土工试验及其应用(非常好的岩土工程学习资料)

综合各个规范,介绍土工试验原理、方法及应用,非常好的岩土工程学习资料

7土工试验及其应用

土工试验是土质学和土力学的重要组成部分之一，土工试验指标不仅为土的工程性质作出评价，而且对于建筑物地基的设计和施工提供不可缺少的依据和参数。

很多建筑物的地基都是放在土层上的，如某些隧洞、路堑、地铁等。此外，土还是重要的建筑材料，如修筑堤坝用的土料，混凝土用的砂、石骨料等。因此，必须研究土的各种与工程建筑有关的性质，即土的工程地质性质。土的工程地质性质包括土的物理性质、水理性质、力学性质。我们室内用土工试验来研究它，这就是我们进行土工试验的目的。

现分两部分进行介绍。

第一部分 土质分类

土工试验中首先根据工程要求选择执行的规范规程，不同的规范要求土的分类定名也不同，下面介绍不同规范中的土的分类定名。

一、 按颗粒级配分类

1、按颗粒粒径大小分组

根据国标GBJ145-90《土的分类标准》可把土分为以下几组：

这里需要注意的是工民建将d≤0.002称之为胶粒，而交通部粉粒为0.075≥d>0.002，d≤0.002称为粘粒。

2、砂类土分类

根据国标GB50021-2001《岩土工程勘察规范》将砂类土划分为：碎石土和砂土，即粗粒土。

碎石土分类

砂土分类

《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）、《港口工程地基规范》（JTJ250-98） 《铁路工程岩土分类》（TB10077-2001）、《疏浚岩土分类标准》（JTJ320-96）

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水电部《水闸设计规范》（SL265-2001）等它们的砂类土分类与国标GB50021-2001分类一致。 注：①定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定。

②当砂土中，小于0.075mm的土的塑性指数大于10时，应冠以“含粘性土”定名，如含粘性土粗砂等。

③砂土要计算不均匀系数Cu和曲率系数Cc，

不均匀系数是土粒大小均匀性的一个指标。

Cu d60 d10

d60和d10分别是曲线上小于某粒径百分数为60%和10%的土粒粒径。Cu越大表示级配良好，级配良好的土料是由大小各种颗粒组成的。因此它容易密实。

曲率系数亦是评价砂土均匀性的一个指标。

Cc d30/d60d10

d30为曲线上小于某粒径百分数为30%时所对应的土粒粒径。如果Cu≥5，Cc=1~3时，定该土为级配良好，如不满足上述两个条件，为级配不良好或属均匀的砂。

3、建筑用砂料的分类（GB/T14684-2001）

根据国标《建筑用砂》将建筑用砂料分为：

类 别 细度模数

粗 砂 3.1~3.7

中 砂 2.3－3.0

细 砂 1.6－2.2

MX=(A1+A2+A3+A4+A5+A6)/100

式中MX——细度模数；

A1~A6一依次为4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm方孔筛上的累计筛余百分率（%）。

砂的含泥量：粒径小于0.080尘屑、淤泥和粘土的总含量。

二、按塑性指数分类

1、地基土根据塑性指数将细粒土（粒径小于0.075mm颗粒含量超过总土质量50%的土）划分为几大类，下面列出各种规范中粘性土的分类。

2

说明：①以上塑性指数均由76g圆锥仪入土深度10mm时测定的液限计算而得。

②天然含水量大于液限，孔隙比大于或等于1.0定为淤泥质土。天然含水量大于液限，孔隙比大于1.5定为淤泥

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③执行国标GB50021-2001规范时，花岗岩风化土应根据含砾或含砂量定名。

2、下面三种规范中粘性土的分类定名要复杂一些

《港口工程地质勘察规范》（JTJ240-97）

《港口工程地基规范》（JTJ250-98）

说明：①W——天然含水量（%）；e——孔隙比；MC——粘粒含量（d<0.005mm）。

②执行以上三种规范时，粉土必须做粘粒含量。

③花岗岩风化土应按以下定名：

三、下面介绍用塑性图和颗粒分析联合定名，也即是我们经常说的统一分类法。公路路基土、水库坝址、填土等则用这种定名。根据GBJ145-90《土的分类法》JTJ051-93、《公路土工试验规程》、SL237-1999《水利水电土工试验规程》，其按塑性图和颗粒分析结果将土分为

高液限粘土 WL≥50% IP≥0.73（WL-20）和IP≥10

低液限粘土 WL<50% IP≥0.73（WL-20）和IP≥10

高液限粉土 WL≥50% IP<0.73（WL-20）和IP<10

低液限粉土 WL<50% IP<0.73（WL-20）和IP<10

粘土质砂 IP≥0.73（WL-20）和IP≥10

粉土质砂 IP<0.73（WL-20）和IP<10

……

液限采用76g锥入土17mm的含水率或公路规范用100g锥入土20mm时含水率。

注：以上定名可能含有前缀——含砾、含砂、有机质。用这种方法定名必须要做筛分。详细

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定名上面几本规范规程中都有介绍。

四、水电部《水闸设计规范》SL265-2001土分类有要求用三角形定名的，这就要求每组样品都要做颗粒分析到d<0.005mm粒径。总之，做试验时，要清楚用什么规范定名，不清楚时一定要与委托方联系。

第二部分 土工试验方法及其原理和应用

一、土的物理性质试验

土的物理性质是指土本身由于各个组成部分（固体、水、气）的比例和排列不同所表现的自然物理状态。如轻重、干湿和松密等。土的物理性质试验包括：粒度分析、比重、含水量和密度试验等。

1． 土的物理性质试验

1． 1颗粒分析试验

颗粒分析就是用试验的方法求出小于某种粒径的颗粒所占质量的百分数。

1．1． 1试验目的

以便了解土粒组成情况，并作为砂类土分类的依据及供给土工建筑物选料之用。

1．1．2试验方法

大致可分为筛分析法和沉降分析法。沉降分析法又有密度计法、移液管法等。

对于粒径大于0.075mm的土应用筛分法，而粒径小于0.075mm的土则用密度计法或移液管法。

（一） 筛分法

利用一套不同孔径的标准筛直接把土分离出与孔径相应的几个粒组，求其百分含量。

1． 仪器设备

所用圆孔直径为60、40、20、10、5、2、1、0.5、0.25和0.075mm的分析筛一套及称量1000g、感量0.1g的天平等。

其中≥2mm的筛称之为粗筛，≤2mm的筛称之为细筛。

2． 计算公式及曲线

X mAdx mB

X—小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比（%）；

mA—小于某粒径的试样质量（g）；

mB—筛析时的试样总质量（g），即干工总质量；

dx—粒径小于2mm的试样质量占总质量的百分比（%）。

将颗粒粒径为横坐标（对数），小于某粒径的百分含量为纵坐标绘制单对数曲线（如图1） 分别求出各粒径组的百分含量，并依据相应规范对砂土进行定名。

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3． 试验要点

① 总土质量一定要有代表性，且用四分法取干土样。

最大粒径＜2mm，取±100~300g；

最大粒径＜10mm，取±300~1000g；

最大粒径＜20mm，取±1000~2000g；

最大粒径＜40mm，取±2000~4000g；

最大粒径≥40mm，取±4000g。

② 无论是全筛还是缩分过筛都要每级筛干净，将试样过2mm筛，称筛上和筛下的土样

质量。当筛下的试样质量小于试样总质量的10%时，不作细筛分析，筛上的试样质

量小于试样总质量10%时，可不作粗筛分析。

（二） 密度计法

密度计法是将一定量（通常取30克风干土）的土样加水浸泡约24小时的悬液过0.075mm筛，过筛后的悬液放入量筒中，加水制成一定量的土悬液（1000ml），经过搅拌，使土的大小颗粒在水中均匀分布，成为均匀浓度的土悬液，静止悬液，让土粒沉降，在土粒下沉过程中用密度计在悬液中测读出对应于不同时间的不同悬液密度，根据密度计读数和土粒的下沉时间，计算出小于某一粒径的颗粒占土样总质量的百分数。

1． 仪器设备

甲种密度计、量筒、搅拌器、温度计等。

2． 计算公式

① 按下式计算小于某粒径土占总质量的百分比：

X 100CG(Rm T) md

式中CG—土粒比重校正系数，查表可知：

Rm——密度计读数，；（有时要考虑弯液面和分散剂影响）

T—温度校正值，查表可知；

md—干土质量（g）。

② 按下式计算土粒直径：

d 1800 LL K(G3 Gwt) w4gtt

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式中d—试样颗粒粒径（mm）；

η—纯水的动力粘滞系数，与温度有关，查表；

GWT—水的密度，与温度有关，查表可知；

ρW4—温度4℃时水的密度（1g/cm3）；

g—重力加速度（981cm/s2）；

L—某一时间内土粒沉降距离（cm）；

t—沉降时间（s）；

K—粒径计算系数，与土的比重和水的温度有关，可查表得知。

颗粒粒径分配曲线的绘投制同筛分法一样，当密度计法与筛析法联合分析时，应将两段曲线联接处绘成光滑曲线。

3． 试验要点

① 如过0.075mm的悬液澄清，一定要加分散剂，如六偏磷酸钠浓度4%加10ml。

② 一般要用纯水（蒸馏水或离子交换水），如对试验无影响可取地下水或自来水。

③ 画图时曲线要光滑，反S形，允许抛点，但尽量分界点要吻合。

1．3 颗粒分析的应用

在大量土建工程中，土被作为建筑材料或地基所利用，在自然界中土是极其复杂和多变的。土的分散度与其矿物成分有着密切的联系，因为土的分散度在很大程度上反映土的矿物成分，而土的分散程度达到一定的条件（量变过程），就会引起土的性质的显著变化（即质量），这种变化大都反映在土的可塑性、透水性、胀缩性、压缩性和强度稳定性等方面。

大多土的描述和分类都以土粒大小和组成含量作为依据，这是描述土的最简单亦是最主要标准。

1、粒径级配曲线法是表示土的粒度成分的比较完善的方法。在单对数纸上可以绘制粒径级配曲线，从曲线上确定各种粒径的大小和它们所占的百分数，可以进行土的分类。

2、判定地震液化亦需要粒度分析

对于饱和粉、砂土如果小于0.005mm的粘粒含量不小于10%、13%和16%时可判定为地震7度、8度和9度时不液化土。（此时试验时一定要加分散剂）。

3、评定膨胀性指标

如果膨胀土评定其膨胀性指标A（活动度）时，亦要求出粒径小于0.002mm的胶粒含量A Ip

P0.002

4、估算砂土的渗透系数K

2 (cm/s) K Cd10

式中C—系数，其值为100~150；

d10—有效粒径，小于某粒径的百分数为10%时的土粒直径。

1．2 土的比重试验（亦称颗粒密度）

土的比重是指土在温度100~110℃下恒重时的质量与同体积纯水在4℃时质量的比值，它是无量纲的。

比重准确来讲应该是一个相对密度的概念。因为用惯了，故暂时保留“比重”这个名称。

3而颗粒密度是土固体部分的单位体积质量。颗粒密度是有量纲的，单位g/cm。

1．2．1 试验目的

测定土的比重，为计算土的孔隙比、饱和度以及为其他土的物理力学参数（如颗粒分析的密度计法试验，压缩试验等），提供必要的依据。

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1．2．2 试验方法

土中小于粒径5㎜的土用比重瓶法；若土中含有粒径大于5㎜的土，且其中大于20㎜颗粒含量小于10%时用浮称法；而大于20㎜颗粒含量大于10%时用虹吸筒法；最后取其加权平均值作为土粒的比重。

因为试验室中大量接触的是粒径小于5㎜土，故我们只介绍比重瓶法。

1、仪器设备

比重瓶、恒温水槽和抽气泵、砂浴及称量200g，感量0.001g天平等

2、计算公式

Gs md GIt (计算至0.01) mbw md mbws

式中mbw—比重瓶，水总质量（g）；

mbws—比重瓶、水、土总质量（g）；

Git—T℃时纯水或中性液体的比重。水的比重可查表；中性液体的比重应实测，称量应精确至

0.001g。

比重是无量纲的，每个土样须进行两次平行测定，求其算术平均值，两次测定的结果之差应不超过0.02。

与比重对应的颗粒密度计算公式为

s md wt （g/cm3） mbw md mbws

3、试验要点

①排除土中空气可用煮沸法或真空抽气法两种，当土样内有机质含量超过10%时一定要用真空抽气法。

②所加水一定要用纯水，如含有大于0.5%的可溶盐或大于5%的有机胶质的土用煤油等中性液体代替纯水。

③用真空抽气法抽气时真空度须接近一个大气压，即100kPa，抽气时间一般为1至2小时，直至土中气泡逸出。

④比重瓶瓶水质量一定要定期校正。

1．2．3 比重的应用

土粒比重只取决于矿物成分的轻重，而与土的松散、干湿无关。

一般土矿物成分的比重相差不大，故土粒比重值一般在2.60~2.80之间，尤以2.65~2.75最为常见。随着土中有机物含量的增多，土粒比重就减少；含铁镁矿物较多时，土粒比重则增大。

土粒比重只作为计算其他指标用，所以有经验的地区可根据实际情况估算其数值。

1．3 密度试验

土的密度（原称容重）是指土的单位体积质量。

1．3．1 试验目的

测定土的密度，以了解土的疏密和干湿状态，供计算土的其他物理性质指标和工程设计以及控制施工质量之用。

通常所指的密度是指湿密度（天然密度）ρ，除此还有干密度ρd、饱和密度ρsat和浮密度ρ’。

1．3．2 试验方法

有环刀法、蜡封法、密度湿度计法及灌砂沙法等。

我们试验室经常遇到的是环刀法。

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1、仪器设备

环刀、刮土刀及称量200g、感量0.01g的天平等。

2、计算公式

d m土和环刀 m环刀

V环刀 （计算至0.1g/cm3）

每一土样，须作二次平行测定，取其算术平均值，平行差值不得大于0.03/cm3。

3、试验要点

用环刀切取试样时，应在环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上，将环刀垂直下压，并用切土刀沿环刀外侧切削土样，边压边削至土样高出环刀，用钢丝锯整平环刀两端土样，擦净环刀外壁，称环刀和土的总质量。

1．3．3 密度的应用

1、干密度 d

d

1 0.01W

max 经常用来控制施工质量之用，如在填土中用它和最大干密度 之比为压实系数 1，来评

价土的密度程度。

2、重力密度（重度）和浮密度

土的重力密度乘以土的厚度来计算土的自重压力P0。

P0=N·h （kPa）

其中重力密度N=ρ·g（kN/m3）

h为土层厚度（m）

g为重力加速度（9.81m/s2）

如果土在地下水位以下要用浮密度乘以重力加速度再乘上土的厚度来计算土水下部分自重压力。

浮密度 ' w 根据土的自重压力及其他力学指标可以计算档土墙土压力和边坡稳定性评价。

1．4 土的含水率试验

土的含水率（也称土的湿度，曾称土的含水量）是土在100~110℃下烘到恒重时失去的水分质量与达到恒重时干质量的比值。以百分数表示。

1．4．1 试验目的

测定土的含水率以了解土的含水情况，供计算土的孔隙比，液性指数、饱和度和其他物理性质指标而不可缺少的一个基本指标，亦是土工建筑物施工质量控制的重要依据。

1．4．2 试验方法

有烘干法，酒精燃烧法，红外线法及碳化钙气压法等。我们最常用的为烘干法。

1、仪器设备

烘箱、铝盒与称重为200g，感量为0.01g的分析天平等。

2、计算公式

W m(湿土 盒) m(干土 盒)

m(干土 盒) m(盒) （计算至0.1%）

本试验须进行两次平行测定，取其算术平均值，其允许平行差依含水率大小而定。

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含水率（%） 允许平行差值（%）

＜40 1

≥40 2

3、试验要点

①一定用取具有代表性的土样做含水率试验，经常是取压缩试样削下来的余样。

②烘箱温度要控制在100～110℃，烘干时间细粒土不少于8小时，粗粒土不少于6小时。温度过低起不到烘至恒重的作用，而温度过高（超过110℃）会连土中的结晶水亦一起烘掉，影响试验质量。

③对有机质含量超过5%或含挥发物质的土应将温度控制在65～70℃，否则有机物部分燃烧使得试验结果偏高。

1．4．3 含水率的应用

土的含水率的变化能使土的物理力学性质发生一系列的变化。反映在稠度方面，成为半干硬的、可塑的、或流动的土；反映在潮湿程度方面，成为稍湿的、潮湿的或饱和土；反映在力学性质方面，可使土的结构强度增加或减少，紧密或疏松，造成土的压缩性与稳定性上的差异。

含水率指标，对于软土是直接查承载力表的重要依据（广东省标准DBJ15-31-2003《建筑地基基础设计规范》）。

1．5 土的组成和基本物理指标以及相互间的关系。

土是由固体颗粒、孔隙中的水分和空气三相组成。其中每种成分的质量、体积的相对比例有增减，都会引起土的物理力学性质的变化。为了便于说明各物理性质指标定义和它们之间的相互关系，习惯地采用所谓三相草图来表示（如图2）。

以上介绍了土的物理性质的三个实测的基本指标：比重Gs、含水量W、密度ρ。现在我们介绍由以上三个指标而换算出的几个重要的物理指标。

1．5．1孔隙比和孔隙率

土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比，经、以小数表示：

e Va VwVv VsVs

土的孔隙率是土中孔隙体积与土的整个体积之比，以百分数表示（亦称孔隙度）。

n Va VwV 100 v 100 VV

1、ρ、G和W与e的关系

设土体内土粒体积Vs=1，则孔隙体积Vs=e，土粒质量ms=土粒密度ps，并且在数值上也等于土粒比重Gs。

水的质量mw=w · ms，所以mw=w · Gs

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根据密度定义得出

mms mwGs W GsGs(1 w) vVs Vv1 e(1 e)

Gs(1 w) 1 （这里W用小数表示） 所以e

又因为干密度 d

1 W则e Gs

d 1

2、孔隙比与孔隙率的关系

根据以上假设、土的体积V=Vs+Vv=1+e 于是孔隙率n Vve V1 e

3、几点说明

①孔隙率这个指标反映了土中孔隙的多少，由于土的结构发生改变（如土受外力压缩）时，土的体积（V）和孔隙体积（Vv）也随之改变，因而孔隙率（n）无法反映孔隙体积的变化情况，所以土的孔隙性一般采用孔隙比（e）说明。

土的孔隙比愈大，说明土中孔隙总数愈多，土愈疏松、强度愈小、愈易压缩，所以据此DBJ15-31-2003《建筑地基基础设计规范》中将（e）作为粘性土、粉土提供承载力的一个指标。

②在砂土中往往是根据最大孔隙比、最小孔隙比和天然孔隙比（e）求出相对密实度来评价砂土的密实程度。

Dr emax e emax emin

0＜Dr≤0.33 松散

0.33＜Dr≤0.67 中密

0.67＜Dr≤1 密实

砂土的孔隙比与其力学性质有着密切的关系，只以它的天然孔隙比大小来决定其密实程度是不够的。两种具有相同孔隙比的砂土，因其颗粒形状、排列形式、级配等情况的不同，很难具有相同的密实度。因此，对于每一种砂土来说，颗粒间可能达到的最密实排列和最松散排列的孔隙比，即可认为是该砂土密实程度的上下极限。对于天然状态的砂土可根据其天然孔隙比在上下极限之间排列的相对位置以确定其实际的密实程度。

1．5．2 饱和度（Sr、）

指土体孔隙中被水充满的程度。或者是土体中水的体积与孔隙体积之比，以%表示。

Sr Vw 100 Vv

1、W、Gs和e与Sr的关系

据以上的假设，土粒体积Vs=1，则VV=e，土粒质量ms=ρs=Gs×1。

孔隙中水的质量mw=w·ms=w·Gs×1

因为 w 1，所以Vw

W Gs w W Gs

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故有Sr VwW Gs Vve

2、说明

从饱和度的定义我们可知，Sr不会超过100%，我们以前提过土的含水率为土中水的质量与土中颗粒质量之比：

W=（mw/ms）·100%

从以上可知含水率只能说明孔隙中水的绝对数量，不能表示孔隙中水的充满程度，而用饱和度（Sr）来说明孔隙中水的相对含量。

Sr愈大，说明土孔隙中含水愈多，根据Sr可将土划分为：

Sr≤50% 稍湿的

50＜Sr≤80% 很湿的

Sr＞80% 饱和的

二、土的水理性质试验

土的水理性质是指土粒与水相互作用所 表现的性质，如可塑、膨胀、透水性等。土的水理性质试验包括：土的液塑限、膨胀、收缩及渗透试验等。

2．1土的界限含水率试验

随着含水率的变化，粘性土可处于不同的状态，如固体状态，可塑状态和流动状态。粘性土的这种由于含水量的不同而表现出不同状态的特性称为稠度，通俗地说，就是土的稀稠程度。而各种状态的分界用界限含水率来表示。

粘性土的稠度和稠度界限

稠度 特征 稠度界限

流态 土具流动性质、难维持一定形状

液限

塑态 土具塑性性质，可塑成任何形状

塑限

半固态 土近似固体，能保持一定形状

缩限

固态 土具固体性质，具一定形状和大小

土的界限含水率亦称阿太堡限度（Atterberg）

对工程来说，有实用意义的主要是液限（流限），塑限和缩限。液限是可塑状态的上限，也就是土的流动状态和可塑状态的界限含水率；塑限是可塑状态的下限，也就是土的可塑状态与半固体状态界限含水率，含水率低于缩限时，水分蒸发时的体积不再缩小。

2．1．1 试验目的

测定土的液、塑限时含水率，用以计算土的塑性指数和液性指数与活动度，作为粘性

土的分类以及估算地基承载力等提供依据。

2．1．2 试验方法

液限试验有落锥法、碟式仪法和液塑限联合测定仪法；

塑限试验有搓条法和液塑限联合测定仪法。

1、液塑限联合测定仪法。

液塑限联合测定仪法是锥式液限仪的一种发展。锥体质量76g ，锥尖角为300，锥体的下沉采用自动落锥法，下沉深度用光电反射投影读出。

通过调制三个不同含水率的土样，拌匀后分别装入试杯中，分别测定不同含水率下的锥体贯入深度（一个接近10mm，一个接近2mm，另一个介于两者中间），绘制双对数关系曲线。（如

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图3）

在通常情况下，三点应在一直线上，否则通过高含水率的点和另外两点连成二条直线，在下沉为2mm处查得相对应的两个含水率，当两个含水率的差值小于2%，应以两点含水率的平均值与高含水率的点连一直线；如两个含水率之差大于或等于2%，则要重新试验。

根据关系曲线可查得贯入10mm的含水率为液限，又根据国内专家们大量试验表明，锥体下沉至2mm时的含水率为塑限。

2、试验要点

①液塑限试验应采用有代表性的颗粒粒径小于0.5mm的原状土（为了减少人为因素），但在实际操作中经常有大于0.5mm的颗粒，所以对土样要进行风干筛分、研碎，允许用风干土样经人工浸润24小时以上。对某些有机质含量较高的土样，应风干或用低温（65～70℃）进行烘干。

②关于锥体的下沉时间，原则上按以5秒为下沉读数时间。

对中、高液限的粘性土锥体沉入后能在较短时间内稳定，而对于低液限的粉土和砂质土，由于锥体作用下土体将发生排水（水分转移），而导致下沉与时间有关，并且锥体周围的含水率不一定能代表整个试样的含水率，所以这时要细心观察，反复多做几次，把误差减到最小。我们在实际操作中往往存在接近液限10mm的点容易做好，而接近塑限2mm的点很难做的情况，这时就要凭大家的经验来摸索了。

③液限试验的标准各有不同

0通用的锥形液限仪，锥尖角为30，全重76g，在自重力作用下贯入土中深度为10㎜时对应

的含水率为液限，这以建设系统为代表。

根据专家们试验表明，锥形液限仪锥尖贯入深度为17㎜时的含水率接近于美国ASTM标准中蝶式液限仪所确定的液限，所以我们国内有分入土10㎜时的液限和入土17㎜时的液限，如不特别说明，即为入土10㎜时的液限，而入土17㎜的液限以水电部为代表。

0根据我国交通部有关试验标准规定，锥形液限仪锥尖角为30，锥体全重100g，贯入土中深

度为20mm时对应的含水率为液限。实际上它等同于76g锥入土17㎜的液限。

0英国BS1377采用锥形液限仪，锥尖角为30，锥体全重为80g，入土深度为20㎜对应的含水

率为液限。

④塑限试验的标准与方法，在国内外还是比较统一的，即采用搓条法。（液塑限联合测定仪法入土2㎜塑限等同于搓条法的塑限）。

当土条直径搓到3㎜时产生龟裂和断裂现象，此时的含水率为塑限。

⑤有机质土的判别——将试样放在105～110℃的烘箱中烘烤，若烘烤24h后试样的液限小于

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烘烤前的四分之三，该样为有机质土。当需测有机质含量时，则按有关规范执行。

2．1．3 试验应用

土粒的分散程度愈高，即颗粒愈细，孔隙水中阳离子的浓度和离子价愈低，结合水膜愈厚，土的可塑性愈大。因此土的可塑性愈大表明土的粘粒含量愈高，这就是粘性土用可塑性法分类的主要理论依据。

1、塑性指数及土的分类

IP=WL-WP （无量纲，取整数）

①如果将土作为地基土考虑，国内多个部门都将76g锥入土10㎜时的含水率定为液限而参加塑性指数计算，根据塑性指数进行土的分类。

②另外国外学者斯开普顿（1955年）指出，塑性指数取决于粘粒含量（小于2μm的粘粒百分数），并指出，塑性指数与粘粒含量之间的比值是常数），这一常数称为活动度A。不同的土有不同的活动度，任何一类土，活动度差不多一样。

A Ip

P0.002

式中P0.002—土中粒径＜0.002㎜的颗粒含量（%）

IP计算时WL必须用76g锥入土17㎜时的液限。

根据活动度，将粘土分为：

不活动粘土 A＜0.75

一般粘土 0.75≤A＜1.25

活动性粘土 1.25≤A＜2.00

高活动性粘土 A≥2.00

活动度A是评价膨胀土的一个重要指标。

2、液限性指数及其应用

IL W Wp

Ip（无量纲，取小数点后两位）

①按液性指数划分土的状态（GB5007-2002）

坚硬 IL≤0

塑硬 0＜IL≤0.25

可塑 0.25＜IL≤0.75

软塑 0.75＜IL≤1

流塑 IP＞1

②根据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)花岗岩类风化土计算液性指数时要进行细粒土（粒径d<0.5mm）含水率校正。

因为残积土中所含粗颗粒，在制备液限试样时常被筛除，仅用其中的细粒部分测其稠度界限；不能代表这种土的稠度状态。又因测定天然含水率时，包含了粗粒部分，使得测定稠度界限和测定天然含水率所用的土组成不同，故计算的相对稠度（或液性指数）不能代表原土的稠度状态，因此对花岗岩类风化土或其它含粗粒的土应增作细粒土（粒径＜0.5mm部分的含水率Wf校正液性指数IL。

Wf W WA 0.01P0.5 1 0.01P0.5

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IL WL WP IP

式中WA—土中粒径大于0.5mm颗粒吸着水含水率（%），可取5%～15%（国标5%，省标15%），或实测。

P0。5—土中粒径大于0.5mm颗粒的含量（%）

另外，液性指数是查承载力的一个重要指标。

2．2 土的胀缩试验

粘性土具有浸湿体积膨胀、干燥体积缩小的性质，我们称为膨胀性和收缩性。

一般粘性土的膨胀和收缩不很明显。当含有亲水性强的矿物（如伊利石、蒙脱石等）或粘粒含量较多时，则膨胀、收缩显著。

另外，粘性土浸水后土粒连结被削弱、破坏，而最终使土体崩散解体的性质称为崩解。崩解是膨胀的一种特殊情况，一般原始含水率小而砂粒含率较高的粘性土较易崩解。

2．2．1 试验目的

土的强烈膨胀，将影响建筑物场地和边坡的稳定性，某些粘性土由于具有强烈的膨胀性，可利用作为防渗材料；土的强烈收缩对建筑物有不良影响，研究土的胀缩性，对了解地基变形和边坡稳定以及评价作为填土的适合性等，都有实际意义。

2．2．2 试验方法

土的胀缩试验有土的膨胀试验、收缩试验和崩解（湿化）试验等。

而膨胀试验又包括自由膨胀率试验，无荷载膨胀率试验、有荷载膨胀率试验和膨胀力试验等。 最常见的亦是定性评价膨胀性为自由膨胀率试验。

1、土的自由膨胀率试验

自由膨胀率是指松散干燥土浸水膨胀后增大的体积与原始体积之比值。

ef Vwe V0 100（单位%，计算至整数） V0

本试验应进行平等测定，取其算术平均值，当δef ＜60%时，平行差值≤5%；δef ≥60%时平行差值≤8%。

2、试验要点

①试验量筒（一般是50ml）一定用经过刻度校正。

②取0.5mm以下的干燥土进行试验，且两次称土10ml体积时的质量差值≤0.1g；

③向量筒内加入5ml浓度5%的NaC1溶液（如果量筒为50ml）（起凝固剂的作用）。

2．2．3 试验应用

根据国标《膨胀土地区建筑技术规范》GBJ112－87将膨胀土的膨胀潜势分类如下： 自由膨胀率（%） 膨胀潜势

40≤δef ＜65 弱

65≤δef ＜90 中

δef ≥90 强

自由膨胀率指标虽然不具有膨胀土的原结构，也不存在附加荷载与侧限等模拟各条件，但国内外仍然应用这一指标来粗略的判识土的一般膨胀趋势，并且作为膨胀土的初步定性判别指标。国标《膨胀土地区建筑技术规范》GBJ112—87中规定：“当场地裂隙发育，在自然条件下呈坚硬或硬塑状态；多出露于二级或二级以上阶地、山前和盆地边缘丘陵地带；常见浅层塑性滑坡、地裂；建筑物裂隙随气候变化而张开和闭合的情况下，且自由膨胀率大于或等于40%的土，应判定为膨胀土。”

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我们广东地区的膨胀土常见于花斑粘土和花岗岩类风化土地区。在这些地区如自由膨胀率δ

，液性指数较低时，就要根据地表的野外情况考虑是否膨胀土。 ef＞40%，液限较高（＞40%）

2．3 土的渗透试验

土的渗透为水流通过多孔介质（孔隙）的现象，据达西定律（H. Darcy）若土中渗透水流属于层流，则渗透速度与水力坡降（H）成正比。当水力坡降等于1时的渗透速度，称为土的渗透L

系数。

2．3．1 试验目的

测定砂性土和粘性土的渗透系数以提供估算建筑物地基在排干基坑积水时所用排水设备；建筑土坝时选用的土料考虑到的渗水量；以及从渗透系数可以计算固结系数，从而验算建筑物地基在荷重作用下固结时间等。

2．3．2 试验方法

根据不同土质可分别用不同方法。

砂性土可采用70型试验仪法（基姆式渗透仪）和土样管法（卡胆斯基管）；

粘性土可采用南55型渗透仪法和加荷渗透法（渗压试验仪）。

我们常用的南55型渗透仪法又分为变水头和常水头法。

（一）计算方式

1、变水头法（适用于k 10 4~10 7cm/s的土）

K20 2.3alh1 h T （cm/s） lg Ath2 h 20

式中 a——变水头管断面积（㎝2）；

L——试样长度（4㎝）；

A——试样面积（30㎝2）；

t——水头自h1降到h时经过时间（s）；

△h——毛细水上升高度(cm)，可实测或估算 △h=0.15

a；

T——水的动力粘滞系数之比，可查表； 20

K20——标准（20℃）时试样的渗透系数（㎝/s）。

2、常水头法（适用于K≈-4㎝/s的土）

K20 1 （㎝/s） Aht 20 L

式中θ——经过时间t的渗水量(cm3)；

h——平均水位差(cm)。

允许误差范围同变水头法一样。当K20=A×10-n时A的最大值与最小值之差≤2；

在测得的结果中，取几个合格数据（3个以上）求平均值，计算至0.01×10-n。

（二）试验要点

1、开土时一定要小心，不允许用刮刀在试样表面反复刮；不允许水从环刀与土之间人为的孔隙中流过，以免产生假象。

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2、供水瓶内的水应是事先用抽气或煮沸过、进行脱气的纯水。

3、土在做试验前要进行饱和。饱和方法很多：

①浸水饱和法：适用于砂类土；

②毛细管饱和法：适用于K＞10-4㎝/s土；

③抽气饱和法：适用于K≤10-4㎝/s土，（如土结构性较弱，不应采用）；

④水头饱和法：对粉土、砂类土应直接在仪器内以水头饱和。

4、在变水头试验中，开始和终了水头之差一定要控制在20㎝之上，如果渗透性很差的土也要有10㎝的水位差。

5、当测定水平向渗透系数KH时，环刀的切土方向应横向进行。

6、对于极弱透水性（K＜10-7㎝/s）的土难以按有限的水头压力的变水头法测定渗透系数，我们可根据固结系数Cv来估算；而对于极强透水性（K＞10-4㎝/s）的土亦不能用常水头法试验。可用70型渗透仪法等，或根据有效粒径d10估算。

3．3 试验应用

土的渗透系数主要取决于土的孔隙特性（大小、形状、数量和连通情况等）。砂、砾石类土的渗透系数较大，粒度成分起着重要作用，这是因为粒度成分在极大程度上决定了砂砾石类土的孔隙大小、形状和孔隙度等特征。而粘性土渗透系数较小，主要是由于结合水膜的存在，一方面它使土中原先不大的孔隙变得更小，同时，由于水膜的粘滞阻力使重力不能自由通过，从而影响重力水的渗透能力。

根据土的渗透系数将土分为相对的隔水层和透水层。

粘土 K＜1.2×10-6㎝/s 透水性较差

粉质粘土 K=1.2×10-6～6.0×10-5㎝/s 透水性稍差

粉土 K=6.0×10-5～6.0×10-4 透水性稍好

砂土 K＞6.0×10-4 透水性良好

三、土的力学性质试验

土的力学性质是指土的外力作用下所表现的性质，如压缩变形、剪切破坏等。土的力学性质试验包括：固法试验的试验方法及其原理和应用。

3．1 土的固结试验

地基土在外荷载作用下，水和空气逐渐被挤出，土的骨架颗粒之间相互挤紧、封闭，气泡的体积亦将减少，因而引起土层的压缩变形；土的这种受压缩的过程称之为土的固结。

固结试验是将天然状态下原状土样或人工制备扰动土制备成一定规格的试件，然后置于压缩仪内，在不同荷载和在有侧限的条件下，测定其压缩变形。

3．1．1 试验目的

通过试验测定土的压缩系数av、压缩模量Es、体积压缩系数mv、压缩指数Cc、回弹指数CS、垂直向固结系数CV、水平向固结系数CH以及先期固结压力Pc等各项固结试验指标，可用来分析、判别土的固结特性和天然土层的固结状态，计算土工建筑物及地基的沉降，估算区域性的地面沉降等。

3．1．2 试验方法

固结试验根据工程的需要，可进行如下试验：

（1）标准固结试验；

（2）快速固结试验；

（3）固结系数的测定（又分为垂直向和水平向固结系数）；

（4）先期固结压力的确定（又分为回弹和不回弹试验）。

（一）标准固结试验

标准固结试验是以每级荷重下固结（一般粘性土50kPa、100 kPa、200kPa 和400 kPa；软

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土25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa和400kPa）24小时或每小时固结变形不超过0.01㎜作为相对固结稳定标准，通过e—p曲线计算求得土的av、Es和mv等。

1、仪器设备

一般的低压（≤800 kPa）的杠杆式、磅称式或气压式固结仪即可。

2、计算公式和曲线

（1）初始e0 Gs(1 0.01w)

1（计算小数点后3位）

（2）某级荷重下压缩稳定后孔隙比

ei eo (1 eo) hi ho

ei ei 1（单位Mpa-1，计算到小数点后2位） p1 1 pi

1 eo（单位Mpa，计算到小数点后2位） av

（公路标准e0改为ei） 式中：△hi为减去仪器变形量后的土压缩量（㎜） （3）av （4）Es

（5）mv a1 v（单位Mpa-1，计算到小数点后2位）

Es1 ei

根据计算可绘制e—p曲线（见图4），可在曲线上选任何压力段所对应的孔隙比（一般选100、200 kPa压力段），则可计算av、Es等。

3、试验要点

（1）透水石要经常清洗，其直径略小于试样直径，做试验时要浸湿；

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（2）加荷时一定要轻轻加，不能用力冲击；试验压力不小于400kPa；

（3）仪器要定期校正，包括精度，灵敏度和仪器变形量等；

（4）如果原状土已达到饱和状态，允许天然状态下进行固结试验，但试验过程中要采取措施防止水分散发；否则要样品加水饱和，以模拟其实际情况。

（二）快速固结试验

是对沉降计算精度要求不高，透水性较好的土采用的试验方法。以每级荷重下固结1小时作为稳定标准，最后一级荷重延长至24小时，并以等比例综合固结度进行修正，通过e—p曲线以求出土的av、Es等。

ei e0 (1 eo) hiK h0

( hn)T综合固结度校正系数 ( hn)t式中K

( hn)T——减去仪器变形量的最后一级稳定后（24小时）的土的压缩量

( hn)t——减去仪器变形量的最后一级稳定1小时时的压缩量。

其他皆同标准固结试验，从略。（水电部规程和公路规程有此方法）

（三）固结系数的测定

又分水平方向和垂直方向固结系数的测定（主要在于排水方向不同）。对于层理构造明显的软土（如淤泥和砂石互层）需测定水平方向的固结系数CH，但测定时须备有水平向固结的径向多孔环刀，环的内壁与土样之间应贴有滤纸，水平向固结压力可按垂直向固结压力乘以静止侧压力系数K0而求得。

固结系数的试验实际上在某级荷重下测定时间与变形关系。某级加荷后时间按6″、15″、1′、2′15″、4′、6′15″、9′、12′15″、16′、20′15″、25′、30′15″、36′、42′15″、49′、64′、81′、100′和24h，通过测定沉降速率，求出t90，计算某级压力下Cv及CH，估算出土的有荷渗透系数Kv和KH。

1、仪器设备

固结仪同常规试验，秒表，最好是微机数采系数配合。

2、计算公式及曲线 0.848h2

垂直向固结系数Cv （单位cm2/s，计算至3位有效数字） t90

0.335R2

水平向固结系数CH （cm2/s） t90

式中h h1 h2最大排水距离，等于某级荷重范围内试样初始与终了高度的平均值之一半。 4

R——径向排水距离，即试样半径3.09㎝；

t90——固结度达90%时所需时间（S）。

（土体在某一压力作用下，经过某时刻t的变形量与其最终变形量之比叫固结度）

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如图绘制R 曲线，延长此曲线开始段的直线，交纵坐标轴于ds（理论零点），过ds绘另一直线，令其横坐标为前一直线横坐标的1.15倍，则后一直线与R 曲线交点所对应的时间就是90，其平方即为t90。

3、试验要点

（1） 关于制样：垂直向固结系数和水平向固结系数测定皆为垂直取样，但水平向

固结系数一定用多孔环刀；

（2） 关于加滤纸：对于垂直向固结试样上下要加有滤纸，对于水平向固结试样周

围加有滤纸。这样有利于固结排水。（实际上固结过程亦就是排水渗透的过

程）。

（3） 关于加压：垂向固结加压与标准固结（压缩）一样，加压的最大荷重要超过

土的有效自重压力与附加压力之和，并测计此时的固结系数CV；而同一层位

的水平固结压力为垂向固结压力乘以静止侧压力系数K0（即达到K0条件：在

增加垂直压力 1时，使围压 3按K0 1增加），垂向和水平的固结皆为垂直

加压。

4、关于排水（渗透）方向：（见图6）

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垂直固结为单向固结垂直向（双向）排水，水平固结为单向固结径向（多向）排水。

5、根据固结理论，当试样压缩到固结度 =100%时d100就该稳定（是个常数），可是，实际上试样仍在继续变形。为此，把符合固结理论过程为主固结阶段，而把继续发生变形的过程称为次固结。或者称为土的蠕变。（一般粘性土在荷重作用下产生的体积变化由两部分组成；一部分是由于有效应力的增加而产生的，一般称为主固结；另一部分是在不变的有效应力作用下产生的，称为次固结。） 次固结指数Ca

e1 e2

1gt2 1gt1

如图7，绘制e—lgt曲线，在主固结完成后还继续压缩变形，这种通常称为次固结变形，该孔隙比与时间对数关系近似一条直线，其斜率称为次固结指数Ca。

（四）先期固结压力的确定

土的先期固结压力是反映地质历史形成过程中土所承受的最大有效压力，土的先期固结压力测定试验的最后一级荷重，应大于估算先期固结压力或自重压力的5倍以上（对于软土最少要1000kPa），以每级荷重下固结24小时或每小时固结变形≤0.01作为相对固结稳定标准，通过试验绘制e-lgP曲线。该曲线有一个较明显的转折点，在此点之前，当外荷重增加时，变形较为微小，超过此点后，变形量突增。此点所对应的应力通常称为先期固结压力为Pc；另外还可以计算土的压缩指数Cc；如果做回弹试验可求得回弹指数Cs。

1、仪器设备

起码具备中压固结仪（最大压力1600 kPa），如果是硬质土应在高压固结仪上试验（最大压力不小于3200 kPa）。

2、计算公式及曲线

Cc（或Cs）=ei ei 1 （无量纲，计算到小数点3位） 1gPi 1 1gPi

式中CC—压缩曲线直线段斜率；

Cs—回弹滞回圈两端连线斜率。

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用“C”法（即卜萨格兰特Casagrande）确定先期固结压力PC。

如图8，绘制图e—1gp曲线，在曲线的圆弧段找出最小曲率半径的O点，O点是通过圆弧段内作若干个切线的法线而获得的，过O点作切线和平等于横坐标的水平线，此切线和水平线所交角的角平分线与曲线后段的延长线的交点，所对应的压力即为先期固结压力PC。

3、试验要点

（1）此种试验通常称为高压固结试验，故选用的固结仪一定要满足试验的要求，这样最后才能绘出曲线后段的直线段来。

（2）软土第一级荷重不得过大，一般加荷顺序为12.5、25、50、100、200、400、800、1600和3200kPa；如果作回弹试验，考虑应在估计的先期固结压力之后进行一次卸荷回弹，然后继续加荷，直至完成预定的最后一级压力。一般软土是200 kPa开始回弹至最小荷重12.5 kPa，然后一级级加荷至最大荷重3200 kPa。当然最好是根据场地的具体要求进行加卸荷模拟试验。

1．3 试验应用

根据GB5007-2002《建筑地基基础设计规范》将建筑物安全等级分为三级。

即甲级、乙级、丙级。

规范规定在设计等级甲级和乙级建筑物中，要求一定要进行沉降计算，其地基沉降和沉降差必须控制在容许范围之内才会保证安全。

而固结试验的一些参数就是为计算沉降而服务的。

1、压缩系数av是指单位压力下土的孔隙比的变化值。它是反映土压缩性的一个重要指标。在某压力变化范围内，压缩系数越大，说明土的压缩变形越大。由于压缩曲线实际上不是直线，故土的压缩系数实际上也不是一个常量，而是随所取的压力段不同而变化。通常取P1＝100kPa，P2=200 kPa的压缩系数av1 2作为评价土压缩性的指标。

高压缩性土

中压缩性土

低压缩性土 av1 2 0.5MPa 1 0.5MPa 1 av1 2 0.1MPa 1 av1 2 0.1MPa 1

而压缩性不同的土具有不同的压缩沉降量，当然亦具有不同的承载力。

2、当采用压缩模量Es进行最终沉降量计算时，压缩模量的计算应取自土的有效自重压力与

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