公路水运试验检测师（道路工程）第二章第四节土的力学性质

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道路工程（检测师）

• 第四节 土的力学性质
  • 一 、击实试验
    • 概述
      • 土的击实性在工程中的意义
        • 采用既经济又合理的压实方法，使土变得密实，从而在短期内提高土的强度以达到改善土的工程性质的目的。
      • 击实试验的原理
        • 击实是指采用人工或机械对土施加夯压能量（如打夯、碾压、振动碾压等方式），使土颗粒重新排列紧密，其中粗粒土因颗粒的紧密排列，增强了颗粒表面摩擦力和颗粒之间嵌挤形成的咬合力，细粒土则因为颗粒间的靠紧而增强了颗粒间的分子引力，从而使土在短时间内得到新的结构强度。
    • 室内击实试验
      • 适用范围
        • 细粒土，
        • 分类？内径100,152mm试筒适用于？
          • 本试验分为轻型击实和重型击实 ，内径152mm的试筒适用于粒径不大于40mm的土.100mm， 适用于粒径不大于20mm的土，
        • 什么时候用大尺寸试筒？大尺寸试筒的要求？单位体积击实功控制在哪个范围内？
          • 当土中最大颗粒粒径大于或等于40mm，并且大于或等于40mm颗粒粒径的质量含量大于5%时，则应使用大尺寸试筒进行击实试验，或按规定进行最大干密度校正。大尺寸试筒要求其最小尺寸大于土样中最大颗粒粒径的5倍以上，并且击实试验的分层厚度应大于 土样中最大颗粒粒径的3倍以上。单位体积击实功控制在2677. 2〜2687.0 kJ/m3范 围内。
        • 当细粒土中的粗粒土总含量如何时，需要做粗粒土最大干密度试验？
          • 当细粒土中的粗粒土总含量大于40%或粒径大于0. 005mm颗粒的含量大于土总质量的70%时，还应做粗粒土最大干密度试验，其结果与重型击实试验结果比较，最大干密度取两种试验结果的最大值。
      • 试验方法的类型
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        • 干土法
          • 非高含水率土，按1 ~ 3%加水递增，拌匀后闷料一夜备用，至少5个土样，土都不重复使用
        • 湿土法
          • 高含水率土，按2 ~ 4%递减风干，保持天然含水率的第一个土样，直接击实，至少5个土样，土都不重复使用
      • 试验步骤
        • 筒壁上抹薄层凡土林，放置蜡纸或塑料薄膜（不排水，不能放滤纸） ， 对于大试筒，先将垫块放入桶内底板上，按三层法，每层约须试样1700g左右。 击锤自由垂直落下，锤迹必须均匀分布于土样面。第一层击实完后，将试样层面拉毛然后装入套筒。 小试筒击实后，试样不应高出筒顶面5mm;大试筒击实后，试样不应高出筒顶面6mm。
      • 结果整理
        • 公式
          •  以干密为纵坐标，含水率w为横坐标，绘制pH-u；关系曲线，曲线上峰値li纵、横坐 标分别为最大干密度和最佳含水率。如曲线不能绘出明显的峰值补点或重做。
        • 当试样中有大于40mm的颗粒时如何校正？
          • 当试样中有大于40mm的颗粒时,应先取岀大于40mm的颗粒，并求百分率P,把小于40mm部分作击实试验，按下面公式分别对试验所得的最大干密度郝最佳含水率进行校正(适用于大于40mm颗粒的含量小于30%时）。 (适用于大于40mm颗粒的含量在5%~30%之间)。 说明:小于5%，不需要校正，大于30%不能用公式校正。
          • 校正公式
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      • 精度和允许差
        • 最大干密度精确至0.01 g/cm3；最佳含水率精确至0.1%
    • 土的击实特性
      • (1)击实曲线有个峰点)这说明在定击实功作用下，只有当土的含水率为某一 定值(称为最佳含水率)时，土才能被击实至最大干密度。若土含水率小于或大于最佳含水率时，则所得到的干密度都小于最大值。 (2) 当土含水率偏干时，含水率的变动对干密度的影响要比含水率偏湿时的影响更为明显，由图上可看出曲线的左段比右段偏陡。 (3)击实土不可能达到完全饱和的状态，因此，击实曲线必然位于饱和曲线的左下侧
      • (1)击实曲线有个峰点这说明什么？
      • (2) 当土含水率偏干时与含水率偏湿对击实曲线的影响？
      • (3)击实曲线为什么位于饱和曲线的左下侧？
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    • 影响压实的因素
      • (1)含水率对整个压实过程的影响。-般粉粒和黏粒含量多，土的塑性指数越大，土的最佳含水率也越大，同时其最大干密度越小。因此，一般砂性土的最佳含水率小于黏性土，而砂性土的最大干密度大于黏性土。 (2)击实功对最佳含水率和最大干密度的影响。击实功越大，土的最大干密度也越大，而土的最佳含水率则越小，但是这种增大是有一定限度的，超过这一限度，即使增加击实功，土的干密度的增加也很不明显。 (3)不同压实机械对压实的影响。 (4)土粒级配的影响。均匀颗粒的砂，单一尺寸的砾石和碎石，都很难碾压密实。
    • 例题
      • 子主题
        • 
  • 二、压缩试验
    • 1.概述
      • (1)室内压缩试验(固结试验）对应于土工规范中‘单轴固结仪法"
      • 基本概念
        • 土是固体颗粒的集合体，具有碎散性具有下列两个特点？
          • 1、土体的压缩是由于孔隙的减少引起。土粒和水本身的压缩都很少，可以忽略不计 2、饱和土的压缩需要一定时间才能完成。士中水部分挤出需要定时间。 而黏土由于颗粒很细， 则需要很长时间。这个过程也叫做渗流固结过程。
      • 有效应力原理
        • 砂上放钢球，砂上放同样的水，前者不变形，后者变形，前者有效应力，后者孔隙水压力，或者把砂换成棉花
        • 总应力σ=有效应+孔隙水压力
          •  分析:土体中存在两种不同性质的力，有效应力经过土骨架传递下去，能使土体积减小。 孔隙水压力作用在孔隙水上，不能使土体发生体积和强度的变化。
          • 主要计算有效应力，土的变形和强度只随有效应力而变化
    • 2.压缩试验与压缩曲线
      • 室内压缩试验
      • 压缩性指标
        • 严格地说，压缩系数a不是常数，一般随压力的增大而减小。工程上常以p = 100 200kPa时的压缩系数a1-2 作为评价土层压缩性的标准
      • 先期固结压力和土层的天然固结状态判断
        • 先期固结压力pc
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          • 定义
            • 曲线过渡到直线段的拐弯点的压力值，即土层历史上所曾经承受过的最大固结压力
          • 作用:判断土的固结状态。
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            • 超固结状态: OCR>1
            • 正常固结状态: OCR=1
            • 欠固结状态: OCR<1
            • OCR=pc/p0(p0=γz即自压力)
              • pC表示先期固结压力; po表示土的自重应力。
      • 变形指标间的关系
  • 三、粗粒土和巨粒土的最大干密度试验
    • 表面振动压实仪法
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      • 适用范围
        • 通过0.075mm标准筛的土颗粒质量百分率不大于15%，无黏聚性自由排水粗粒土和巨粒土(包括堆石料)
      • 仪器设备
        • 试筒容积宜用灌水法每年标定一次。
      • 分成三份，放下振动器震动6分钟
      • 如何读数？
        • 读数宜从四个均布于试样表面至少距筒壁15mm的位置上测得并精确0.5mm，记录并计算试样高度
• 四、承载比试验（CBR）
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  • 适用范围
    • 最大粒径宜控制在20mm以内，最大不得超过40mm且20-40mm的含量不得超过5% 说明:承载比（CBR）本质上是解决了松散颗粒材料的结构强度表述问题，胶凝类材料(混凝土等)直接做试块强度试验即可。 CBR的大小体现了土颗粒材料的结构强度，用于判定该土是否可以作为填筑材料。如下表，路基施工技术规范中对路基填料的最小强度要求。
  • 仪器设备
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    • 试筒，夯锤和导管，贯人杆尺寸？百分表数量？荷载板尺寸，重量，数量？
  • 试样准备
    • 土的准备
      • 将具有代表性的风干试料（必要时可在50℃烘箱内烘干）。用木碾捣碎，但应尽量注意不使土或粒料的单个颗粒破碎，土团均应捣碎到通过5mm的筛孔 。每份质量6kg
  • 制件过程
    • 按什么击实？多少次？求什么参数？
      • ■将试料按重型击实试验Ⅱ-2规定的层数和击数进行击实，求试料的最大干密度和最佳含水率。
    • ■浸润时间:重黏土，轻黏土，砂土，天然砂砾？制备试件？每层击数？干密度从低于95%到等于100%的最大干密度。这样，9个试件共需试料约55kg。
      • ■浸润时间:重黏土不得少于24h，轻黏土可缩短到12h，砂土可缩短到1h，天然砂砾可缩短到2h左右。如需要，可制备三种不同干密度的试件。每种干密度制备3个，则共制9个试件。每层击数分别为30次、50次和98次,使试件的干密度从低于95%到等于100%的最大干密度。这样，9个试件共需试料约55kg。
    • 每层需试样1500~1750g， 其量应使击实后的试样高出1/ 3筒1~2mm，大试筒击实后，试样不宜高出筒高10mm
  • 试件泡水
    • ① 在试件制成后，取下试件顶面的破残滤纸，放一张好滤纸，并在其上安装附有调节杆的 多孔板，在多孔板上加4块荷载板。 ② 将试筒与多孔板一起放人槽内（先不放水），并用拉杆将模具拉紧，安装百分表，并读取初读数。 ③向水槽内放水,使水自由进到试件的顶部和底部。在泡水期间，槽内水面应保持在试件顶面以上大约25mm。通常试件要泡水四昼夜。 ④泡水终了时，读取试件上百分表的终读数，并用下式计算膨胀量： ⑤从水槽中取出试件，倒出试件顶面的水，静置15min，让其排水，然后卸去附加荷载和多孔板、底板和滤纸，并称量，以计算试件的湿度和密度的变化。
  • 贯入试验
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  • 结果整理
    • 原点修正
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      • ■以单位压力为横坐标,贯入量为纵坐标，绘制p-l关系曲线。如曲线开始段是凹曲线，需要进行修正。修正时在变曲率点引一切线，与纵坐标交于0'点，0'即为修正后的原点。
    • 计算公式
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      • 标准碎石贯入2.5/5毫米的力值
    • 精度和允许差
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• 五、土的回弹模量试验
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  • 1.杠杆压力仪法
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    • 适用于不同湿度和密度的细粒土
    • 试样
      • 击实分类？含水率要求？
        • (2)干土法（土不重复使用）按四分法准备至少5个试样，分别加人不同水分（按2%〜3%的含水率递增），拌匀后闷料一夜备用。 (3)使用湿土法（土不重复使用）时，对于高含水率的土，可省略过筛步骤，用手拣除大于40mm的粗石子即可。保持天然含水率的第一个土样，可立即用于击实试验。其余几个试样将土分成小土块，分别风干，使含水率按2%〜3%递减
        • 最佳，成型
          • 根据工程要求选择轻型或重型法，视最大粒径用小筒或大筒进行击实试验得出最佳含水率和最大干密度，然后按最佳含水率用上述试筒击实制备试件
    • 试验步骤
      • 安装试样
      • 预压
        • 含水率大于塑限的土，p=50〜lOOkPa;含水率小于塑限的土，p = 100〜200kPa。预压进行1〜2次，每次预压lmin
      • 测定回弹量
        • 测定回弹量:将预定最大单位压力分成4〜6份，作为每级加载的压力。每级加载时间为lmin时，记录千分表读数，同时卸载，让试件恢复变形。卸载lmin时，再次记录千分表读数，同时施加下一级荷载。如此逐级进行加载卸载，并记录千分表读数，直至最后一级荷载。 为使试验曲线开始部分比较准确，第一、二级荷载可用每份的一半。试验的最大压力也可略大于预定压力。
    • 结果整理
      • 计算回弹变形
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        • 绘图
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          • 计算每级荷载回弹模量
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      • 如何确定每个试样的回弹模量？
        • 每个试样的回弹模量由P-L曲线上直线段的数值确定
      • 对于较软的土原点修正？
        • 对于较软的土，如果P-L曲线不通过原点，允许用初始直线段与纵坐标轴的交点当作原点，修正各级荷载下的回弹变形和回弹模量。
      • 精度和允许差
        • 土的回弹模量由三个平行试验的平均值确定，每个平行试验结果与均值回弹模量相差均应不超过5%，否则应重做试验。
  • 2强度仪法(路面材料强度仪)
    • 适用于不同湿度、密度的细粒士及其加固土
    • 所有试验方法及要求与杠杆压力仪法相同，只是设备不同
  • 模量是材料抵抗变形的能力。模量越大，表示在同样的外力作用下，其变形越小;反之，模量越小，表示在同样的外力作用下，其变形越大。
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• 土的抗剪强度试验（2023教材删除此试验）
  • 定义
    • 指土体对于外荷载产生的剪应力的极限抵抗能力
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  • 直剪试验
    • 过程原理
      • 先施加法向应力，再施加水平剪力，土样在侧限条件下沿人为规定的剪切面破坏
    • 计算
      • 砂性土
      • 粘性土
      • 黏性土的抗剪强度主要取决于粘聚力C。
    • 方法分类
    • 黏性土的抗剪强度一般都会随剪切速度 加快而增大。
    • 如应力应变曲线具有明显峰值则取峰值作为抗剪 强度破坏值;如曲线无峰值，一般取其剪应变的15% 或试样直径的1/15~1 /10剪切变形时的剪应力值作 为破坏值。
  • 三轴试验（简单了解）
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    • ①不固结不排水剪(UU试验 )相当于实际工程中饱和软黏土快速加荷时的应力状况。
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    • ②固结不排水剪(CU试验) 。模拟正常固结土在竣工后受到活荷载或新增荷载的情况。(广 泛应用)
    • ③固结排水剪(CD试验)
  • 单轴试验与无侧限抗压强度试验（简单了解）
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    • 灵敏度计算
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    • 施工方放坡挖多了，补回去，但是原结构被破坏
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  • 粗粒土的直接剪切试验（不做要求)