土工試驗讀書報告.doc

研 究 生 讀 書 報 告（2010 -2011 學年第二學期）土工測試原理與技術讀書報告研究生：伍尚勇提交日期： 2011年7月8日 研究生簽名：學 號201020105564學 院土木與交通學院課程編號S0814004課程名稱土工測試原理與技術學位類別碩士任課教師劉叔灼 副教授教師評語： 成績評定： 分 任課教師簽名： 年 月 日目 錄0 土的工程性質- 1 -0.1 概述- 1 -0.2 土的物理性質- 3 -0.3 土的力學性質- 6 -0.4 土的本構關系- 10 -1 土的含水率試驗- 15 -1.1 概述- 15 -1.2 試驗方法及原理- 15 -1.3 含水率試驗存在的一般問題- 16 -2 土的密度試驗- 16 -2.1 概述- 16 -2.2 試驗方法及原理- 16 -2.3 密度試驗的常見問題- 17 -3 比重試驗- 17 -3.1 概述- 17 -3.2 試驗方法及原理- 18 -3.3 比重試驗常見的問題- 19 -4 界限含水率試驗- 20 -4.1 概述- 20 -4.2 試驗方法及原理- 20 -5 顆粒分析試驗- 21 -5.1 概述- 21 -5.2 試驗方法及原理- 22 -5.3 土的顆粒分析試驗常見問題- 24 -6 擊實試驗- 24 -6.1 概述- 24 -6.2 試驗方法及原理- 25 -6.3 影響土體壓實的主要因素- 25 -7 三軸壓縮試驗- 26 -7.1 概述- 26 -7.2 試驗的方法及原理- 27 -7.3 抗剪強度試驗存在的問題- 28 -8 結論- 29 -土工測試原理與技術讀書報告班（年）級：10屆土木班 專業(yè)：巖土工程學號：201020105564 姓名：伍尚勇摘要：自然界中的土是指分布在地球表面的松散的、沒有膠結或弱膠結的大小、形狀和成分都不相同的顆粒堆積體，它是自然地質歷史的產物。在漫長的地質歷史演變過程中，由堅固而連續(xù)的巖體經過多種風化作用變成大小不一甚至大小懸殊的顆粒，經由各種地質作用的剝蝕、搬運而在不同的環(huán)境中沉（堆）積形成土體。不同的土，具有不同的工程力學性質，只有正確認識了各種土的性質，在工程中，我們才能保證工程的安全、經濟和合理。而對于土的性質的了解與把握，必須借助各種實驗與試驗，土工試驗不僅是巖土工程勘察的重要工作內容，還是工程地質工作的重要組成部分之一，其質量對工程勘察報告有著直接的影響，在工程設計和工程地質勘察中，它為研究土體變形機理及工程地質性質提供物理、力學性質指標，在實際工程中，沒有任何建筑地點呈現出與任何其他地點土質情況特別相似的情形，即使在同一地點，土的性質也可能發(fā)生變化。而了解土工測試原理，掌握土工測試技術，就成了認清土工工程性質的基本方法。本文首先對土的工程性質做了一個基本的介紹，然后重點論述了幾個重要的試驗原理及其方法。關鍵詞：土的工程性質 含水率 密度 比重 顆粒分析 擊實 三軸試驗0 土的工程性質0.1 概述由于土成因類型和成土時間的多樣性，自然環(huán)境和地質作用的復雜性，不同地點土體的工程性質千差萬別。但是在大致相同的地質年代及相似沉積環(huán)境下形成的土體往往在成分和工程性質上是相近的。如我國大陸的地勢走向是自西向東由高至低傾斜，河流大部于東部入海，于是在河口海岸地帶常形成三角洲沖積平原。這些區(qū)域因為氣候關系及土中水份的蒸發(fā)，往往形成表層的硬殼層，其下反而是軟土層。硬殼層的厚度各地有所不同，且有自北而南逐漸減薄的趨勢。軟土一般具有“三高三低”特性：高含水率、高靈敏度、高壓縮性、低密度、低強度、低滲透性。軟土中工程的設計和施工也因其特殊的力學性狀而增加了難度。另外在沿海地區(qū)由于河流與海水的交替作用而出現淤泥或黏土與粉質土的交替沉積，故而常形成黏土、粉土互層或在厚層黏性土中夾有多層厚度只有約12mm的薄粉砂（土）層的微層理構造，其中以上海地區(qū)的淤泥質黏性土層最為典型。這種土層分布具有水平向高滲透性和作為潛藏流砂源點的工程特性，會對工程設計和施工造成比較大的影響。一般情況下，各種成因的土體多是三相體（介質），它們的構成特性、結構和構造均有其某些共性，著重從工程的角度考慮，把它們對于土體工程性質的可能影響作了定性的簡述。充填在土孔隙間的水是土體的重要組成部分，土的性質，特別是黏性土性質的多變性，主要就是由于土中水含量的變化及其與固體顆粒相互作用的結果。土中水通過物理及化學的作用改變了土體結構，影響了土體狀態(tài)和物理力學性質參數；通過土體孔隙水壓力作用，使土體有效應力減小、抗剪強度值降低；土體孔隙內地下水的滲流也會改變固體顆粒的應力狀態(tài)，影響土的工程性狀。外界條件的改變，常會引起土中水含量和孔隙水壓力的變化，從而使土的工程性狀發(fā)生明顯變化，如基坑開挖會使基坑周圍土體的原有水土應力平衡受到破壞、暴雨或地下水管漏水引起的地下水位突升易造成基坑失穩(wěn)、卸荷誘發(fā)的負孔壓消散對坑底回彈的影響、基坑降水引起的周圍地面沉降等都是明顯的例子。0.2 土的物理性質土的物理狀態(tài)物理狀態(tài)是認識土體性質的最初也是最基本的方面，是指土體在天然狀態(tài)下或人工制備條件下的存在性狀。土體的物理狀態(tài)主要包括各相（固、液、氣）組成及其構成方式，顆粒構成物及其大小配置，重量或體積的大小，軟硬松密狀態(tài)及程度，土中孔隙及其大小，孔隙中含水或飽水程度和多寡（這后者較之其它工程材料，卻是土體所特有的物理內容）等等。土體是由固、液、氣組成的三相分散體系，固相是土體的主體組成部分，構成土的骨架，液相和氣相充填于土體孔隙內。土顆粒的大小和形狀是描述土的最直觀和最簡單的標準。土的顆粒級配多采用累計曲線來表示，一般采用不均勻系數和曲率系數來評價土的級配優(yōu)劣及其對工程性質的影響。根據土粒的粒徑從大到小而將土體依次區(qū)分成石（漂、塊、卵、碎石等）、礫（圓、角礫）、砂（礫、粗、中、細、粉砂等）、粉土和黏性土等。一般情況下，土體依據顆粒級配或塑性指數等指標可以劃分為碎石土、砂土、粉土、黏性土、特殊性土等五大類，其中，在人們的生產實踐中最具工程意義又予以更多關切的應是砂土、粉土和黏性土等3種基本土類。在自然界中，土粒單元所構作的粒狀結構、蜂窩狀結構和絮狀結構等3種基本結構形態(tài)大體上已被確認為砂土、粉土和黏性土等3種基本土類的固相的主體結構構成形態(tài)，而散粒狀、層狀、裂隙和結核狀等四種構造形式則是土體最常見的宏觀存在形態(tài)。液相在土體中的存在由土粒核心輻射向外依次形成了結晶水、強結合水、弱結合水、重力水或毛細水等的層次結構，反映了顆粒的分子引力的逐次減弱和重力場作用的逐漸增強直至完全起控制作用。土體內液相的數量和存在形態(tài)及其與土粒的相互作用對土體的物理狀態(tài)和工程性質具有重要影響。氣相多充填土體孔隙的一部分或極少部分，一般認為當土內氣相與大氣連通時，對土的工程性質無明顯影響，但當以封閉氣泡存在于土中時，會增大土的彈性和減小土的滲透性。土體三相構成及其存在形式和相互作用是土體性質特別是其力學性質和工程宏觀反應復雜多變的物理基礎。碎石土和砂土的物理狀態(tài)主要受控于其密實程度，而黏性土的軟硬狀態(tài)受含水率的影響更大。土的物理指標1. 三相比例指標三相比例指標是指土的三相物質在體積和質量上的比例關系，它反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密，是評價土的工程性質最基本的物理指標，其中可以在實驗室內直接測定的指標是重度（天然重度）、含水率、土粒相對密度或土粒密度（前者無量綱，后者有量綱）。由此引伸和換算出其它6個常見的物理指標，即干重度、飽和重度、浮重度、孔隙比、孔隙率及飽和度等。實際上，在土的上述常用三相比例指標中，只有3個是獨立的，只要知道任意3個指標，其余指標都可以通過三相草圖進行換算。三相比例指標的提出極大地方便了工程實用以及對土體物理狀態(tài)認識的定量化，特別是其中的孔隙比、飽和度等指標采用的是相對值概念，從而為它們的確定與應用帶來靈活性。2. 物理狀態(tài)指標土體的物理狀態(tài)指標是指反映土體軟硬程度或松密程度所采用的表達方法和相應的指標。砂土、粉土的松密程度用砂土和粉土的密實度來定義和表達。此前曾用過相對密實度Dr和孔隙比e來反映砂土的松密狀態(tài)，目前有關國家標準多采用標貫擊數N63.5和孔隙比e的大小分別將砂土和粉土區(qū)分為密實、中密、稍密和松散等不同狀態(tài)；黏性土的界限含水率（縮限、塑限和液限）以及塑性指數Ip、液性指數IL則是它的重要物理狀態(tài)指標。它們不僅表示黏性土中隨著其含水率變化所導致的土體的不同軟硬狀態(tài)和稠度性狀，而且還可定性地判斷土體中黏粒含量的多寡及其對黏性土可塑性（因而也是對其工程性能）的影響。在長期的巖土工程實踐中，黏性土的塑性指數還一直被用作區(qū)分黏性土及其亞類直至粉土的標準，而根據液性指數的不同則可以把黏性土區(qū)分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑以及流塑等五種稠度狀態(tài)，這將有助于直觀而有效地對現場土體的工程性能作出定性判斷。3. 物理指標及其與工程性質的關系從土力學和工程的角度考察土體物理性質，除了認識土體存在的物理狀態(tài)與性狀本身外，主要是據以了解其對土體力學性質和工程性狀的影響或作用。經過長期的實踐積累，迄今已可在兩者之間作出（也是比較方便的）定性的估計和判斷。國內外工程技術人員根據大量測試數據或資料的對比分析，運用數理統計的方法，已經建立相當數量的物理性質指標和力學性質指標之間相互關系的經驗表達式。但這些表達式多是建立在加荷條件下，由于加荷和卸荷作用下土體力學性狀具有較大差別，這些經驗關系式能否直接應用到工程中還有待進一步的研究和驗證。土體擾動與土的物理性質的變化土體擾動會對土體的物理性質及其指標產生一定程度的影響。如土體擾動引起的基坑底和坑周土體回彈會改變部分土體的孔隙比和密度等指標；降水會造成土體含水率和飽和度的降低及軟硬物理狀態(tài)的改變；因局部滲漏或意外水體作用引起的浸潤濕化作用不但會改變土體的含水率等宏觀物理指標，而且會誘發(fā)黏性土微結構失穩(wěn)等微觀結構特性發(fā)生變化；土體擾動和降水引起的土體內滲流和負孔隙水壓力的消散也會改變土體的物理性質指標，而且這些影響會隨開挖和降水作用強度的不同而不同。因此，在工程中，應該重視土體擾動對土體物理性質的影響。但是，目前有關這方面的定量研究還很少，土體擾動對土體物理性質及其指標的影響目前還處于定性評價階段。0.3 土的力學性質有效應力與孔隙水壓力1. 有效應力原理飽和土的有效應力原理是K.Terzaghi在發(fā)表滲透固結理論時同時提出的，該理論闡明了松散顆粒土體與連續(xù)固體材料的本質區(qū)別，奠定了現代土力學變形和強度計算的基礎。該原理認為，施加在飽和土體上的總應力可以分為兩部分，一部分由孔隙水承受，稱為孔隙水壓力；另一部分由土體骨架承受，稱為有效應力，它們構成了飽和土體內部的受力和傳力機制，在總應力不變的條件下，二者共同承擔又互相轉換。該原理可以表述為：（1）飽和土體任一平面上受到的總應力等于有效應力與孔隙水壓力u之和，即滿足：（2）土體的強度變化和變形只決定于土中的有效應力變化，而與土體內的孔隙水壓力無直接關系。但是應當指出，現在理解的有效應力并不是顆粒之間接觸點處的實際接觸應力，僅僅是一個唯象的概念，是一個象離心力一樣的虛構應力。有效應力的物理內涵實質上是相對于總應力作用面積上的經過固體顆粒傳遞的粒間應力垂直分量的平均值，對于極細粒土，它還包括顆粒之間分子引力的作用。因此，土中的有效應力很難直接測定，目前只能通過理論估算或現場量測孔隙水壓力來間接求取?？紫端畨毫浪愫蜏y定的正確與否直接影響著有效應力原理的工程應用價值與有效性，這一點已成為現在有效應力原理應用上的一個局限。非飽和土（三相土體）的有效應力與孔隙壓力問題由于土中存在孔隙氣而相對復雜。其孔隙壓力中包含了孔隙氣壓力的估計及其測定。相對而言，非飽和土的有效應力原理遠不如飽和土的成熟。對于它的總應力、有效應力和孔隙壓力三者之間關系，目前人們仍常用Bishop建議的表達式來說明和討論：式中表征孔隙氣壓力存在和作用的系數，隨土的飽和度、土類和應力路徑而變化，大小介于0和1之間；uw、ua孔隙水壓力和孔隙氣壓力（kPa）。鑒于有效應力原理應用到非飽和土還存在一些缺陷，Fredlund又提出了雙應力變量理論，即在分析非飽和土的強度和變形特性時，將凈應力（- ua）和基質吸力（ua-uw）視為兩個獨立的應力變量，而不是用有效應力來建立關系。2. 孔隙水壓力估算按照有效應力原理，飽和土體在不排水條件下，當時間t=0時，總應力的作用將由孔隙水全部承受，其初始孔隙水壓力u對于簡單應力狀態(tài)（例如一維豎向應力狀態(tài)）則是等于總應力，即：而對于復雜應力狀態(tài)，例如二維增量主應力1、3的組合作用，Skempton（1954）基于常規(guī)三軸試驗成果提出如下孔隙水壓力增量u的表達式：以全量表示時為：在基坑工程中，對于基坑側壁的土體，多處于側向卸荷狀態(tài)，此時可采用軸向應力保持不變、徑向應力減小的三軸主動壓縮試驗來模擬，1=0，2=3=1-3，此時孔隙水壓力變化u的計算公式可以簡化為：在基坑工程中，對于基坑底部的土體，多處于豎向卸荷狀態(tài)，此時可采用徑向應力保持不變、軸向應力減小的三軸主動伸長試驗來模擬，3=1-3，1=2=0，此時孔隙水壓力為負值，其變化量u的計算公式可以簡化為：上列各式中，A，B分別為反映土體在剪應力和平均主應力作用下誘發(fā)孔隙水壓力變化的孔隙水壓力系數，它們反映了土體的非線性性質。其中，系數A不是一個常數，其數值主要取決于剪應力作用下土體的體積變化，因而大小受到多種因素的影響，如土的應力歷史、應力水平、初始應力狀態(tài)及應變大小等等。剪破時的孔隙水壓力系數Af值將隨超固結比的增加而從正值減小到負值，常見土體Af值的典型范圍見表3-6所示；系數B與土體飽和度有關，對于完全飽和土，B =1，干土，B =0，一般非飽和土，B介于0和1之間。3. 有效應力原理在工程中的應用土體有效應力原理及其重要性已日益被認識和重視。因為它幾乎在土力學的若干重要方面都得到反映，而且促進了土力學解決工程問題的發(fā)展。它的建立使土力學有了自己特定的理論原理。有效應力原理的提出與應用使土力學有了本身區(qū)別于一般固體力學的特征性原理。從現有的土力學系統看來，它幾乎程度不同地貫穿于整個土力學學科的各項內容。土體固結理論應該是有效應力原理中孔隙壓力與有效應力的分擔與轉換關系的最重要和最明確的應用，它是固結理論得以建立的物理基礎；土力學中抗剪強度的不同試驗測定方法及其相應指標的產生則是有效應力原理對經典強度理論和破壞準則在土體中的具體化描述和可操作應用所作出的貢獻。由于有效應力指標或參數所具有的相對穩(wěn)定不變的特點，因而被認可為它反映了土體的固有屬性且可以作為可信賴的常數使用，由此也就引導出基坑圍護設計和穩(wěn)定分析的有效應力方法。估算支護結構上土壓力大小的水土分算方法即是這一原理在基坑工程應用的一個具體實例。必須指出和注意的是，從理論上來說，此時的抗剪強度參數應采用相應的有效應力指標。負孔隙水壓力一般在不飽和土層中氣體相部分體積膨脹，造成土體中氣壓失去平衡，暫時小于大氣壓，由于氣壓差形成負孔隙水壓力，負孔隙水壓力對土粒產生吸附作用，而增加有效應力，當氣壓達到平衡時，負孔隙水壓力消散。在軟土地區(qū)進行開挖時，由于軟土含水率大、滲透系數小，開挖卸載將在坑底和周圍土體中產生負的超靜孔隙水壓力，使得開挖到設計標高時坑底的隆起變形并不隨之同時完成，因此，在確定坑底隆起變形時，必須充分考慮負超靜孔隙水壓力消散時坑底土體隨時間吸水膨脹的影響。另外，土體內負的超靜孔隙水壓力的產生和消散也會誘發(fā)土體顆粒間的有效應力減小，從而會使土體的抗剪強度隨之發(fā)生變化，進而影響到支護結構受力和基坑的穩(wěn)定性。在實際開挖施工時，應盡量減少擾動以保護坑底土體，并在開挖完成后及時澆注基坑底板，另外，也可以根據實際需要對坑底土體進行適當加固，這樣可以在一定程度上減少支護結構受力、坑底的隆起變形量和基坑開挖對周圍環(huán)境的影響。0.4 土的本構關系一般而言，描述土在各類荷載作用下變形和強度變化的過程，不僅需要滿足質量守衡方程、動量守衡方程、動量矩守衡方程和能量守衡方程等場方程，而且需要滿足反映巖土宏觀性質的本構方程。土的本構方程主要包括土的力學本構方程和反映水在土中流動規(guī)律的本構方程；土的力學本構關系即通常所指的土的應力應變關系，其數學方程式即為本構模型。土體，作為天然地質材料在組成及構造上呈現高度的各向異性、非均質性、非連續(xù)性和隨機性，在力學性能上表現出強烈的非線性、非彈性和黏滯性，其應力應變關系非常復雜，它與應力路徑、強度發(fā)揮程度以及土的狀態(tài)、組成、結構、溫度、賦存環(huán)境等因素密切相關。描述土的應力應變關系的本構模型有很多，較常使用的有非線性彈性模型、彈塑性模型和黏彈塑性模型。對于模型的選擇需要根據土的特性和問題本身的復雜程度來確定。非線性彈性模型非線性彈性模型中土的切線模量和切線泊松比不是常量，而是隨著應力狀態(tài)而改變。因此在非線性彈性模型中，描述土體的本構關系實際上采用的是增量形式的廣義虎克定律。在各種非線性彈性模型中，Duncan-Chang 模型是一種目前被廣泛應用的增量彈性模型。Kondner 根據大量常規(guī)三軸試驗結果，于1963 年提出可以用雙曲線來擬合一般土的三軸試驗結果，即：式中1常規(guī)三軸試樣的軸向應變；a、b擬和常數。基于常規(guī)三軸試驗，Duncan 等人在上述公式的基礎上提出模型中切線變形模量Et 和切線泊松比t 的計算公式：其中破壞比Rf：式中pa標準大氣壓，等于101.4kPa；（1-3）f、（1-3）ult 破壞時的偏差應力和極限偏差應力；K、n、G、F、D 試驗常數，可通過常規(guī)三軸試驗結果確定。其余參數同前。當在基坑工程中采用 Duncan-Chang 模型時，其卸載模量可通過常規(guī)三軸壓縮試驗的卸載-再加載試驗確定，這個過程中應力應變關系表現為一個滯回圈，所以可以用此滯回圈的平均斜率Eur 表示卸荷模量, Eur 的大小僅取決于側限壓力3 的大小，而與（1-3）無關。但是由于基坑主動區(qū)和被動區(qū)的應力路徑明顯不同，在實際應用中，卸荷模量宜根據基坑不同位置出土體的應力路徑通過應力路徑試驗來進行測定。盡管鄧肯張模型在加載卸載時使用了不同的變形模量，從而反映土變形的不可恢復部分，但它畢竟不是彈塑性模型，在復雜應力路徑中如何判斷加卸載就成為一個問題，另外，也無法反映土體的剪脹性、軟化、各向異性和平均主應力對剪應變的影響等問題，目前主要是一些經驗的判斷準則。彈塑性模型在非線性彈性模型中，土中發(fā)生的變形被認為是完全彈性的。但是事實上在超過一定應力范圍后，土中的變形有很大一部分屬于不可恢復的塑性變形。彈塑性模型中則提出利用虎克定律計算彈性部分變形，而利用塑性理論計算塑性變形。下面簡單介紹一下在基坑工程中常用的幾種彈塑性模型。1. Mohr-Coulomb 模型Mohr-Coulomb模型是理想塑性模型，具有一個固定屈服面的本構模型。固定屈服面指的是由模型參數完全定義的屈服面，不受（塑性）應變的影響?？臻gMohr-Coulomb 屈服準則由下述六個屈服函數組成：Mohr-Coulomb 準則的最大優(yōu)點是它既能反映巖土材料的抗壓強度不同的S-D 效應（拉27壓的屈服與破壞強度不同）和對靜水壓力的敏感性，而且簡單實用，材料參數c 和 可以通過各種不同的常規(guī)試驗儀器和方法測定。因此在巖土力學彈塑性理論中得到廣泛應用，并且積累了豐富的試驗資料與應用經驗。但是Mohr 一Coufomb 準則不能反映單純的靜水壓力可以引起巖土屈服的特性，而且屈服曲面有棱角，不便于塑性應變增量的計算，這就給數值計算帶來了困難。作為彈-理想塑性模型的Mohr-Coulomb 模型，其卸載和加載模量相同，應用于基坑開挖時往往導致不合理的坑底回彈，只能用于基坑的初步分析。2. 修正劍橋模型土彈塑性模型中最具有代表性的模型為劍橋模型。該模型通過e-p-q之間的關系來建立土的應力應變關系。劍橋模型是由劍橋大學Roscoe 等人提出，后來過發(fā)展形成了修正劍橋模型，主要應用于描述正?；蛉醭探Y黏土的應力應變關系。試驗證明，土中的應力狀態(tài)（p,q）和土的孔隙比（e）之間的關系是唯一的。劍橋模型中假定土的屈服只與p 和q 兩個應力分量有關，和第三主應力無關。在三軸應力狀態(tài)下，平均主應力p 和偏應力q 分別為：這樣，在破壞狀態(tài)，土單元內的應力分量之間有如下關系：q = Mp修正劍橋模型認為在屈服狀態(tài)土中應力分量之間有如下關系：式中p0初始狀態(tài)時的應力（kPa）；式（3-53）在p-q 空間內則可以表示為圖3-10 中的屈服軌跡?？紫堵蔱 和p 之間可以通過e-p 或者e-lnp 曲線來進行描述，簡單起見，采用如圖3-11中的e-lnp 曲線加以表達。臨界狀態(tài)線在e-lnp 坐標平面內投影為直線，斜率為k1。由正常固結線退荷時可得到不同應力比的回彈曲線，這些曲線在e-lnp 平面內也是相互平行的直線，斜率為k2。假設初始壓縮曲線和卸荷回彈曲線的斜率分別為k1 和k2，則p0 可以表示為：式中ap從初始狀態(tài)（A點）到目前狀態(tài)（E點）之間的體積壓縮應變；修正劍橋模型采用等向硬化法則，即屈服面在隨著塑性變形的擴張過程中形狀不變，只是大小發(fā)生改變，且只與塑性體積應變相關。用硬化參數p0 表征屈服面大小。參數k1 和k2可用各向等壓試驗確定，M 可由常規(guī)三軸壓縮試驗確定。這樣，完整的修正劍橋模型可以表示為：修正劍橋模型由于剛度依賴于應力水平和應力路徑，應用于基坑開挖分析時能得到較彈-理想塑性模型更合理的結果。修正劍橋模型能夠較好地反映剪縮，但是不能反映剪脹特性。修正劍橋模型公式簡單，參數少，物理意義明確并易于用常規(guī)試驗確定，可以模擬正常固結土和弱固結土在各種應力路徑下的應力應變關系，應用廣泛，但修正劍橋模型是建立在室內飽和重塑粘土基礎上，對模擬復雜應力條件下粘土和天然粘土方面也存在著許多缺陷。修正劍橋模型不能描述粘土的各向異性；由于修正劍橋模型采用臨界狀態(tài)理論，土在屈服面內只存在彈性變形，而事實上土具有顯著的非線性，因此不能很好地模擬屈服面內剪切應變；修正劍橋模型在模擬超固結土時，主要的問題是不能準確地描述小應變時的變形特性，有大量的試驗均說明超固結土在小應變是具有非常明顯的非線性和塑性特性，而修正劍橋模型在此時均定義超固結土的變形為彈性變形。1 土的含水率試驗1.1 概述土的含水率是指土在溫度105110下烘道恒量時所失去的水質量與達到恒量后干土質量的比值，以百分數表示。含水率是土的基本物理性質指標之一，它反映了土的干、濕狀態(tài)。含水率的變化將使徒物理力學性質發(fā)生一系列的變化，它可使土變成半固態(tài)、可塑狀態(tài)或流動狀態(tài)，可使土變成稍濕狀態(tài)、很濕狀態(tài)或飽和狀態(tài)，也可造成土在壓縮性和穩(wěn)定性上的差異。含水率還是計算土的干密度、孔隙比、飽和度、液性指數等不可缺少的依據，也是建筑物地基、路基、土壩等施工質量控制的重要指標。1.2 試驗方法及原理含水率試驗方法有烘干法、酒精燃燒法、比重法、碳化鈣氣壓法、炒干法等，其中烘干法為室內試驗的標注方法。烘干法：是將試樣放在溫度能保持105110的烘箱中烘至恒量的方法，是室內測量含水率的標準方法成果整理，按式（1-1）計算含水率：式中 含水率，精確至哦0.1% 稱量盒加濕土質量（g） 稱量盒加干土質量（g）稱量盒質量（g）酒精燃燒法：是將試樣和酒精拌合，點燃酒精，隨著酒精的燃燒使試樣水分蒸發(fā)的方法。酒精燃燒法是快捷簡易且較準確測定細粒土含水率的一種方法，適用于沒有烘箱或土樣較少的情況。比重法：是通過測定濕土體積，估計土粒比重，從而間接計算圖的含水率的方法。1.3 含水率試驗存在的一般問題土的含水率是土的基本物性指標之一，也是工程施工質量控制的依據。該試驗也相對較簡單，一般在開樣后就立即進行 否則會因不同程度的風化而使得試驗數據偏小。另外由于土樣本身不均勻或采集時土體與管壁的摩擦作用， 導致天然含水率發(fā)生一定變化， 故依據試驗規(guī)程應取2 個以上的土樣進行平行試驗， 去除離散較大的的值后取平均值。若為連續(xù)試驗， 則土樣盒在使用中可未洗凈或會受到一定腐蝕，因此必須在取樣前重新稱取盒重。2 土的密度試驗2.1 概述土的密度是指土的單位體積質量，是土的基本物理性質指標之一，其單位為。土的密度反映了土體結構的松緊程度，是計算土的自重應力、干密度、孔隙比、孔隙率等指標的重要依據，也是擋土墻土壓力計算、土坡穩(wěn)定驗算、地基承載力和沉降量估算以及路基路面施工填土壓實度控制的重要指標之一2.2 試驗方法及原理密度試驗方法有環(huán)刀法、蠟封法、灌水法、和灌砂法等。對于細粒土，宜采用環(huán)刀法；對于易碎裂、難以切削的土可用蠟封法；對于現場粗粒土，可用灌水法或灌砂法。1) 環(huán)刀法：是采用一定體積環(huán)刀切取土樣并稱土質量的方法，環(huán)刀內土的質量與環(huán)刀體積之比即為土的密度2) 蠟封法：也稱為浮稱法，其試驗原理是依據阿基米德原理，即為物體在水中失去的質量等于排開同體積水的質量，來測出土的體貼，為考慮土體浸水后崩解、吸水等問題，在土體外涂一層蠟。蠟封法適用于粘性土，特別是對于易碎裂的土或形狀不規(guī)則的堅硬土更為適合。3) 灌水法：是在現場挖坑后灌水，由水的體積來測量試坑容積，從而測定土的密度的方法。該方法適用于現場測定粗顆粒和巨顆粒的密度，特別是巨顆粒的密度，從而為粗顆粒和巨顆粒提供施工現場檢驗密度的手段。4) 灌砂法：是在現場挖坑后灌標準砂，由標準砂的質量和密度來測量試坑容積，從而測定土的密度的方法，該方法適用于現場測定粗顆粒的密度。2.3 密度試驗的常見問題土的密度取決于土粒的重量、孔隙體積的大小和孔隙中水的重量，其綜合反映了土的物質組成和結構特征。該項試驗較簡單，一般在取樣后立刻進行，需注意的是開土切樣時要用刮土刀，但刃口經長期使用會磨損呈凹形， 造成測得的密度偏大、孔隙比偏小、飽和度偏大等情況，如與其本身物理性能指標不符， 這時應及時更換新的刮土刀以確保試樣質量，試驗土體的為了正確求得土的密度， 試驗中應對照送樣單的野外定名，在合適的部位切取試件。切樣時應保持環(huán)刀垂直下壓，避免左右晃動產生空隙，環(huán)刀兩端的土面應平整完好，只有這樣，土樣才充滿環(huán)刀容積，密度值才真實可靠。3 比重試驗3.1 概述土的比重是指土粒在溫度 下烘至105110恒重時的質量與土粒同體積時純水質量的比值。在數值上，土的比重與土粒密度相同，但前者是沒有單位的。土的比重是土的基本物理性質之一，是計算孔隙比、孔隙率、飽和度等的重要依據，也是評價土類的主要指標。土的比重主要取決于土的礦物成分，不同土類的比重變化幅度不大，在有經驗的地區(qū)可按經驗值選用。3.2 試驗方法及原理根據土粒粒徑的不同，土的比重試驗可分別采用比重瓶法、浮稱法或虹吸筒法。對于粒徑小于5mm的土，采用比重瓶法進行，其中對于排除土中空氣可用煮沸法和真空抽氣法；對于粒徑大于等于5mm的土，且其中粒徑大于20mm顆粒小于10%時，采用浮稱法進行對于顆粒大于等于5mm的土，但其中粒徑大于20mm顆粒大于10%時采用虹吸筒法進行；當土中同時含有粒徑小于5mm和粒徑大于等于5mm的土粒時，粒徑小于5mm的部分用比重瓶法測定，粒徑大于等于5mm的部分則用浮稱法或虹吸筒法測定，并取其加權平均值作為土的比重。比重瓶法：其基本原理就是由于稱好的質量懂得干土放入盛滿水的比重瓶的前后質量差異，來計算出土粒的體貼，從而進一步計算出土粒比重。浮稱法：其基本原理是依據阿基米德原理，即物體放在水中失去的重量等于排開同體積水的重量，來測定土粒的體積，從而進一步計算出土粒比重。該方法適用于粒徑大于等于5mm的土，且其中粒徑大于20mm顆粒小于10%時的土。虹吸筒法：其基本原理是通過側量土粒排開水的體積，來測定土粒的體積，從而進一步計算出土粒比重。該方法適用粒徑大于等于5mm的土，且其中粒徑大于20mm的顆粒不小于10%時的土。儀器設備如圖3-1所示。圖3-1 虹吸筒1虹吸筒； 2虹吸管； 3橡皮管； 4管夾； 5量筒3.3 比重試驗常見的問題土粒的比重是一個相對穩(wěn)定的值，它決定于土的礦物成分，它的數值一般是26-28，數值大小與所含礦物、粒度成份等有關， 若含有機質較多時比重較小。初次試驗操作時該試驗的難度較大，不僅由于操作程序較復雜，且對數值要求很精確，因而試驗過程中的任何疏忽都可能造成較大的試驗誤差。一般需注意使用前將比重瓶洗凈烘干，裝入土樣時不污染瓶口或瓶身； 煮沸時不讓溶液濺出，每次稱重時不觸碰電子秤；以防震動導致讀數不精確試驗中可能會遇到以下問題：一般土樣的比重應為2.652.74 左右，顆粒越小則比重越大；而初次試驗結果無論砂土或淤泥均小于經驗數據比重瓶分為l00ml 和50ml 兩種，由于比重瓶的容積對試驗結果影響不大，因而主要針對l00ml 比重瓶編寫試驗程序，裝入瓶中的土樣約為15g而事實上這對于50ml 比重瓶而言已可能過多，因煮沸前加水量非常有限；搖勻過程中很有可能有部分干土未被浸潤或聚結成團，而隨后在煮沸時這部分土中的空氣無法排出，故最終測得的土顆粒比重應小于實際值。4 界限含水率試驗4.1 概述粘性土的狀態(tài)隨著含水率的變化而變化，當含水率不同時，粘性土可分別處于固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)及流動狀態(tài)，粘性土從一種狀態(tài)轉到另一種狀態(tài)的分界含水率稱為界限含水率。土從流動狀態(tài)轉到可塑狀態(tài)的界限含水率稱為液限；土從可塑狀態(tài)轉到半固體狀態(tài)的界限含水率稱為塑限；土由半固體狀態(tài)不斷蒸發(fā)水分，則體積逐漸縮小，直到體積不再縮小時的界限含水率稱為縮限。本試驗的目的是通過圓錐儀法測定粘土的液限和塑限。4.2 試驗方法及原理根據極限平衡理論，重圓錐入土深度與含水率成雙對數關系 （4-1）圓錐儀液、塑限聯合測定法就是依據土樣在可塑狀態(tài)范圍內，用質量76g、錐角的圓錐儀，以瞬時放錐方法，測得圓錐入土深度與含水率，繪在雙對數坐標紙上，取等效碟式儀法強度相應的入土深度時（建筑部門）的含水率為，取等效于搓條法強度相應的入土深度的含水率為塑限。測定土的液限主要有圓錐儀（見圖4-1）法、碟式儀（見圖4-2）法等試驗方法。圓錐儀法液限試驗就是將質量76g 的圓錐儀輕放在試樣的表面，是其在自重作用下沉入土中，若圓錐體經過5s 恰好沉入土中10mm深度，此時試樣的含水率就是液限。312451-錐身；2-手柄；3-平衡裝置；4-試杯；5-底座圖4-1 圓錐儀（單位：mm）碟式儀液限試驗就是將土碟中的土膏，用開槽器將土膏分成兩半，以每秒2次的速率將土碟由10mm高度下落，當土碟下落擊數為25次時，兩半土膏在碟底的合攏長度恰好達到13mm，此時試樣的含水率即為液限。圖4-2 碟式液限儀 測定土塑限的主要方法是滾搓法，就是用手在毛玻璃板上滾搓土條，當土條直徑打3mm時產生裂縫并斷裂，此時試樣的含水率即為塑限。5 顆粒分析試驗5.1 概述顆粒分析試驗就是測定土中各種粒組所占該土總質量的百分數的試驗方法，可分為篩分析法和沉降分析法。其中沉降分析法又有密度計法和移液管法。由于本實驗所取土樣中粗細兼有，聯合使用篩分析法和密度計法。對于粒徑大于0.075mm的土粒本實驗用篩分析的方法來測定，而對于粒徑小于0.075mm的土粒本實驗則用密度計法來測定。5.2 試驗方法及原理（一）篩分析法篩分析法就是將不同孔徑的篩子依孔徑的大小順序疊加起來，把制備好的試樣置于最上層篩內，加以振動搖晃，直至所有剩留在各號篩上的土粒不再通過該篩孔為止，然后分別稱出各號篩上剩留土的質量，算出占總土質量的百分數，繪出顆粒大小分布曲線。（二）密度計法密度計法是利用為土工試驗制造的土壤密度計，測量某一深度H處懸液的密度，計算土粒的百分數。計算模型如圖5-1所示。圖5-1 沉降法計算模型設V為包括全部液體和小于某一粒徑D的土粒的總體積。懸液內水的體積為，小于某一粒徑D的懸液重為W，懸液內水重為，小于某一粒徑D的土粒重為，整個懸液內土粒的總重為，水的相對密度為，土粒相對密度為，懸液的相對密度為，時水的密度為，則 （5-1）又因故 （5-2）從開始沉降經過時間t后，在深度H處以上的懸液中大于某一粒徑D的土粒已全部下沉，其重為，故時間t時深度H處小于粒徑D的土粒重占全部土粒重的百分數W為 （5-3）將（3-3）代入（3-2）得 將上式整理后得 （5-4）根據式（5-1）和式（5-4），在不同時間和已知的深度測定懸液的密度或相對密度，再利用斯托克公式計算土粒粒徑，即可繪制顆粒大小分布曲線。5.3 土的顆粒分析試驗常見問題室內進行顆粒分析的方法常用的是密度計法，其適用于土粒粒徑0075 mm 的試樣。其中土粒粒徑計算公式是采用STOCKS 公式，該公式是任層流條件下， 對低速運動的微小球形顆粒儀考慮介質粘性阻力和有效重力的條件下導的，而實際實驗時，這些假設條件幾乎不能滿足，故通常情況下測得的結果有一定的偏差， 影響因素歸納為如下：1. 土粒并非球形，而呈不規(guī)則形狀，必然帶來偏差。在同樣的顆粒體積下， 顆粒形狀愈不規(guī)則，沉降速度越慢， 計算出的土粒粒徑值越小。2. 溫度過高帶來誤差：S在層流條件下導出的，水力學中表征流態(tài)的雷諾數Re0.5 此時懸液處于紊流狀態(tài)，不符合STOCKS 公式層流的要求，故試驗時，懸液溫度應控制在28以內，以盡量減小結果偏差。6 擊實試驗6.1 概述室內標準擊實試驗就是近似地模擬現場填筑情況,利用標準化的儀器和方法測出土體的最大干密度和最優(yōu)含水率,用于指導施工。標準擊實試驗所得出的最大干密度的準確性及真實性直接關系到路基工程的質量和成本,最大干密度小于真實值會降低路基工程的質量,最大干密度高于真實值則會明顯地增加壓實成本。很有必要分析影響土體壓實的主要因素,對如何得到準確的最大干密度值進行深入的試驗研究同時隨著社會的發(fā)展,也應保證現行試驗方法的及時更新,否則易導致與實際施工脫節(jié)的現象。6.2 試驗方法及原理實踐經驗表明，壓實細粒土時為達較佳的壓實效果，必須控制土的含水率，含水率太高或太低都得不到好的壓實效果。對此過程機理的解釋主要有毛管潤滑理論和粘滯水理論等。毛管潤滑理論認為，由于毛管效應，表面張力的作用，使土粒結合在一起，產生大的摩擦阻力抵抗壓實功，使土粒不易壓實；含水率增加時，毛管張力逐漸消失，同時土粒表面增加了潤滑作用，使土粒易于滑動、移動；但繼續(xù)增加含水率，土的孔隙由水和密封于土中的氣泡填滿，從而限制了壓實作用。粘滯水理論認為在土中加水有四個階段：結合、潤滑、膨脹和飽和階段。在結合水階段，土粒周圍由薄的水膜包圍，這種水具有粘滯性，能承受一定的剪應力，使土粒在擊實時保持分離。潤滑階段，水膜便厚，土粒潤滑，使擊實時土粒容易聚集在一起。當含水率超過了潤滑階段，將引起土體膨脹，不易于被擊實。不論哪種理論，都明確指出當土的含水率達到某一個值的時候能夠使土的干密度達到峰值。這個含水率就是最優(yōu)含水率。本試驗中，制備不同含水率的土試樣，用一定的功擊實，測定不同試樣的干密度，在干密度-含水率坐標上描出各點，繪成擊實曲線，確定峰值對應的含水率為最優(yōu)含水率。6.3 影響土體壓實的主要因素（1）含水率的影響含水率是影響土體壓實效果最重要的因素,含水率過大或過小都不能使土體達到最緊密狀態(tài)。當土顆粒中含水較少時,土粒表面的結合水膜較薄,幾乎只有強結合水,顆粒間主要通過引力結合,相對錯動困難,并趨向于任意排列,不易密實,從而干密度偏低。隨著含水率的增加,結合水膜增厚,顆粒間排斥力增大,土粒間存在的弱結合水膜起到一定的潤滑作用,使顆粒間容易錯動,因此顆粒定向排列增多,干密度相應增大。（2）擊實功的影響一般擊實功越大,土的孔隙比越小,干密度越大,最優(yōu)含水率越小。但是有一定的限度,超過這一限度,即使擊實功增加,最大干密度的增加也不明顯。若要使土的干密度達到最大,就要盡可能的減小其孔隙比,理論上最大干密度就是將土中所有氣體全部排出,此時土體處于飽和狀態(tài),孔隙比最小。在擊實過程中,當土樣偏干時,土顆粒處于疏松狀態(tài),此時土中的孔隙大多與外界大氣連通,氣體易被擠出,土體易于擊實,其密度增大;當含水率增加至接近最優(yōu)含水率時,土內孔隙中的氣體幾乎處于與大氣隔絕的封閉狀態(tài),擊實已經不能將這些氣體排出,亦即擊實不可能完全達到飽和狀態(tài)（3）土類的影響土的粒徑和組成結構直接決定其工作性能,如黏性土的透水性比砂土小,黏性和可塑性較大等。不同土類的壓實性能也不盡相同。（4）顆粒級配的