土工基本理论及试验方法
第一节 岩土工程学的基本理论
第二节 土工试验检测项目、方法
第三节 土方工程野外质检及评定标准
省质检中心 蔡红波
第一节 岩土工程学的基本理论
•工程概念上的土是由固体颗粒、水和气体三部分所组成的三相体系。固体部分一般由
矿物质所组成，有时含有有机质，由它构成土的骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙，这些孔隙有时被水充满，称为饱和土；有时一部分被水占据，另一部分被气体占据，称为非饱和土；有时也可以完全充满气体，称为干土。
§1.物理指标及意义
基本物理指标中的含水率ω、天然密度ρ、土粒密度Gs三指标通过试验取得称为实测指标，其他指标均由它们换算得到。一般称为导出指标（干密度ρd、饱和密度ρsat、饱和含水率ωsat、饱和度Sr、孔隙率n、孔隙比e等）。
一、土的含水性
土的含水性，指的是土中含水的情况。一般有二个指标：含水率、ω，饱和度Sr。
1、含水率ω：土中所含水分质量mw与固体颗粒ms质量之比。ω=mw/ms常用百分数表示，计算时化为小数，通过室内试验确定（烘干法、酒精燃烧法）。
天然含水率 ， 一般砂土天然含水率都不超过40%，以10%~30%。一般粘性土天然含水率大都在20%~50%之间。
饱和含水率：ωsat土的孔隙全部被普通水充满时的含水率 。
2、饱和度Sr：
含水率仅表明含水绝对数量，所以引进饱和度来说明孔隙中水的充填程度，即：Sr= Vw/V气×100% 。
二、土粒密度Gs：
固体颗粒与固体体积之比，即：Gs=ms/Vs，它实际上就是各种矿物密度的加权平均值。
一般在2.65-2.80g/cm3。粘性土一般为2.70-2.75 g/cm3，亚粘土一般为2.68-2.72 g/cm3，亚沙土为2.68 g/cm3左右。通过室内试验确定（比重瓶法、浮称法、虹吸筒法）。
三、土的密度
1、天然密度ρ
一般为1.6-2.2 g/cm3，
砂土一般是1.4 g/cm3，
亚粘土及亚沙土一般为1.6-1.8 g/cm3，
粘土为1.8-2.0 g/cm3左右
2、干密度ρd：土的孔隙中完全没水时的密度称为~。
土的干密度一般在1.4-1.7 g/cm3范围内 。 ρd=ρ/（1+0.01ω）
土的孔隙率
土的孔隙性主要指土内孔隙的大小、数量及连通情况。常用孔隙率、孔隙比表示 。
1 孔隙比e：土的孔隙体积与土粒体积之比。
e=Vv/Vs 常用小数表示，一般土的e为0.5-1.0之间，粘土有时大于1.0，淤泥e可达1.5
五、砂土的相对密度
Dr=（emax-e）/（emax-emin）
e天然孔隙比
当 Dr≈0时，e≈emax，最松散，易被压缩；当Dr≈1时，e≈emin，最紧密，不易被压实。在工程中，常用Dr作为沙土在振动荷载下，是否引起液化的判别指标，也是评价砂土强度稳性的重要指标 。
六、粘性土的可塑性和稠度
粘性土这种因含水率变化而表现出的各种不同物理状态称为土的稠度 。
可塑性：土在外力作用下可以揉塑成任意形状而不破坏土粒间的连接，并在外力解除以后也不恢复原来形状 。
塑限ωp—从半固态稠度过度到稠塑状态的含水率；液限ωL—粘塑状态过度到粘流状态的含水率 。
塑性指数 Ip=ωL-ωp
液性指数
IL=（ω-ωp）/（ωL-ωp）
=（ω-ωp）/Ip
当ω＞ωL时，IL＞1，土处于液态；当ω＜ωp时，IL＜0，土处于固态；当ωp＜ω＜ωL时，0＜IL＜1，土处于塑态。
七、土的渗透性
土的渗透性一般随粘粒含量增加，而渗透性减弱。；
土的渗透性具有方向性，一般水平K是垂直K的1-7倍
土的基本物理性质指标相互换算
实测指标：含水率ω、天然密度ρ、土粒密度Gs
导出指标：干密度ρd=ρ/（1+ω）
饱和密度ρsat=（1-ρd/Gs）+ρd
孔隙比e=（Gs/ρd）-1
饱和度Sr=ω×Gs/e
孔隙率n=（1-ρd/ Gs）×100%
§2. 土的力学指标及意义
一、土的压缩性：外力作用下体积压缩变小的性能。
设压缩仪内土样横截面积为A，土样原始高度为h0，相应的孔隙比为e0。当加压力p1后，土样的压缩量为△h1，即土样高度减小到h1= h0—△h1，相应的孔隙比由e0减小到e1。由于土样压缩时不可能发生侧向膨涨，故压缩前后土样横截面积不变。在压缩过程中，土粒体积也是不变的。
加压前后土粒体积A h0/（1+ e0）= A h1/（1+ e1）
则：e1= e0－△h1*（1+ e0）/ h0
如以纵坐标表示孔隙比e，以横坐标表
示压力p，根据压缩试验成果，可以绘制出
e—p关系曲线，称压缩曲线。
在压缩曲线中，当压力P1—P2变化范围不大时，可以将曲线一小段M1—M2用直线代替，则M1—M2斜率可用下式表示：
a=（e1－e2）／（P1—P2）
这就是土力学中的基本定理之一，压密定理 。
在工程实际中，常以P1＝0.1Mpa，P2＝0.2Mpa的压缩系数a1-2作为判断土的压缩性高低的标准。
低压缩性土，a1-2≤0.1 Mpa-1
中压缩性土，0.1≤a1-2≤0.5 Mpa-1
高压缩性土，0.5 Mpa-1≤a1-2
二、土的抗剪性：土本身所具有的抵抗剪切破坏的极限强度。
（一）、直剪试验：将土样放在上下两部分可以错动的金属盒内，将上盒固定，下盒沿水平方向滑动。在传压板上施加力P，则法向压力为a＝P／A （A为土样面积）。随后在下盒上从小到大逐级施加水平力使土样沿着上下盒接触面处受剪切。当水平剪力增至T时土样发生剪切破坏，此时剪应力
τ＝T／A，即为土样法向方向上的抗剪强度
抗剪强度随法向应力而改变，同一种土制备三个相同的土样，分别施加不同的法向应力a1、a2、a3，得出不同的抗剪强度。分别以抗剪强度τ为纵坐标，法向应力a为横坐标。可绘出土样的τ-a关系曲线。
1、排水剪（慢剪）θd、Cd：使土样在垂直压力下，待充分排水固结后再缓慢施加水平剪力，使剪力作用下也充分排水固结，直至土样破坏。例如：粘土层较薄，排水条件较好，施工期较长可能充分固结，采用慢剪试验。
2、不排水剪（快剪）θu、Cu：无论加垂直压力或水平剪力，都必须迅速进行，不让孔隙水排出，即试验过程不让孔隙水消散，例如饱和粘土层较厚，排水条件不好，施工期较短，可采用快剪试验。
3、 固结不排水剪（固结快剪）θcu、Ccu：试样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速施加水平剪力。例如施工期固结已基本完成，但使用过程可能遇到突然荷栽，则可才采用固结快剪法。
以上三种试验方法测得抗剪强度指标，在同一法向应力作用下，但得出不同大小的强度指标：
一般是θu＜θcu＜θd
三轴试验：是用橡皮包封一园柱壮式样，置于透明密封容器中，然后通入液体并加压，使土样各方向上受到均匀的液体压力（即最小主应力），然后在式样两端通过活塞杆逐渐施加竖向压力av，则最大主应力a1=a3+av，一直到式样破坏为止。根据极限平衡理论，此时式样内部应力状态可以用破裂时的最大与最小主应力绘制摩尔圆。同一土样可取三个以上的式样，在不同的围压（最小主应力），和不同的垂直压力作用破坏，并在同一坐标中绘制摩尔圆，这些摩尔圆的包络线既为该土抗剪强度曲线。
一、 土的击实性：在工程建设中经常遇到填土压实的问题。例如：修筑堤坝，挡土墙，基础回填。研究土的填筑特性，常用室内击实试验。
击实试验：把某一含水率的土料填入击实筒中，用击锤按规定落距对土打击一定的次数，即用一定的击实功击土，测其干密度和含水率。同一种多个不同含水率的土样作试验，测得相应的含水率和干密度绘出含水率和干密度关系曲线。即击实曲线。
某一击实功作用下，土在不同含水率时得到不同干密度，当含水率较小时，随着含水率增大，击实后的干密度有所增加；但当含水率较大时，随着含水率增大，击实后的干密度反而降低。在击实曲线可找到一峰值，称为最大干密度ρdmax，与之相对应的含水率，称为最优含水率，它表示在某一定击实功作用下，达到最大干密度时的最优含水率。粘性土最优含水率一般在塑限左右。
工程案例
江西省湖口县双钟圩位于湖口县城城区，呈半月状分布于鄱阳湖出口长江南滩上，圩堤自上石钟山至下石钟山，全长1.21km，是鄱阳湖二期防洪工程15座重点圩堤之一。工程主要由堤防工程、客运交通闸、汽运交通闸、排污泵站等组成，与长江干堤一起共同保护湖口县城，保护区面积2.15km2，保护人口5.4万。
2000年4月9日早晨，双钟圩0+280—0+560m堤段突然发生大面积严重滑塌。据现场测量，最大水平位移约60m，沉降约10m，属深层滑动。
据调查，在此次大规模滑塌前，双钟圩自开工以来，已先后三次发生了小规模的滑动，
位置分别在0+150—0+240m、 0+780—0+840m、 0+325—0+390m堤段附近 。
根据电算及手算结果，两个计算断面的堤防临水坡抗滑稳定安全系数分别为0.993、0.638（手算0.745），均小于1.05，不满足规范要求(根据《堤防工程设计规范》(GB50286—98),对４级堤防，正常运用条件下抗滑稳定安全系数不小于1.15，非常运用条件下抗滑稳定安全系数不小于1.05)，说明边坡处于不稳定状态 。滑弧位置在淤泥层底部，几次滑动也充分验证了上述计算结果。
第二章 土工试验检测项目、方法
一、含水率试验方法
（一）烘干法
1、仪器设备
（1）烘箱：（2）天平：称量200g，分度值0.01g；（3）干燥器，称量盒。
2、试验允许差值
本试验应进行二次平行测定，取其算术平均值，允许平行差值应符合表3-1的规定。
表3-1 含水量测定的允许平行差值
二、密度试验方法
测定密度常用的方法有环刀法、蜡封法、灌砂法、灌水法等。
一）环刀法
1、仪器设备（1）环刀：（2）天平：（3）其他；切土刀，钢丝锯，凡土林等。 、平行试验允许差值
本试验须进行二次平行测定，取其算术平均值，其平行差值不得大于0.03 g/cm3。
（二）、现场坑试法（灌砂法、灌水法）
对含有碎砾石的土层或人工填土层无法用环刀取样，则可在现场测点挖一测坑。挖的同时测其挖出土石的质量和含水率。试坑的大小根据土体的最大粒径来确定，详见后表。对不规则的试坑体积测量，可用不透水的薄膜袋放在坑内，然后向袋中灌水并测所灌水的体积，来确定试坑体积（灌水法），并按定义计算土的密度。也可按灌砂法测定体积（灌砂法）。
三、比重试验方法
土的颗粒比重是土在105~110℃下烘至恒时的质量与土体同体积4℃纯水质量的比值，按照土粒径不同，分别用下列方法进行比重测定：①粒径小于5mm的土，用比重瓶法进行；②粒径大于5mm的土，其中含粒径大于20mm颗粒小于10%时，用浮称法进
行，含粒径大于20mm颗粒大于10%时，用虹吸筒法进行；粒径小于5mm部分用比重瓶法进行，取其加权平均值作为土粒的比重。
（一）比重瓶法
1、仪器设备
（1）比重瓶：容量100（或50）ml；（2）天平：称量200g，分度值0.001g；（3）恒温水槽：准确度±1℃；（4）砂浴：能调节温度；（5）温度计；（6）其它：烘箱、纯水、滴管等。
四、液塑限试验方法
（一）液限塑限联合测定法
1、仪器设备
LP-100型液塑限联合测定仪；锥质量为76g，锥角为30°，读数显示形式宜采用光电式、游标式、百分表式。
六、颗粒分析试验方法
组成土体的颗粒是大小不同粒径的集合体，土粒粒径的大小和级配与土的工程性质紧密相关。土的颗粒分析试验就是测定土的粒径大小和级配状况，为土的分类、定名和工程
应用提供依据。分析的方法有直接法和间接法，对于粒径大于0.075mm的大用筛析法直接测试；对于粒径小于0.075mm的土一般用密度计法和移液管法。
细粒组d≤0.075mm,粗粒组0.075＜d≤60mm，巨粒组d＞60mm。
七、击实试验方法
试验方法的类型：击实试验分轻型和重型两类，轻型试验实用于粒径小于5mm的粘性土，其单位体积击实功能为592.2kJ/m3。重型试验实用于粒径小于20mm的粘性土，其单位体积击实功能为2684.9kJ/m3
九、渗透试验
渗透试验的目的是测定土的渗透系数，土的渗透系数变化范围很大（10-1-10-8），渗透系数的测定应采用不同的方法。
11、 常水头渗透试验适用于粗粒土（砂质土，70型渗透仪）。
22、变水头渗透试验适用于细粒土（粘质土和粉质土，南55型）。
十、人工地基施工质量的检测和控制
第三章 土方野外工程质检与评定标准
1 1、 土料填筑工程质量抽检主要内容为干密度、和外观尺寸，并满足以下要求：
（1）、每2000m堤长至少抽检一个断面；
（2）、每个断面至少抽检2层，每层不少于3点，且不得在堤顶取样；
（3）、每个单位工程抽检样本总点数不少于20个。
2、环刀取土样应在压实层厚的下部1/3处取样，若下部1/3的厚度不足环刀高度时，以环刀底面达下层顶面时环刀取满土样为准，并记录压实层厚度。
二、土方工程评定标准
土堤质量评定按单元工程进行，并应符合下列要求：
1）筑新堤宜按工段内每堤长200m~500m划分一个单元，老堤加高培厚可按填筑量每5000m3划分一个单元。
2）单元工程的质量评定，是对单元堤段内全部填土质量的总体评价，由单元内分层检测的干密度成果累加统计得出其合格率，样本总数应不少于20个。
3）检测干密度值不小于设计干密度值为合格样
4、碾压土堤单元工程的压实质量总体评价合格标准，应按表下表规定执行。
而且必须同时满足下列条件：
1、不合格样干密度值不得低于设计干密度值的96%；
2、不合格样不得集中在局部范围内。
5、土石坝工程土质防渗体合格标准的是
1、不合格样不得集中在局部范围内；
2、设计干密度合格率≥90%；
3、不合格样干密度值不得低于设计干密度的98%
