩模量Es与土的的压缩系数a成反比，Es愈大，a愈小，土的压缩性愈低3.变形模量E0土在无侧限条件下竖向压应力与竖向总应变的比值。变形模量与压缩模量之间关系sEE0－－＝1212土的泊松比，一般0～0.5之间土土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力，也就是当土体受到剪应力作用时，土体对剪应变增大所产生的阻力称为抗剪强度。抗剪强度是土的重要力学指标之一。在外荷载作用下，建筑物地基或土工构筑物内部将产生剪应力和剪切变形，而土体具有抵抗剪应力的潜在能力—抗剪力，它随着剪应力的增加而逐渐发挥，当抗剪力完全发挥时，土就处于剪切破坏的极限状态，此时抗剪力也就达到极限。这个极限值就是土的抗剪强度。2.4土的抗剪强度库仑定律：土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力的线性函数砂土f粘土cftanfcftanc:土的粘聚力:土的内摩擦角2.4土的抗剪强度土体抗剪强度影响因素摩擦力的两个来源1.滑动摩擦：剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦2.咬合摩擦：土粒间互相嵌入所产生的咬合力粘聚力：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成抗剪强度影响因素摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构2.4土的抗剪强度莫尔－库仑破坏准则•莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则目前判别土体所处状态的最常用准则强度线2.4土的抗剪强度2.4土的抗剪强度土的剪切试验方法：直接剪切试验、三轴剪切试验、无侧限抗剪、十字板剪切试验1、直接剪切试验试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）直剪试验的三种方法：快剪、固结快剪、慢剪快剪：快剪试验是在土样上下两面均贴以蜡纸，在加法向压力后立即施加水平剪力，使土样在3~5min内剪坏固结快剪：固结快剪是在法向压力作用下是土样完全固结，然后很快施加水平剪力，使土样在剪切过程中来不及排水慢剪：快剪试验是在土样上下两面均贴以蜡纸，在加法向压力后立即施加水平剪力，使土样在3~5min内剪坏2.4土的抗剪强度固结稳定标准：在试样上施加垂直压力后，如果每小时垂直变形读数变化不超过0.005mm，认为已达到固结稳定。破坏值的选定：2.4土的抗剪强度三轴剪切试验•应变控制式三轴仪：压力室，加压系统，量测系统组成•应力控制式三轴仪试验步骤:2.施加周围压力3.施加竖向压力1.装样3333332.4土的抗剪强度三轴剪切试验的三种方法：不固结不排水（快剪）、固结不排水（固结快剪）、固结排水（慢剪）快剪：试样在施加周围应力和随后施加偏应力直至破坏的整个试验过程中都不允许排水，这样从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不可能消散固结快剪：试样在施加周围压力时，允许试样充分排水，待固结稳定后，再在不排水的条件下施加轴向压力，直至试样剪切破坏，同时在受剪过程中，测得土体的孔隙水压力慢剪：试样先在周围压力下排水固结，然后允许试样在充分排水的条件下增加轴向压力直至破坏，同时在试验过程中测读排水量以计算试样的体积变化2.4土的抗剪强度抗剪强度包线•分别在不同的周围压力3作用下进行剪切，得到3～4个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线抗剪强度包线c2.4土的抗剪强度无侧限抗压强度试验ququ加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，对试样不施加周围压力，即3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，试样在无侧限压力条件下，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称为无侧限抗压强度试样2.4试验方法适用条件不固结不排水剪地基土的透水性和排水条件不良，建筑物施工速度较快固结不排水剪建筑物竣工以后较久，荷载又突然增大，或地基条件等介于上述两种情况之间排水剪地基土的透水性好，排水条件较佳，建筑物加荷速率较慢土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标抗剪强度指标选用第3章土样的取样与制备3•3.1取样与管理•3.2土样的制备•3.3试样饱和3.1取样与管理取样方法：天然土层作用的土压力，应采取原状土；土坝等填土作用的土压力，应采取扰动土取样地点：试坑、平洞、竖井、天然地面及钻孔中取样原则：原状土——不扰动、具有代表性扰动土——具有代表性土样的接收和验收1、试验单位接收委托方土样时,应作以下检查：●检查是否附有送样单及试验委托书及其他有关资料。●确认委托方的要求：试验项目、试验组数和试验方法。●接收的土样数量和土样状态。3.1取样与管理2、按送样单和委托书进行验收●土样的数量是否足够●原状土筒外包装质量是否符合合同或试验委托书的要求●验收、登记并对土样进行标识后，将土样按顺序妥善存放，保持天然含水率的扰动土应置于阴凉的地方，尽量防止扰动和水分蒸发。土样从取样之日起至开始试验的时间一般不应超过3周土样的贮存和管理●样品标识：土样接收后，应对样品进行唯一性编号，以使样品在贮存、流转和试验过程中不发生混淆。●样品贮存：接收后的土样，应贮存于样品室，样品室的环境条件应能确保在贮存期不改变土样原有的物理力学性状●样品管理：样品室应有一定的管理制度，有专人管理，对于土样进库和出库都应有记录，并有责任人签字，以保证样品贮存的安全。3.1取样与管理土样的处置●土样留样：土工试验往往为破坏性试验，经试验后的土不能再重复使用，为了保证试验成果能符合要求和被委托方接受，试验前，应预先保留一部分土样（即留样）贮存于留样室保管。●试验后土的处置：应注意不要污染环境3.1取样与管理3.2土样制备1、土样制备内容扰动土的土样制备包括土的风干、碾散、过筛、匀土、分样和贮存等预备程序和击实（击样法和压样法）、饱和等试样制备程序。原状土的土样制备包括开启试样筒和切样等。注意点：要对土样进行描述（如顔色、土类、气味及夹杂物等）碾土时应注意不要把土颗粒碾碎，应将扰动土置于橡皮板上用木碾碾散。3.2土样制备2、扰动土试样的预备程序土样描述和碾散：应先进行土样状态描述，如颜色，气味、夹杂物等，并初步对土进行分类。测定其含水率。然后将土样风干并碾散，碾土时应将块状土置于橡皮板上用木碾碾压，直到碾散为止；如用碎土器，则应注意不要将土颗粒碾碎。过筛：一般规定物理性试验土样过0.5mm筛；力学性试验（直剪、无侧限压缩、三轴剪切等）土样过2mm筛；击实试验土样过5mm筛。3.2土样制备匀土