2011土工试验大纲及试题
一、土的工程分类
工程土按用途主要有两种：一是作为建筑物地基的原状土；二是作为建筑材料的扰动土。
1、我国土的工程分类标准有：
①.国家标准《土的分类标准》GBJ145-90；
②.水利部《土的工程分类》SL237-001-1999；
③.交通部《公路土工试验规程》JTJ051-93中《土的工程分类》（M0101-93）；
④.铁道部《铁路工程岩土分类标准》TB10077-2001中《土的分类》。
2、铁路工程桥涵地基与基础土的分类
1）. 一般土
①.分类定名
A.土的颗粒分类。讲义表17.1
把土颗粒按颗粒形状和粒径大小分成了7类15种。
B.碎石类土。讲义表17.2
大于2mm的颗粒超过总质量的50%。按颗粒形状和级配分为4类8个名称。
C.砂类土。讲义表17.3
大于2mm的颗粒不超过总质量的50%，而大于0.075mm的颗粒超过总质量的50%。按颗粒级配分为1类5个名称。
D.粉土。
粒径大于0.075mm颗粒的质量不超过全部质量50%的土，且塑性指数等于或小于10。按塑性指数和颗粒级配分为1类1个名称。
E.粘性土。讲义表17.4
按塑性指数分为1类2个名称。
②.密实程度
A.碎石类土。讲义表17.5
根据结构特征、天然坡和开挖情况、钻探情况分为：密实、中密、稍密和松散4种。
B.砂类土。讲义表17.6
根据标准贯入锤击数N和相对密度Dr分为：密实、中密、稍密和松散4种。
C.粉土。讲义表17.7
根据孔隙比e的大小分为密实、中密、稍密3种。
D.粘性土。讲义表17.8
根据压缩系数a0.1~0.2分为高、中、低压缩性土3种。
③.潮湿程度
A.碎石类和砂类土。讲义表17.9
根据饱和度分为稍湿、潮湿、饱和3种。
B.粉土。讲义表17.10
根据天然含水率分为稍湿、潮湿、饱和3种。
C.粘性土。讲义表17.11
根据液性指数分为坚硬、硬塑、软塑、流塑4种。
2）.特殊土
①.黄土。
第四纪以来，在干旱、半干旱气候条件下形成的，土颗粒成分以粉粒为主、含碳酸钙及少量易溶盐、并具大孔隙和垂直节理、
抗水性能差、易崩解和潜蚀、上部多具湿陷性等工程地质特征的土，应判定为黄土。
黄土按堆积时代、塑性指数、湿陷系数分类。
②. 红粘土。
颜色呈棕红、褐黄色，覆盖于碳酸盐系岩层之上，且液限等于或大于50%的高塑性粘土，应判定为红粘土。红粘土经搬运、沉积后仍保留残积粘土的基本特征，且液限大于45%，应判定为次生红粘土。红粘土具有遇水软化、失水收缩强烈、裂隙发育、易剥落等工程地质特征。
红粘土根据塑性状态、裂隙状态和界限液塑比和液塑比关系分类。
③.膨胀土。
土中粘粒成分主要由亲水矿物组成，具有吸水显著膨胀软化，失水急剧收缩开裂，并能产生往复胀缩变形的粘性土，应判定为膨胀土。
膨胀土分类首先根据地貌、土的颜色、结构、土质情况、自然地质现象和土的自由膨胀率等特征，作初期判定；然后按自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量三项指标可对膨胀土详细判定。
④.软土。
天然孔隙比大于或等于1.0，天然含水率大于或等于液限，压缩系数大于或等于0.5，不排水抗剪强度小于30kPa的粘性土，可判定为软土。软土一般含有机质，具有压缩性高、强度低、灵敏度高和排水固结缓慢的特点。软土的结构受到扰动后，强度会极大地下降。
软土根据物理力学性质、成因类型、无侧限抗压强度试验或现场十字板剪切试验、软土的灵敏度分类。
⑤.盐渍土。
易溶盐含量大于0.5%的土，可判定为盐渍土。某地区或场地地表以下1.0m深度内易溶盐的平均含量大于0.5%时，应定为盐渍土地区或场地。盐渍土具有较强的吸湿、松涨、溶陷及腐蚀等工程地质特性。
盐渍土按含盐性质、盐渍程度的分类。
⑥.填土.
人为活动堆填的土应判定为填土，一般具有成分复杂和固结时间短等特点。根据物质组成和堆填方式，填土分为杂填土、素填土、冲填土、填筑土4类。
3、铁路工程路基填料的分类
铁路路基填料分类是根据原《铁路路基设计规范》 TB10001-99中的“填料分类”为基础，进行了局部的修订，在“一级定名”上与《铁路工程岩土分类标准》TB10077-2001进行了统一，并以铁建设[2004]148号文发布。
①.巨粒土、粗粒土(包括砂类土)
根据颗粒组成、颗粒形状、细粒含量、颗粒级配、抗风化能力等，按讲义表17.26进行定名和分组。
②.细粒土
根据土的塑性指数Ip和液限含水率w L，按讲义表17.27进行定名和分组。
3、练习题
①. (问答)铁路工程土的分类标准，砂粒、粉粒、粘粒的含义是什么？
答：砂粒：粒径0.075mm 粉粒：粒径0.005≤d≤0.075的颗粒； 粘粒：粒径d<0.005mm的颗粒。 ②. (问答)铁路路基填料巨粒土、粗粒土和砂类土，他们是怎样分类的？需要做什么试验？ 答：粒径大于60mm颗粒的质量超过总质量的50%的土称为巨粒土； 粒径大于0.075mm颗粒的质量超过总质量的50%的土称为粗粒土； 砂类土是粗粒土的一种，其大于2mm颗粒的质量不超过总质量的50%。 巨粒土、粗粒土(包括砂类土)的分类定名，需做颗粒分析试验，然后根据颗粒形状、细粒含量、颗粒级配、抗风化能力等确定。对于块石土必要时要做岩石抗压强度试验。 ③. (问答)铁路路基填料细粒土是怎样分类的？需要做那些试验？ 答：细粒土包括粉土和粘性土。 粉土是塑性指数Ip≤10,且粒径大于0.075mm颗粒的质量不超过50%的土。需通过颗粒分析试验和液塑限试验确定。 粘性土根据土的塑性指数和液限含水率分类定名，需做液塑限试验确定。 ④. (问答)路基填料分类中“细粒含量”的含义是什么？ 答：细粒含量是指粘粒(d≤0.075mm)的质量占总质量的百分数。 ⑤. (问答)路基填料分类中颗粒级配“良好”与“不良”是怎样区分的？ 答：良好：Cu≥5且Cc=1～3 不良：Cu<5且Cc≠=1～3 其中：Cu---不均匀系数，Cu=d60/d10； Cc---曲率系数，Cc=d230/(d10×d60) 式中：d60d30d10分别为颗粒级配曲线上相应于60%、30%、10%含量颗粒的粒径。 ⑥. (问答)路基填料分类中硬块石于软块石是怎样区分的？ 答：硬块石：单轴饱和抗压强度Rc>30MPa的块石；软块石：单轴饱和抗压强度Rc<30MPa的块石。 ⑦. (问答)细粒土填料分类标准规定液限含水率试验采用圆锥仪法，圆锥仪总质量多少？入土深度多少？ 答：圆锥仪总质量为76g,入土深度10mm。 ⑧.(问答)土样定名时，如果同时符合2个或2个以上名称时，怎样处理？ 答：应根据粒径分组，由大到小，以最先符合者确定。 二、土工试验项目 土工试验项目应根据土的用途决定： 1、原状土。 通过检测结果判定土的工程性质。 ①.物理性质：含水率、密度、颗粒密度（比重）、界限含水率、颗粒分析、渗透、相对密度等。 ②.力学性质：压缩、直剪、三轴压缩、湿陷性和膨胀性等。 ③.化学性质：矿物鉴定、有机质、含盐量等。 ④.原位测试：静载试验、静力触探、动力触探、标准贯入、旁压、十字板剪切等。 2、路基填料。 通过检测结果判定路基填料的性质，用于指导路基填土压实质量控制。 ①.物理性质：含水率、密度、相对密度、颗粒密度（比重）、界限含水率、颗粒分析、击实、有机质、含盐量等。 ②.现场检测：密度、含水率、K30、Evd、Ev2等。 ③.级配碎石：粒径级配、破碎面含量、洛杉矶磨耗率、硫酸钠浸泡损失率、液塑限、塑性指数、粘土团及其他杂质含量、毛体积密度。 ④.改良土：液塑限、塑性指数、颗粒分析、击实(重型)、含灰剂量、无侧限抗压强度 三、土的组成及基本物理指标 1、土的三相体概念 土是由固体颗粒、水分和空气三相组成。其中每种成分的质量、体积的相对比例有所增减，都会引起土的物理力学性质的变化。图1是土的三相图。 图1土的三相图 2、土的基本物理指标及换算关系 土的基本物理指标有九项,他们是：密度、颗粒密度、含水率、干密度、饱和密度、有效重度、孔隙比、孔隙率及饱和度。其中前三项是直接检测出来的，后六项是计算出来的。 ①. 密度ρ 单位体积土的质量（包括孔隙中水的质量在内）称为土的密度（g/cm 3）。 体积 质量密度其中:; :; :: )117(v m v m ρρ-??????????????= ②. 颗粒密度s ρ 土体内的固体颗粒质量与颗粒体积之比值，称为颗粒密度（g/cm 3）,颗粒密度关注的是土体固体颗粒的视密度，也是以前的比重的概念。 ) (:: )517(3cm V V m s s s s 为土固体颗粒的体积其中-?????????????????????????=ρ ③. 含水率w 土中水的质量与土固体颗粒质量的比值称为土的含水率，以百分数计。在有的标准中，如公路用标准，含水率又称为含水量。 土体水的质量 土的含水率其中:） %（：w : )617(100m m w w w s m -??????????????????????????= 不同的土其含水率的变化范围很大。干燥坚硬的土，含水率只有2～10%.而软粘土的含水率可达50～200%. ④.孔隙比e 土中的孔隙体积与土固体颗粒体积的比值称为孔隙比。 ); (:; :: )717(V V e 3cm V e v s v 孔隙体积孔隙比其中-??????????????????????????????????????????= 孔隙比是土的重要指标之一，它反映了土的松软和紧密程度。 ⑤.孔隙率n 土中孔隙体积与全部体积之比称为孔隙率（%）。 ) (:(%);:: ) 817(100V V n 3cm V n v 土体体积孔隙率其中-??????????????????????????= 孔隙比与孔隙率之间存在着式(17-9)或（17-10）的关系。 ) 1017(100) 91(1100-???????????????????????-=-???????????????????????+?=n n e e e n ⑥.饱和度Sr 土中水分所占体积与全部孔隙所占体积之比，称为饱和度（%）。 ); (:(%) :: ) 1117(100V V S 3cm V S w r v w r 土体中水的体积饱和度其中-????????????????????????????= ⑦.干密度d ρ 表示单位体积内土粒的质量（g/cm3）。 )417(-?????????????????????????=V m s d ρ ⑧.饱和密度sr ρ 当土体的孔隙完全为水所充满时，土体的密度（g/cm 3） ) (:; /1,:);(:; :); /(:: ) 217(3333cm V cm g cm V m cm g V V m w r s sr w r s sr 土体体积一般可取水密度土体孔隙体积土体固体颗粒质量饱和密度其中ρρρρ-?????????????????????????+= ⑨.浮密度'ρ 表示地下水位以下的土体，且它的孔隙完全为水所充满，但又整个受到地下水的浮力作用。 因此有： )317('-???????????????????????????-=w sr ρρρ 3、练习题 1、(填空)一般情况下，土是由（土粒）、（水）、（空气）三相组成。 2、(单选)土粒比重的定义式为：(A) A 、W S s V m ρ? B 、W V m ρ C 、ρ?V m s D 、W S V m ρ? 3、(单选)干密度的定义为：（B ） A 、S V m B 、V m S C 、S s V m D 、V m 4、(单选)土粒比重的单位是：（C ） A 、kN/m 3 B 、kg/m 3 C 、无 D 、kPa 5、(单选)对于砾石土、碎石土和级配碎石，宜采用（B ）计算孔隙率n 。 A 、颗粒密度 B 、毛体积密度 C 、表观密度 D 、堆积密度 6、(多选)土可能由（ BC ）组成。 A 、单相体 B 、两相体 C 、三相体 D 、四相体 7、(多选)在土的三相体比例指标中，可以直接测出的指标有（ACD ） A 、湿密度 B 、干密度 C 、颗粒密度 D 、含水率 8、(判断)毛体积密度是材料质量除以材料的实体积与闭口孔隙体积的和。（×） 9、(判断)孔隙率n 是土样中的孔隙体积占土样总体积的百分率。 （√） 10、(判断)土中的空气体积为零时，土的密度最大。（×） 11、(计算)已知土样面积30cm 2，高2cm ，湿土质量128.8g ，含水率W ＝13.6%，土的颗粒密度ρs ＝2.71，求该土样的孔隙比e 、孔隙率n 和饱和度Sr 。 解： ①计算体积: 总体积=30×2=60 cm 3 干土质量：128.8/(1+0.136)=113.4g 土粒体积：113.4/2.71=41.8cm 3 空隙体积：60-41.8=18.2cm 3 水的质量：113.4×13.6%=15.4g 水的体积：15.4cm3 ②计算参数: 孔隙比e=空隙体积/土粒体积=18.2/41.8=0.44 孔隙率n=空隙体积/总体积=18.2/60=0.30 饱和度Sr=水的体积/空隙体积=15.4/18.2=0.85 四、土工试验方法 1、含水率 ①、取样：取扰动土100-300g ②、检测方法： a.烘干法：适用于各类土。本法为测定含水率的标准方法，粘性土、粉土烘干时间不少于8h，砂类土不少于6h，砾、碎石类土不少于4h。但当土中有机质含量超过5%或含石膏或硫酸盐时，应控制温度在65-70℃。 b酒精燃烧法：适用于不含有机制的砂类土、粉土和粘性土。 c.碳化钙减量法：适用于各类土。 d.核子射线法：适用于现场原位测定填料为细粒土和砂类土的含水率 ③、检验标准：《铁路工程土工试验规程》 TB10102-2004 ④、烘干法数据处理： ω=m-m s/m s×100% ω—含水率，%；计算至0.1% m—湿土质量，g，称量至0.01g m s—干土质量，g，称量至0.01g ⑤、允许偏差： 细粒土：含水量10%以下为0.5%；含水量40%以下为≤1%；含水量40%以上为≤2%。 粗粒土：含水量10%以下为1%；含水量40%以下为≤2%；含水量40%以上为≤3%。 练习题 1、(多选)含水量测定的方法有(ABC) A、烘干法 B、酒精燃烧法 C、碳化钙法 D、比重法 2、(问答)常用的测试含水量的方法有哪些？并说明各自的适用范围。 答：1、烘干法(适用于各种土) 2、酒精燃烧法（适用于除含有机质和含结晶水的土） 3、炒干法（适用于粗粒土） 4、碳化钙法（适用于细粒土）。 2、密度 ①、试验目的：测定土的密度，用于计算土的干密度、压实度、孔隙比、孔隙率、饱和度等指标。 ②、检测方法及适用范围： a、环刀法：适用于粉土和粘性土。 b、蜡封法：适用于环刀难以切削并易碎裂的土。 c、灌砂法、气囊法：适用于现场测定最大粒径小于20mm的土密度。 d、灌水法：适用于现场测定最大粒径小于60mm的土密度。 e、核子射线法：适用于现场测定填料为细粒土、砂类土的压实密度。 ③、检验标准：《铁路工程土工试验规程》 TB10102-2004 ④、灌砂法测定密度的步骤 a.按土的最大粒径不大于20mm的要求选定试坑位置，将试坑位置的地面铲平，其面积略大于试坑直径150mm，按试坑直径划出坑口轮廓线，在轮廓线内下挖至要求深度200mm处，边挖边将挖出的土放入盛土容器内，称土的质量，准确至10g，然后取代表性土样测定含水率。 b.向容砂瓶内灌满标准砂，关阀门，称灌满标准砂的密度测定器的总质量，准确至5 g。 c.将密度测定器倒置(灌砂漏斗口向下)于挖好的坑口上,打开阀门,使密度测定器内的标准砂流入坑内,当密度测定器内标准砂停止流动时关闭阀门。 d.称密度测定器和剩余标准砂的质量m r5，准确至5 g。并计算灌满试坑所用标准砂的质量（m s r=m r3－m r4－m r5）。
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