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user: 2. 土工试验及土的各项指标 路基土的基本物理性质和力学性质决定了路基的工程性质，研究路基土的基本特性是进一步研究处置技术的基础。为了进行工程的具体设计和施工做定量的计算，本项目首先针对北方沿海路基工程进行取土，研究其相关基本性质，包括颗粒级配、界限含水率、最佳含水率、强度、压缩模量等。上述指标为路基填料的压实、改性，路基的变形和承载力计算提供了基础。 2.1. 土的含水率 含水率是土的基本物理指标之一，它反映土的干湿状态，它随着土的不同状态而发生变化；同时，它是计算土的干密度、孔隙比、塑液限等各项指标的依据，是检测土工构筑物施工质量的重要指标。按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007) [ 4 ] 中烘干法测土的含水率的试验操作步骤要求，取试样放入称量盒内，盖好盒盖后称质量。揭开盒盖后，将称量盒与试样放入恒温烘箱内烘干，烘箱温度在105℃~110℃，烘干时间不得少于8 h。烘干时间结束后，将称量盒与试件放在干燥器内冷却，盖好盒盖称质量。 天然含水率的计算公式如下： ω = m − m s m s × 100 (1) 式中： ω ——含水率(%)， m ——湿土质量(g)， m s ——干土质量 (g) 三盒土样的含水率分别为21.2%，20.3%，18.5%。计算出平均含水率是20.0%，属于略湿土。 2.2. 土的界限含水率 黏性土由含水率大小不同分为四个状态，分别为：固态、半固态、可塑态和流动固态。黏性土从一种状态转到另一种状态的分界含水率称为界限含水率。液限和塑限是表征黏性土物理性质的重要指标，液限是可塑状态的上限 ω L ，而下限就是塑限 ω P ，塑性指数是 I P 。 界限含水率试验根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007) [ 4 ] 中液限和塑限联合测定法(T 0118—2007)进行测定。取具有代表性的风干土进行试验，若土中有大于0.5 mm的土颗粒，用带橡皮头的研杵研碎，过0.5 mm的筛。分别配制三种含水率土样，分别控制在液限，略大于塑限和二者的中间状态，采用数码式液塑限联合测定仪，采用100 g锥做液塑限试验，重复试验。试验结束后将土样在105℃~110℃烘箱中烘干，求其含水率(表1)。 用直线连接三点，如图1锥入深度与含水率关系图，可见三点并不理想的在同一条直线上，这是实验误差所允许的，不影响观测液塑限的规律。本实验用锥为100 g锥，查得纵坐标入土深度h = 20 mm所对应的横坐标含水率 ω 为该土样的液限 ω L = 30.1%，入土深度h = 4 mm所对应的含水率即为该土样的塑限 ω P = 20.67%，塑性指数 I P = ω L − ω P = 9.43%。 根据美国萨格兰特提出的塑性图分类，塑性图如图2，塑性图有两条经验线，A线以上是黏土，A线以下是粉土，B线以右是高液限区，B线以左是低液限区 A线方程 I P = 0.73 × ( ω L − 20 ) B线方程 ω L = 50% Table 1 Liquid limit plastic limit joint test record tabl 锥入深度/mm 4.21 10.06 18.47 含水率/% 21.27 26.06 29.06 表1. 液限塑限联合试验记录表 图1. 锥入深度与含水率关系图 图2. 塑性图 根据公式： I P = 0.73 × ( ω L − 20 ) (2) 可以算得 I P = 0.73 × ( 30.1 − 20 ) = 7.373 < 9.43 所以土样位于塑性图A线以上， ω L = 30.1%，即 ω L < 50%，位于B线以左。 即可得出该土为低液限黏土。 2.3. 颗粒级配分析试验 土的颗粒大小及其组成情况，通常用土中各个不同粒组的相对含量来表示。土的颗粒级配影响土的工程性质，工程界按照土的粒径将土进行分类，并把粒径组成作为一个评判工程安全性的重要因素。颗粒级配分析试验规程依据《公路土工试验规程》 [ 4 ] (JTG E40-2007)中土的颗粒分析试验T0115-1993筛分法进行，本试验法适用于分析粒径大于0.075 mm，小于等于60 mm粒径的土样。将烘干、分散后的试样放进一套标准筛的最上层，可用摇筛机进行振摇，振摇时间一般为10~15 min，筛后各级筛上和筛底土总质量与筛前试样质量之差，不应大于1%。筛分析结果如表2。本试验用土均为2 mm以下，抛弃原状土中粒径大于2 mm的土样。绘制颗粒级配曲线图3。 试样中巨粒组土粒质量少于或等于总质量15%，且巨粒组土粒与粗粒组土粒质量之和多于总土质量50%的土称粗粒土。由上表可知，现场取回的土为粗粒土。 不均匀系数按 C u = d 60 d 10 (3) 计算，反应粒径分布曲线上土粒分布范围。 曲率系数按 C c = d 30 2 d 60 d 10 (4) 计算，反应粒径分布曲线上的土粒分布形状。 计算得不均匀系数 C u = 8.5，曲率系数 C c = 1.86。粒径基本分布均匀。有效粒径是0.25 mm的土颗粒。 Table 2 Particle analysis result 粒径/mm 土粒质量/g 小于某粒径的土粒质量/g 小于某粒径的土粒质量比/% 20 352 3200 100 10 544 2848 89 5 832 2304 72 2 256 1472 46 1 512 1216 38 0.5 224 704 22 0.25 320 480 15 0.074 160 160 5 表2. 颗粒分析结果 图3. 颗粒级配曲线图 2.4. 最佳含水率试验 对于制定黏性土压实标准、选择施工方法和压实机械，最佳含水率都是重要指标。最大干密度反映了工程中土体的密实程度。通过试验测出土体最佳含水率和最大干密度有着重要的工程意义。依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007) [ 4 ] 中土的击实试验来测最佳含水率和最大干密度，本次试验采用重型试验法与干土法。取50 kg风干土样碾碎，过20 mm筛，反复摇筛，将筛下的土粒搅拌均匀，做成5个试样，分别加入不同质量的水，使含水率以2%~3%递增。将试样分别以3~5次倒入筒内，在筒内分三层进行击实，每层土料质量大约为800~900 g，每层击实98次。最后用推土器推出桶内试样，取试样中心测其含水率。 计算应加水量： m ω = m 1 + 0.01 ω 0 × 0.01 ( ω − ω 0 ) (5) 式中： m ω ——土样所需加水质量，g； m ——风干含水率时的土样质量，g； ω 0 ——风干含水率，%； ω ——土样所要求的含水率，%。 按照下试计算击实后各试样的含水率： ω = ( m m d − 1 ) × 100 (6) 式中： ω ——含水率，%； m ——湿土质量，g； m d ——干土质量，g。 按照下试计算击实后各试样的干密度： ρ d = ρ 1 + 0.01 ω (7) 式中 ρ d ——干密度，g/cm 3 ； ρ ——湿密度，g/cm 3 ； ω ——含水率，%。 5个试件分别以含水率为横坐标，干密度为纵坐标，绘制含水率与干密度的关系曲线如图4，取干密度最大点对应的含水率值为最佳含水率，对应纵坐标值为最大干密度，从数据曲线中得出该土样的最佳含水率为20.5%，最大干密度1.680 g/cm 3 。 2.5. 渗透性试验 土的渗透系数变化范围很大，本试验渗透系数的测定采用变水头渗透试验，试验用水应采用实际作用于土中的天然水(图5)。如有困难，允许用纯水或经过滤的清水。在试验前必须用抽气法或煮沸法进行脱气(包括天然水)。《土工仪器的基本参数及通用技术条件》(GB/T15406-94)第一篇：室内土工仪器包括SD191-86《切土环刀》。SL110-95《切土环刀校验方法》。其中渗透容器由环刀、透水板、套筒及上、下盖组成。其他仪器有：切土器、100 ml量筒、秒表、温度计、削土刀、凡士林等。 按照以下的公式进行结果整理： k t = 2.3 a L A ( t 2 − t 1 ) lg h 1 h 2 (8) 式中： k t ——水温t℃时试样的渗透系数(cm/s)，计算至三位有效数字； a ——变水头管的内径面积(cm 2 )；2.3——ln与lg的变换因数； L ——渗径，即试样的高度(cm)； t 1 、 t 2 ——分别为测读水头的起始与终止时间(s)； h 1 、 h 2 ——起始和终止水头； A ——试样的过水面积(cm 2 )； 图4. ρd~ω的关系曲线 图5. 变水头试验装置 一个试样多次测定，在所测结果中取允许差值符合规定的测值，求平均值，作为试样在某孔隙比时的渗透系数。 试验结果数据见表3，最终计算得到土的渗透系数为5.56 × 10 −6 cm/s。对于黏土试样而言，该黏土的渗透性较好。 2.6. 直剪试验 剪切试验的原理是根据库伦定律，土的内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比，将同一种土制备成几个土样，分别在不同的法向压力下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得其剪坏时剪应力，即为抗剪强度。测定土不同压力下的抗剪强度，得出土的抗剪强度指标粘聚力c和摩擦角φ，可以估算地基承载力，评价地基稳定性等。直剪试验根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007) [ 4 ] 中土的直剪剪切试验(T 0140—1993)中方法进行测定。 直剪试验过程如下： 1) 对准剪切容器上下盒，插入固定销，在下盒内放透水石和滤纸，将带有试样的环刀刃向上，对准剪盒口，在试样上放滤纸和透水石，将试样小心地推入剪切盒内。 2) 移动传动装置，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触，依次加上传压板、加压框架，安装垂直位移量测装置，测记初始读数。 3) 根据工程实际和土的软硬程度施加各级垂直压力，然后向盒内注水。当试样为非饱和试样时，应在加压板周围包以湿棉花。 Table 3 Data of variable head permeability test result 历时t 开始水头 h 1 (cm) 终了水头 h 2 (cm) 2.3 a L A t (cm/s) lg h 1 h 2 水温20℃时的渗透系数 k 20 (cm/s) 开始 t 1 终止 t 2 历时t 16:06 16:21 900 665 650 6.86 × 10 −4 9.91 × 10 −3 5.66 × 10 −6 16:21 16:36 900 650 636 6.86 × 10 −4 9.46 × 10 −3 5.41 × 10 −6 16:36 16:51 900 636 622 6.86 × 10 −4 9.67 × 10 −3 5.53 × 10 −6 16:52 17:02 600 900 885 1.03 × 10 −3 7.30 × 10 −3 6.26 × 10 −6 17:02 17:12 600 885 872 1.03 × 10 −3 6.43 × 10 −3 5.52 × 10 −6 17:12 17:22 600 872 860 1.03 × 10 −3 6.02 × 10 −3 5.17 × 10 −6 17:23 17:33 600 990 973 1.03 × 10 −3 7.52 × 10 −3 6.45 × 10 −6 17:33 17:43 600 973 960 1.03 × 10 −3 5.84 × 10 −3 5.01 × 10 −6 17:43 17:53 600 960 946 1.03 × 10 −3 6.38 × 10 −3 5.47 × 10 −6 17:56 18:06 600 727 716 1.03 × 10 −3 6.62 × 10 −3 5.68 × 10 −6 18:06 18:16 600 716 705 1.03 × 10 −3 6.72 × 10 −3 5.77 × 10 −6 18:16 18:26 600 705 694 1.03 × 10 −3 6.83 × 10 −3 5.86 × 10 −6 18:35 18:45 600 998 982 1.03 × 10 −3 7.02 × 10 −3 6.02 × 10 −6 18:45 18:55 600 982 967 1.03 × 10 −3 6.69 × 10 −3 5.74 × 10 −6 18:55 19:05 600 967 954 1.03 × 10 −3 5.88 × 10 −3 5.04 × 10 −6 19:17 19:27 600 934 921 1.03 × 10 −3 6.09 × 10 −3 5.23 × 10 −6 19:27 19:37 600 921 909 1.03 × 10 −3 5.70 × 10 −3 4.89 × 10 −6 19:37 19:47 600 909 896 1.03 × 10 −3 6.26 × 10 −3 5.37 × 10 −6 表3. 变水头渗透性试验结果数据 4) 施加垂直压力，垂直压力的大小应根据工程要求和土的软硬状态确定，宜按25 kpa、50 kpa、100 kpa、200 kpa或100 kpa、200 kpa、300 kpa、400 kpa施加压力。拔出固定销立即开动秒表，以小于0.02 mm/min的剪切速度进行。 5) 当测力计百分表读数不变或后退时，继续剪切至剪切位移为4 mm时停止，记下破坏值。当剪切过程中测力计百分表无峰值时，剪切至剪切位移达6 mm时停止。 6) 剪切结束，吸去盒内积水，退剪切力和垂直压力，移动压力框架，取出试样，测定含水率。 结果整理：剪切位移按下式计算： Δ L = 20 n − R (9) 式中：△L——剪切位移(0.01 mm)，计算至0.1；n——手轮转数；R——百分表读数。剪应力按下式计算： τ = C R (10) 式中 τ ——剪应力(kpa)，计算至0.1；C——测力计校正系数(kpa/0.01mm)。 以剪应力 τ 为纵坐标，剪切位移△L为横坐标，绘制 τ —△L的关系曲线，如图6所示。选取 τ —△L关系曲线上剪应力的峰值或稳定值作为抗剪强度s。无明显峰值时，取剪切位移4 mm对应的剪应力作为抗剪强度。 以垂直压力p为横坐标，抗剪强度S为纵坐标，将每一试样的抗剪强度点绘在坐标纸上，并连成一直线。此直线的倾角为摩擦角，纵坐标上的截距为凝聚力c，如图7所示。由摩尔库伦强度理论 S = c + σ tan ϕ ，解出c = 16 kpa， ϕ = 11.3˚。 一定条件下c和 ϕ 值越大，土体抗剪强度越大。根据经验值判断试样土体抗剪强度低。 图6. 剪应力与剪切位移的关系曲线 图7. 抗剪强度S与垂直压力p关系曲线 2.7. 土的固结实验 试验的目的是测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力，或孔隙比和压力的关系，变形和时间的关系，以便计算土的压缩系数 a v 、压缩指数 C c 、回弹指数 C s 、压缩模量 E s 、固结系数 C v 等。 计算各级压力下固结稳定后的孔隙比 e i ； e i = e 0 − ( 1 + e 0 ) Δ h i h 0 (11) 式中 ——某级压力下的孔隙比； Δ h i ——某级压力下试样高度变化，cm； h 0 ——试样初始高度，cm。 计算某一压力范围内的压缩系数 a v a v = e i − e i + 1 p i + 1 − p i (12) 式中 p i ——某一压力值，kPa； 计算某一压力范围内的压缩模量 E s 和体积压缩系数 m v E s = 1 + e 0 a v (13) m v = 1 E s = a v 1 + e 0 (14) 以孔隙比 e 为纵坐标，压力 p 为横坐标，绘制孔隙比与压力的关系曲线。计算压缩指数 C c 、回弹指数 C s ： C c 或 C s = e i − e i + 1 lg p i + 1 − lg p i (15) 计算压力下的固结系数 C υ C v = 0.848 ( h ¯ ) 2 t 90 (16) h ¯ = h 1 + h 2 4 (17) h ¯ ——最大排水距离，等于某压力下试样初始与终了高度的平均值之半，cm。 t 90 ——固结度达到90%所需时间s。 压缩指数 C c 值越大，土的压缩性越高，由表4可看出压缩指数 C c 值小于0.2，为低压缩性土。固结系数 C v 是估算沉降速率的指标，固结系数越大(表5)，土固结越快，根据黏土的固结系数经验值可以判断，该黏土试样固结速度较快 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 。