《公路土工试验规程》关键指标的工程应用分析课件.ppt

一、公路土工试验规程的修订内容,（JTG E40-2007）,07规范修订的主要内容,增加了“术语、符号”一章。对各章内容及条文说明 进行了局部修改和有效性确认土的工程分类中，对塑性图进行了部分调整,粒径分界更突出了土的工程性质。将“含水量”名称修改为“含水率”,删除了“碳化钙气 压法”比重试验增加了浮力法颗粒分析试验增加了对密度计法的“刻度及弯月面 的校正”依据标准界限含水率试验增加了76g锥入土17mm的液限试验 方法和液限碟式仪试验方法渗透试验修订了变水头渗透试验方法,规定了击实试验的土类和击实筒的匹配以及击实功能。增加了标准吸湿含水率试验方法黄土湿陷试验方法中增加了自重湿陷系数试验、溶滤变形系数试验和湿陷起始压力试验增加了冻土密度试验、冻结温度试验、冻土导热系数试验、未冻含水率试验、冻胀率试验和冻土融化压缩试验的冻土类试验方法增加了湿化试验方法在土的直接剪切试验中增加了排水反复直接剪切试验方法在细粒土三轴压缩试验的固结不排水试验中，增加了固结后的土样几何尺寸计算方法；增加了“一个试样多级加荷三轴压缩试验”增加了粗粒土直接剪切试验,二、公路土工试验规程物理性关键试验指标的意义与修订,山东大学 商庆森 教授,1 土的特性,土：母岩风化而来的各种矿物颗粒（土粒）的集合体土的特征多孔性、散粒体土的特点多样性、易变性（受温度、湿度影响）土的工程现象受力变性、渗透失稳（湿陷、膨胀、溶解、变性等）、固结沉降、动荷效应土的工程性质在自然环境与外力作用下的稳定性即抗水、抗冻、抗变形与强度稳定性。土的物理状态粗粒土指密实程度；细粒土指软硬程度（粘性土的稠度）,1.1土的成因与颗粒组成决定了土的工程性质,土的成因,自然结构,a.b)单粒结构 c)蜂窝结构 d)絮状结构,颗粒组成,孔隙性,压缩与固结,毛细与渗透性,沉降与变形,工程划分大类的依据,界面性质,粒间粘结力,与水作用,胀缩性,毛细与渗透性,扰动土用于工程的性状,压实性状,渗透与毛细作用,强度与变形,动荷效应,沉降与固结,1.2 土的自身特点与工程性质是通过力学与土工试验技术来研究的,土工试验的目的：用特定的试验方法获得表征土的某种工程性能 的指标试验指标。,工程性能指标的可靠性：试验方法的科学性 试验人员的技术品德 试验人员的经验与悟性,一般土的工程试验项目：,土性的试验：成分分析化学成分、矿物成分 颗粒分析、密度 可塑性 毛细作用 酸碱度 烧失量 渗透性、毛细作用、湿化,土的强度试验：抗剪试验 三轴压缩试验 无侧限抗压试验,土的变形试验：模量试验 CBR试验,土的动力性能与压实试验：击实试验 震动液化 重复加载试验,特殊土特殊土是指具有一定分布区域或工程意义上具有特殊成分、状态和结构特征的土。如盐渍土，盐结晶膨胀，溶解湿坍，膨胀土湿胀干缩，黄土的湿陷性所以单独分类。特殊土主要包括：黄土、膨胀土、红粘土和盐渍土、冻土,2.土的几个关键指标的工程意义,是土的什么决定了土的工程性质？为什么粒径与可塑性成为路基土分类的基本依据？2.1.1 土的基本定性指标：级配、可塑性、密度、含水量 土的组成与结构决定了土的工程性质。粒径与粒级的含量可明显显现土的工程性质，也是划分土类别的关键参数。对于粘性土，所含粘土矿物的类别与含量的差异从本质上决定了它的工程性质；对于砂性土，级配决定了它的工程性质；对于粉性土，粉粒含量与其结构决定了它不良的工程性质。,土的颗粒级配：两个重要参数 Cu Cc 它对粘性土意义不大，它对粗粒土和含粗粒细粒土具有重要工程意义。工程中常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来反映颗粒级配的不均匀程度。土的级配累积曲线的展布的范围，可用Cu反应，可指示粒径大小的悬殊、粗细不同粒组的变化范围；土的级配累积曲线的形态（陡缓）可用Cc 表示，Cc指示级配累积曲线的斜率连续状况，Cc 3级配曲线不连续。c：常数 e：孔隙比。式中d60小于某粒径的土粒重量占土总重60%的粒径，称限定控制粒径；d10小于某粒径的土粒重量占土总重10%的粒径，称有效粒径；d30小于某粒径的土粒重量占土总重30%的粒径。,Cu反映曲线的坡度，实质是粒径分布不均匀程度的反映。Cc反映粒径曲线的形状，实质反映粒径间的变化规律，即连续性。Cu5，Cc=13 良好级配；若Cu5,Cc1，说明缺乏中间粒径；若Cu5,Cc=13，说明粒度均匀都属不良级配。因此，D10可反映填充情况，是毛细发达程度与管径粗细的反映，称为有效粒径，反映渗透性和渗透能力，D10越大，细粒含量越少，土越粗。D60整体反映强度，主要粒级组的含量。Cc、Cu对粘性土意义不大，只有粗粒土Cu、Cc才有意义。,粉土级配曲线,粘土级配曲线,2.1.2影响土的工程性质的两个重要物理现象,粘性土的可塑性与水相互作用的性质土的毛细现象土的毛细性质及冻胀粘性土：指具有可塑状态性质的土，IP10，IP可分为粘土（IP17）和粉质粘土（10IP17），粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总重50%，且塑性指数10的土，其性质介于粘性土与砂土这间。,粘性土的可塑-与粘粒的表面引力有关的一个现象,粘性土:就是指具有可塑状态性质的土。可塑性:指在一定的含水量状态、外力的作用下，可塑成任何形状而不发裂，当外力去掉后，仍可保持原形状不变。含水量对粘性土的工程性质有着极大的影响。,土的毛细性：指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上及向其它方向移动的现象。土能够产生毛细现象的性质称为土的毛细性。毛细水的上升是引起路基冻害的重要因素之一！毛细带：毛细现象可湿润的范围；毛细网状水带（毛细影响带）：位于毛细水带的中部，在毛细水带内，土的含水量是随温度而变化的。毛细粘聚力：水和空气的分界面上产生的表面张力。,毛细现象：,图6 土层中的毛细水带,毛细上升高度：液体总是力图缩小自己的表面积，以使表面自由能变为最小（这是一滴水球完成球状的原因）。毛细管壁的分子与水分子之间有引力作用，使管壁接触部分的水面呈向上的弯曲状，这种现象称为湿润现象。毛细上升高度：经验认为：碎石类土，无毛细作用，砂土hc=0.20.3m，粉性土0.91.5m，粘性土hc粉性土，粉砂、粉土和粉质粘土等毛细现象较显著，毛细上升高度大，上升速度快。,黄河粉土不同毛细水高度区内的含水量,试验粉土的液限L为27，塑限P为17.5，地下水位以上各层的土的稠度C按下式计算：C=（L）/（LP），计算结果见表,在5a区，粉性土路基的干湿分界稠度C0、C1、C2、C3分别为1.12、1.04、0.89、0.73，因此，在地下水位以上1.3m的毛细水上升高度内，土质全部处于过湿状态。因而，新规范给出以塑限作为强烈毛细水上升高度的上限是偏于安全的。,黄河粉土毛细水随时间上升的高度,土的分类,土的三相组成,土的颗粒性质,土的物理状态,土的水理性质,土的结构,粒间的联结力,2.1.3 土的工程分类,由=，可知，C、值是影响土的强度与抗变形能力的关键因素。C由颗粒界面引力决定。由粒径分布（级配）和嵌挤填充程度决定。抗水、抗冻性能由毛细管径（即孔隙率或孔隙比）产生。从土的比表面、吸附能力，与水作用的能力上划分：20.075砂，0.0750.005粉粒，0.0050.002粉粒，0.002粘粒。,c：常数 e：孔隙比。,2.1.3 土的工程分类把影响路基土工程性质的关键因素作为土的分类依据。,在土分类总体系中，“特殊土”增加了“冻土”一项对粗粒土和细粒土的分类进行了较大修正细化了盐渍土工程分类，新增了冻土工程分类修订的特点：（1）粒级的划分界限：0.074/0.075；0.005/0.002的问题；（2）分类粒径、粒级含量概念更准确，更突显了级配对土的工程性质的影响对粗粒祖强调了粗粒的影响 巨粒土：巨粒含量 75%巨粒主宰。粗粒土：2550%粗粒起骨架作用（3）该细的细，该粗的粗,3土的工程分类的修订,3.2巨粒土分类 93规程：在07规程中，将“漂石粒50%”改为“漂石粒卵石粒”，将“漂石粒50%”改为“漂石粒卵石粒”。,3.3粗粒土分类93规程：试样中粗粒组质量多于总质量50%的土称粗粒土。07规程：试样中巨粒组土粒质量少于或等于总质量的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。93规程：粗粒土中砾粒组质量少于或等于总质量50%的土称砂类土。07规程：粗粒土中砾粒组质量少于或等于砂粒组质量的土称砂类土。,3.4 细粒土分类细粒土划分规定93规程：（1）细粒土中粗粒组质量少于总质量25%的土称细粒土。（2）细粒土中粗粒组质量为总质量25%50%的土称含粗粒的细粒土。（3）含有机质的细粒土称有机质土。07规程：（1）细粒土中粗粒组质量少于或等于总质量25%的土称粉质土或黏质土。（2）细粒土中粗粒组质量为总质量25%50%（含50%）的土称含粗粒的粉质土或含粗粒的黏质土。（3）试样中有机质含量多于或等于总质量的5%，且少于总质量的10%的土称有机质土。试样中有机质含量多于或等于10%的土称有机土。,3.特殊土分类 07规程对盐渍土的分类进行了细分，并增加了冻土分类标准。盐渍土工程分类,冻土按冻结状态持续时间分类,塑性图是美、英、日、德等国长期使用的，国际上称它为卡氏塑性图。图中的液限是卡氏碟式仪测定的。鉴于国标土的分类标准（GBJ 145-90）的最新修订报批稿采用了质量为76g、锥角为30、入土深度为17mm的液限标准wL和wL10，wL与碟式仪液限时的不排水强度等效，为此，07规程中测定土的液限采用碟式仪或相当于76g锥入土深度17mm的方法。考虑到100g锥入土深度20mm是公路交通系统的研究成果，且该两种方法的试验结果等效，本次修订将两种方法同时列出，均可采用塑性图进行分类。仍将93规程中的原老土名与现分类土名对照表列出，便于大致对照。从表中可以看出，一个老土名可能出现两个新土名，表明老分类法的不合理性。,为什么塑性图中出现了IP=7和IP=4两条横虚线呢？1）塑性图是按国际上广泛应用的碟式液限仪的试验标准和我国以往长期采用的按塑性指数IP分类的标准确定的。2）塑性图中IP=7和IP=4两条横虚线，由于该区域液限很小，特别是液限15，土处于液限饱和状态，依据抗剪试验摩擦角等于零画出的。两横线之间的区域，可能由低液限粉土ML过渡为低液限黏土CL，是土性变异性最大区域。3）93规程塑性图中采用的IP=10和IP=6两条横虚线是按理论液限值推算出来的。根据国内外各行业通常的习惯，冻土按冻结状态持续时间分类，可分为多年冻土（简称“永冻土”）、隔年冻土和季节冻土（简称“季冻土”）。,新老土名对照表,塑性图首先由美国卡萨格德（Cassagrande）于1947年提出，现为世界通用的一种细粒土的分类方法。在卡萨格兰德的塑性图中，以塑性指数为纵轴，他将大量的试验数据点在塑性图中，形成了具有良好分布规律的散点条带，其直线方程即为图中的A线。,土工实验规程(新),在07规程中，上横虚线为Ip=7，下横虚线为Ip=4.93规范上横虚线为Ip=10，下横虚线为Ip=7按理论液限值推算出的。,用塑性图划分细粒土应注意：土的塑性指数 取决于粘粒含量、粘粒的矿物种类、有机质含量。而液限又是最敏感的指标，因而不同的液限、塑限可能给出相同的塑性指数，而土性却可能根本不同，此乃塑性图分类的一个缺陷。第二个缺陷：试验的操作误差，如装土密度、特别是粉性土刮的次数（1、2次可以，刮3次水上来了）有机质的影响用烘烤后的液限降低来判别是最简易的方法。,2.2 土的水力性质判断土的水、温度稳定性；软硬状态,毛细上升高度-土的冻胀、土的扰动液化、土的季节强度波动土的湿化试验-新增的指标，他对了解土性、判别粘性土与特殊土的湿坍与崩解有很直观的意义。土的稠度试验-物理概念是土的软硬程度（反映土中水的存在状态）。工程概念是土对外力引起变形或破坏的能力。是公路上判断路基土处于何种干湿状态、确定路基临界高度与设计回弹模量的重要指标。固态或半固态（粒间只有强结合水）可塑态（粒间弱结合水存在，弱结合水呈粘滞状态）流动状态（粒间被自由水所隔开，呈流动状态）,路基干湿类型划分,路基干湿类型：指路基处于某种含水量时所具有的可塑状态，（即稠度或软硬程度）。干湿类型受土的含水量，土的物性指标Wl、wp(Ip)和地下水位的影响。划分干湿类型的目的是保证路基始终处于具有抵抗变形的能力的状态，当路基在长期处于含水量或受季节地下水位波动影响时，就要进行工程处理。,平均稠度：式中，当；当；当，路基土处于可塑状态。平均稠度对应的干湿状态：干燥状态；半固态与硬塑。：中湿状态；可塑：潮湿状态；软塑：过湿状态；流塑,路基临界高度 路基在行车荷载作用下的强度与稳定性受水影响的程度，与路基临界高有关。路基临界高度概念：最不利季节，路床处于某种干湿状态时路床顶面距地下水位或表长期积水位的最小（起码）高度。注意：临界高度是指路基边缘点到地下水位的距离。,木等级路地下水位一般在1-2米间。根据室内试验的结果，该区域粉性土的毛细水上升高度一般在1.4-1.5米之间，粘性土的毛细水上升高度一般也在0.6米以上。因此，可以说大部分路基工作区处于潮湿状态，甚至是过湿状态。路基、地基的承载能力不足造成路面纵向开裂、车辙与沉陷。,土的稠度试验原规范存在的问题,稠度的定义式：（a）经验式：（b）式中h为对应土的含水量 的锥入深度。公式（b）是个经验公式，适用时用定义式（a）93规程中：错在分子与分母颠倒了。,5.土的含水率试验（修正）,T0103-1993 烘干法93规程：对含有机质超过5%的土，应将温度控制在65-70的恒温下烘干。07规程：对含有机质超过5%的土或含石膏的土，应将温度控制在60-70的恒温下，干燥12-15h为好。为什么干燥12-15h 某些含有石膏的土在烘干时会损失其结晶水，用此测定其含水率有影响。每1%的石膏对含水率的影响约为0.2%。如果土中有石膏，则试样应该在不超过80的温度下烘干，并可能要烘干更长的时间。,土的含水率是反映土的状态的基本物理指标,6比重的基本概念：,现代科学技术词典定义：材料的密度与其一标准材料密度之比。国内土工试验规程与教科书的土粒比重定义：土粒在100150烘至恒温时的质量与同体积4 时纯水质量的比值试验方法依据的这个定义,6.土的比重试验,07规程新增了T0169-2007 浮力法目的和适用范围 目的是测定土颗粒的比重。适用于粒径大于或等于5mm的土，且其中粒径大于或等于20mm的土质量应小于总土质量的10%。试验原理 通过测定试样完全浸没在水中时的浮力质量确定其表观体积，进而确定其表观比重（即视比重）。粒径小于5mm的执行93规范的比重瓶法。,1.颗粒大于5mm的砾石、碎石等粗粒，颗粒本身有空隙存在。空隙又分封闭的与开敞的两部分。浸水时开敞部分为水所填充，封闭部分水不能进入。因此，粗粒比重的种类通常以视比重、干比重、饱和面干比重和比重四种方法来表示。2.规程中采用视比重，这样比较方便，因为一般指的空隙，实际上是指被水充填的孔隙。3.浮力法所测结果较为稳定。但大于20mm粗粒较多时，采用本方法将增加试验设备，室内使用不便。因此，规定粒径大于5mm的试样中大于或等于20mm颗粒含量小于10%时用浮力法。,比重的条文说明,8.细粒土比重计法颗分的原理,在进行粒度成分分析时，先把一定重量Ws(g)的干土制成一定体积的悬液，搅拌均匀后，在刚停止搅拌的瞬时，各种粒径的土粒在悬液中是均匀分布的，即各种粒径在悬液中的浓度在不同深度处都是相等的。静置一段时间ti(s)后，悬液中粒径为di的颗粒以相应的沉降速度vi在水中沉降。较粗的颗粒沉降较快，较细的颗粒则沉降较慢。,8.颗粒分析试验,T0116-2007 密度计法增加了“密度计刻度及弯月面校正”项，可按标准玻璃浮计检定规程（JJG 86-2001）进行。由于不同浓度溶液的表面张力不同，弯月面的上升高度也不同，密度计在生产后其刻度与密度计的几何形状、质量等均有关。因此，需要进行刻度、有效沉降距离和弯月面的校正。密度计土粒沉降距离校正消除密度计浮泡对土粒沉降距离的影响。试验注意事项：温度、煮的时间一定要掌握好；比重计方的太快扰动，太慢读数不准。慢放时，读数一定要在稳定之前读。,为什么砂土的密实度可以用相对密度Dr来评价？,砂土土粒间的联结是极其微弱的。土粒排列的紧密程度对砂土的工程性质有重要影响，当砂土样以最疏松状态制备时，其孔隙比达最大值emax，当砂土样受震或捣实时，砂粒相互靠拢压紧，孔隙比达最小值emin。砂土在天然状态下的孔隙比为e，则砂土在天然状态下的紧密程度，可用相对密度Dr来表示。当Dr=0，表示砂土处于最疏松状态；当Dr=1.0,表示砂土处于最紧密状态。,为什么砂土的密实度可以用相对密度Dr来评价？,砂土的密实度受级配与颗粒排列方式影响，干密度与孔隙比不能正确反映松密与排列状态，故用Dr来表示。由于砂土试验时,emax、emin、e难以准确确定，特别是现场e的准确确定是影响De的关键。因此，Dr用于反映填方质量及用于填方质量控制是可以的，难于用于评价天然土的密度。天然砂土的密实度，现场原位标准灌入试验最好。,