《公路水运检测道路工程》第二章 土石与土工合成材料 知识点分享~
第一节 概述1.1土的形成
1. 土石由地壳表面的岩石经过物理风化、化学风化和生物风化作用之后的产物。
2. 物理风化只改变岩石颗粒的大小和形状，不改变颗粒的成分。
3. 物理风化指的是岩石暴露在大气中，受到温度变化的影响，体积经常发生膨胀和收缩，不均匀的膨胀和收缩使之产生裂缝，同时长期经受风、霜、雨和雪的侵蚀以及植物的破坏，逐渐由整块岩体崩解成大小不等和形状不同的碎块的过程。
4. 化学风化指的是物理风化后形成的碎块与氧气、二氧化碳和水接触后，发生化学反应，变成更细的颗粒并且其成分也发生改变，产生与原来岩石成分不同的矿物的过程。
5. 生物风化指的是在物理风化和化学风化的基础上，由于生物活动的参与，进而产生有机质的积聚的过程。
6. 广泛分布在地壳表面的土，主要特征是分散性、复杂性和易变性。
7. 土是受不同自然力作用且不同的环境下沉积形成的。
8. 土在瘦到外界温度和湿度变化的影响时极易发生变化。
1.2土的三相组成
1. 土是由土颗粒（固相）、水（液相）和气体（气相）三种物质组成的集合体。
2. 土的固相物质分为无机矿物颗粒和有机质，是土体的骨架物质。其中无机矿物颗粒又分为原生矿物和次生矿物两大类。
3. 原生矿物是指岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石、云母等。
4. 次生矿物则是由原生矿物经化学风化作用后而形成的新矿物，如三氧化二铁、三氧化二铝、次生二氧化硅、黏土矿物及盐类等。
5. 次生矿物的成分和性质比较复杂，对土的工程性质影响较大。
6. 腐殖质土是指土在风化过程中由于微生物的参与产生有机质成分，其中有机质成分分解完善的。
7. 泥炭指的是其中有机质成分分解不完善、尚存有残余物的。
8. 有机质成分对土的工程性质具有不利影响，在公路工程中不应采用。
9. 土的液相是指土孔隙中存在的水。
10. 土中水是成分复杂的电解水溶液，它与土粒间有着复杂的相互作用。
11. 水在土中以三种状态存在：固态、液态和气态。
12. 气态水：在土孔隙中任何时候都存在有水汽，它与空气形成气态混合物。
13. 液态水：可分为存在于矿物颗粒内部的水——化学结构水和化学结晶水，及存在矿物颗粒表面的水——结合水和自由水。
14. 结合水：通过土颗粒表面静电引力所吸附的表面水。
15. 结合水根据被吸附的程度又可分为两种形态的结合水：强结合水和弱结合水。
16. 强结合水：土在风干状态下，都含有一定数量的强结合水，这种水是由处于干燥土颗粒吸附空隙中的水汽形成。强结合水只有转变为气态，才能够移动。
17. 强结合水的含量决定于土的矿物成分和粒度成分，土颗粒越细，比表面积越大，含有黏土矿物和腐殖质时，强结合水含量则偏高。
18. 弱结合水：在强结合水外有一定范围内的水分子，受到1~10个大气压力，被吸附在土粒表面。
19. 土中含有弱结合水时可使土具有塑性。
20. 自由水：包括毛细水和重力水。
21. 毛细水：水域土孔隙管壁接触时，由于湿润和静电引力的作用，在毛细管中形成弯液面。
22. 重力水：重力水的特征是液体状态，在重力作用下倾向垂直下行（或侧向沿地面坡度）运动，具有很强的溶解作用，能够以溶液状态转运盐分、胶体溶液和很细的悬浮体等。
23. 固态水——冰：即处于固态的晶体状态中的水，是自由水的一个特殊类型。
24. 土的气相主要指土孔隙中充填的气体。
25. 土中的气体可分为两类：与大气相连通的自由气体和与大气隔绝的封闭气体（气泡）。
26. 土中孔隙体积大，土就松，土中水分多，则土就软。
27. 水的反映土的物理性质的指标有密度、比重、含水率、干密度、饱和密度、浮密度、孔隙比、孔隙率、饱和度等。
1.3土的试验项目
1. 物理性质试验：包括含水率、密度、比重、颗粒分析和相对密度等。
2. 水理性质试验：包括界限含水率、稠度、膨胀、收缩和毛细水上升高度等。
3. 力学性质试验：包括渗透性、击实性、压缩性、黄土湿陷性、直接剪切、三轴剪切、无侧限抗剪、土基承载比及回弹模量等。
4. 化学性质试验：包括酸碱度、烧失量、有机质含量，可溶盐含量、阳离子交换量和矿物成分等。
第二节 土的物理性质试验1.1含水率试验
1. 土的含水率试验方法主要有烘干法、酒精燃烧法和比重法。
2. 烘干法是测定含水率的标准方法，适用于黏质土、粉质土、砂类土、砂砾石、有机质和冻土等土试样。
3. 烘干法仪器设备：烘箱（可采用电热烘箱或温度能保持105~110℃的其他能源烘箱）、天平（感量0.01g，称重200g）、其他（干燥器、称量盒等）。
4. 对于粗粒土，烘干法中的称量盒可采用铝制饭盒、搪瓷盘等，相应的土样也应多些。
5. 酒精燃烧法：在土样中加入酒精，利用酒精能在土上燃烧，使土中水分蒸发，土样成干燥状态。本法是快速测定法中较准确的一种，现场测试中用得较多。
6. 酒精燃烧法设备：称量盒、天平（感量0.01g）、酒精（纯度95%）、滴管、火柴、调土刀等。
7. 比重法：仅适用于砂类土。
8. 比重法仪器设备：玻璃瓶（容积500mL以上）、天平（称量1000g，感量0.5g）、其他（漏斗、小勺、吸水球、玻璃片、土样盘及玻璃棒等）。
1.2密度试验方法
1. 测定密度常用的方法有环刀法、蜡封法、灌砂法、灌水法等。
2. 环刀法：采用一定体积的环刀切削土样，使土样环刀形状充满其中，测环刀中土重，根据已知环刀的体积就可计算土的密度。
3. 环刀法仪器设备：环刀（内径6~8cm，高2~5.4cm，壁厚1.5~2.2mm）、天平（感量0.1g）、其他（修土刀、钢丝锯、凡士林等）。
4. 蜡封法：将不规则的土样称其自然质量后，侵入熔化的石蜡中，使土样被石蜡所包裹，而后称其在空气中的质量与在水中的质量，并按公式计算土样密度。
5. 蜡封法适用于易破裂土和形态不规则的坚硬土。
6. 蜡封法仪器设备：天平（感量0.01g）、烧杯、细线、石蜡、针、削土刀等。
7. 灌砂法：适用于现场测定细粒土、砂类土和砾类土的密度。
8. 灌砂法试样的最大粒径一般不得超过15mm，测定密度层的厚度为150~200mm。
9. 灌砂法仪器设备：灌砂筒（金属圆筒的内径为100mm，总高360mm）、金属标定灌（内径100㎜，高150mm和200mm的金属罐各一个，上端周围有一罐缘）、基板（一个边长350mm、深40mm的金属方盘，盘中心有一直径100mm的圆孔）、打洞及从洞中取料的合适工具（如凿子，铁锤，长把勺，长把小簸箕，毛刷等）、玻璃板（边长约500mm的方形板）、饭盒若干（存放挖出的试样）、台秤（称量10~15㎏，感量5g）、其他（铝盒、天平、烘箱等）、量砂（粒径0.25~0.5mm、清洁干燥的均匀砂，20~40㎏。应先烘干，并放置足够时间，使其与空气的湿度达到平衡）。
10. 灌水法：适用于现场测定粗粒土和巨料土的密度。
11. 灌水法仪器设备：座板（座板为中部开有圆孔，外沿呈方形或圆形的铁板，圆孔处设有环套，套空的直径为土中所含最大石块粒径的3倍，环套的高度为其粒径的5%）、薄膜（聚乙烯塑料薄膜）、储水筒（直径应均匀，并附有刻度）、台秤（称重50㎏、感量5g）、其他（铁镐、铁铲、水准仪等）。
1.3比重试验
1. 土的比重试验目的是求得土在105~110℃下烘干至恒重的质量与同体积4℃时蒸馏水的质量的比值。
2. 土的比重试验方法有比重瓶法、浮称法、浮力法和虹吸筒法。
3. 比重瓶法：适用于粒径小于5mm的土。
4. 浮称法：适用于土的粒径大于或等于5㎜的土，其中粒径大于或等于20㎜的土质量应小于总土质量的10%。
5. 浮力法：适用于粒径大于或等于5㎜的土，且其中粒径大于或等于20㎜的土质量应小于总土质量的10%。
6. 虹吸筒法：适用于粒径大于或等于5mm的土，且其中粒径大于或等于20㎜的土的含量大于或等于总土质量的10%。
1.4颗粒分析试验
1. 土粒大小是描述土的最直观和最简单的标准。
2. 常用的分析土粒大小的方法有两种：对于大于0.075㎜的土粒常采用筛分法，而对于小雨0.075㎜的土粒则用沉降分析法。
3. 筛分法：把试样在筛网网孔逐级减小的一套标准筛上摇振，存留在某一筛孔的土粒重量，代表了该筛孔尺寸土粒的重量。
4. 沉降分析法：依据的是原理是马笃克斯（Stokes）定律，当土粒在液体中靠自重下沉时，较大的颗粒下沉较快，而较小的颗粒下沉则较慢。
5. 土粒的大小称为粒度。
6. 在工程上，常把大小相近的土粒合并为组，成为粒组。
7. 粒组的划分有两种方式：任意划分的方式，即按一定的比例递减关系划分粒组的界限值；考虑土粒性质变化的方式，即使划分的粒组界限值与粒组性质（如矿物成分、物理性质、水理性质、力学性质等）的变化相适应。
8. 土的粒度成分：指土中各种不同粒组的相对含量（以干土重量的百分比表示），可用来描述土的各种不同粒径土粒的分布特性。
9. 常用的粒度成分的表示方法有：表格法、累计曲线法和三角形坐标法。
10. 筛分法：适用于分析粒径大于0.075㎜的土颗粒组成。对于粒径大于60㎜的土样，本实验方法不适用。
11. 密度计法：适用于分析粒径小于0.075㎜的细粒土。
12. 密度计法土样应采用风干土。
13. 移液管法：适用于分析粒径小于0.075㎜细粒土的组成。
1.5砂的相对密度试验
1. 砂土的密实状态对其稳定性有很大影响。
2. 相对密度是砂紧密程度的指标，等于其最大孔隙比与天然孔隙比之差和最大孔隙比与最小孔隙比之差的比值。
3. 本实验十一公寓颗粒直径小于5㎜的土，且粒径2~5㎜的试样质量不大于试样总质量的15%。
1.6液塑限试验
1. 含水率对黏性土的工程性质（如强度、压缩性等）有极大的影响。
2. 当黏性土含水率极高时，土变成泥浆，呈黏滞流动的液体。
3. 当含水率降低时，土能承受较大的剪切应力，在外力作用下不再具有塑性体特征，而呈现具有脆性的固体特征。
4. 土由塑性体状态向脆性固体状态过渡的界限含水率成为塑限Wp。
5. 液限和塑限在国际上称为阿太堡界限（Atterberg Limit）。
6. 液塑限联合测定法：适用于粒径不大于0.5㎜、有机质含量不大于试样总质量5%的土。
7. 液限蝶式仪法：适用于粒径小于0.5㎜以及有机质含量不大于试样总质量5%的土。
8. 塑限滚搓法：适用于粒径小于0.5㎜以及有机质含量不大于试样总质量5%的土。
9. 搓条法测土的塑限为国内外以往常用的基本方法。
10. 缩限试验：土的缩限是扰动的黏质土在饱和状态下，因干燥收缩至体积不变时的含水率。适用于粒径小于0.5㎜和有机质含量不超过5%的土。
1.7土的天然稠度试验
1. 土的液限与天然含水率之差和塑性指数之比，成为土的天然稠度。
2. 直接法：按烘干法测定原状上的天然含水率，用稠度公式计算土的天然稠度。
3. 间接法：用LP-100型液限塑限联合测定仪测定天然结构土体的锥入深度，并用联合测定结果确定土的天然稠度。
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