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土的力学性质试验检测方法
· 简介：本文叙述了土的力学性质试验检测方法。文章主要介绍了击实试验方法，直剪试验方法等等，还说明了试验中的主要技术问题和原理，具有一定的参考价值。
· 关键字：土，力学性质，试验，检测方法，击实试验方法，直剪试验方法 
一、击实试验方法
（一）概述
　　土作为筑路材料时，需要在模拟现场施工条件下，获得路基土压实的最大干密度和相应的最佳含水量。击实试验就是为了这种目的利用标准化的击实仪具，试验土的密度和相应的含水量的关系，所以击实试验是控制路基压实质量不可缺少的重要试验项目。
　　用击实试验模拟现场土的压实，这是一种半经验方法，由于土的现场填筑碾压和室内击实试验具有不同的工作条件，两者之间的关系是根据工程实践经验求得的，但要求室内试验的击实功应相当于现场施工的压实功，因此很多国家以及一个国家的不同部门就可能有其自用的击实试验方法和仪器。
（二）试验方法的类型
　　击实试验分轻型和重型两类。
（三）试验方法
1．试样制备
　　 试样制备分干法和湿法两种，对一般土，干法制样和湿法制样所得击实结果有一定差异， 对于具体试验应根据工程性质选择制备方法。
（1）干法制样：将代表性土样风干或在低于50℃温度下烘干，放在橡皮板上用木碾碾散，过筛（筛号视粒径大小而定）拌匀备用。 测定土样风干含水量w。，按土的塑限估计最佳含水量，并依次按相差约2％的含水量制备一组试样（不少于5个），其中有两个大于和两个小于最佳含水量。 按确定含水量制备试样。将称好的质量的土平铺于不吸水的平板上，用喷水设备往土样上均匀喷洒预定mw的水量，静置一段时间后，装人塑料袋内静置备用。静置时间对高液限粘土不得少于24h对低液限粘土不得少于12h。
（2）湿法制样：对天然含水量的土样过筛（筛孔视粒径大小而定），并分别风干到所需的几组不同含水量备用。
2.试样击实
　　将击实筒放在坚硬的地面上，取制备好的土样按所选击实方法分3或5次倒入筒内，每层按规定的击实次数进行击实）要求击完后余土高度不超过试筒顶面5mm。 用修土刀齐筒顶削平试样，称筒和击实样土重后用推土器推出筒内试样，测定击实试样的含水量和测算击实后土样的湿密度，依次重复上述过程将所备不同预定含水量的上样击完。
3.结果整理
　　计算击实后各点的干密度pd。
　　以干密度pd为纵坐标，含水量w为横坐标，绘pd-w关系曲线，曲线上峰值点的纵、横坐标分别为最大干密度和最佳含水量。
4．注意问题
　　当土样中大于5mm粒径的土含量小于总含量的30%时，求出试料中粒径大于5mm颗粒含量的P值。取出大于5mm颗粒，仅把小于5mm粒径的土做击实试验。
（四）无机结合料稳定土的去实试验方法
1．概述
　　无机结合料在国外常称水硬性结合料，它主要指水泥、石灰、粉煤灰和石灰或水泥粉煤灰。所用术语水泥稳定土、石灰稳定土、石灰粉煤灰稳定土等都是总称。
　　水泥遇水就要开始水化作用，从加水拌和到进行击实试验问隔的时间愈长，水泥的水化作用和结硬程度就愈大。水化作用会影响水泥混合料所能达到的密实度，间隔时间愈长，影响愈大，所以，水泥不参与上与其他混合料的浸润过程，仅在击实前1h内将其和已浸润过的料进行拌和。另外，含水量的测试也应采用元机结合料稳定土的含水量测试法。
2．试验方法
　　试料的准备可参照常规土击实法进行。试件制备时，先将除水泥以外的设计料按比例称取并充分拌和均匀。
　　给试样配水后将其装人密封容器或塑料口袋内浸润备用。击实前1h内将所需要的稳定剂水泥加至浸润后的试料中并且拌和均匀。
　　击实过程类似于普通土击实过程）击实后含水量应按元机结合料稳定土含水量的要求测定。资料整理过程也类同于普通土击实方法。
　　当试样中大于规定最大粒径的超尺寸颗粒的含量为5％-30%时，按下式对试验所得最大干密度和最佳含水量进行校正：
3．注意事项
　　（1）试验集料的最大粒径宜控制在25mm以内，最大不得超过40mm（圆孔筛）。
　　（2）试料浸润时间：粘性土12-24h，粉性土6-8h，砂性土、砂砾土、红土砂砾、级配砂砾等4h左右，含土很少的未筛分碎石、砂砾和砂等2h。
　　（3）试料浸润后才加水泥，并应在1h内完成击实试验拌和后超过1h的试样，应予作废。
　　石灰可与试料一起拌匀后浸润。
　　（4）试料不得重复使用。
　　（5）应做两次平行试验，两次试验最大子密度的差不应超过0.05g/cm3（稳定细粒土）和0.08/cm3（稳定中粒土和粗粒土），最佳含水量的差不应超过0.5％（最佳含水量小于10％）和1.0％（最佳含水量大于10%）。
二、直剪试验方法
（一）概述
　　土的抗剪强度是土的一个重要力学指标。当估算地基承载力、评价地基稳定性、计算边坡稳定性以及支挡结构物的土压力时都需用土的抗剪强度指标。
　　土的抗剪强度是土体在力系作用下抵抗破坏的极限剪切应力。
（二）试验方法
　　直接对试样施加剪力的设备叫直剪仪，常用的直剪仪分应力控制式和应变控制式两种。应力控制式是分级施加等量水平剪力于土样使之受剪,应变控制式是等速推动剪切容器使土样等速位移受剪。目前普遍使用的是应变式直剪仪。
　　为求得土的抗剪强度参数c、Φ值，通常至少需要4个以上土样，以同样的方法分别在不同的法向压力σ1、σ2、σ3、…作用下测出相应的破坏剪应力τ1、τ2、τ3…的值，根据这些σ、τ值，即可在直角坐标图中绘出抗剪强度曲线。
　　无论粘性土的抗剪强度试验，还是天然粘性土地基加荷过程中孔隙水压力的消散，即荷载在土体中产生的应力全部转化为有效应力，均需要一定的固结时间来完成，因此，上的固结过程实质上也是上体强度不断增长的过程，对于同一种土，即使是在同一法向压力下，由于剪切前试样的固结过程和剪切时土样的排水条件不同，其强度指标也不相同。为了近似地模拟现场土体的剪切条件，即按剪切前的固结程度、剪切时的排水条件即加荷快慢情况，把直剪试验分为快剪、固结快剪和慢剪三种试验方法。
1．快剪试验
　　快剪试验就是在对试样施加法向压力和剪力时，都不允许试样产生排水固结，由于在直剪仪上下盒之问存在缝隙，要严格控制不排出一点水分是不可能的，为了消除这种影响，一般在试样上下放置不透水有机玻璃圆块代替透水石，并在圆块周边涂抹凡士林以阻止水分从缝隙中逸出。待施加预定法向压力后，马上施加水平推力，并用较快的速率在3-5min内将试样剪损。对某些渗透性强、含水量高、密度低的土要求在30-50s内剪损。这种方法是用来模拟现场的土体较厚、渗透性较小、施工速度较快、基本上来不及固结就迅速加载而剪切的情况。
2．固结快剪试验
　　先使试样在法向压力作用下达到完全圃结，然后施加水平荷载进行剪切，在剪切时不让孔隙水排出，即不允许试样在剪切过程中发生固结，则剪切时要求与快剪方法相同。这种试验方法用来模拟现场土体在自重和正常荷载作用下已达到完全固结状态，以后又遇到突然施加的荷载或因上层较薄、惨透注较小、施工速度较快的情况。
3．慢剪试验
　　先使试样在法向压力作用下达到完全固结，然后按1-4h将土样慢速施加水平剪力直至土样被剪损为止，这种试验方法是模拟现场土体已充分固结后才开始逐步缓慢地承受荷载的情况，此法所测定的强度指标可用于有效应力分析。
（三）试验的主要技术与要求
1.剪切速率的影响
　　剪切速率对砂土杭剪强度的影响很少，常可忽略不计，但对粘性土抗剪强度的影响则比较明显，粘性上的抗剪强度一般情况都会随剪切速度加快而增大。较灵敏的土，剪切速率降低十倍时，其抗剪强度则可降低5%-8％。
（一）压缩试验的基本原理
　　压缩试验是研究土体一维变形特性的测试方法，试验系将试样放在限制侧向变形的压缩容器内，分级施加垂直压力，测记加压后不同时间的压缩变形，直至各级压力下的变形量趋予某一稳定标准为止。然后将各级压力下最终的变形与相应的压强绘成曲线，从而求得压缩指土的压缩主要是孔隙体积的减小，所以关于土的压缩变形常以其孔隙比的变化来表示。试验资料整理时，可根据试样压缩前后的体积变化求出压缩变形和孔隙比的关系，即e-p曲线,也可整理成e-lgp曲线。
（二）压缩试验的资料分析
　　根据压缩试验所得的e-p和e-lgp曲线可整理出以下资料：
　　1．压缩系数
　　2．压缩指数
　　3．a和cc的关系
　　4. 体积压缩系数
　　5．压缩模量
　　7．先期固结压力P
　　根据e-lgp曲线按规范方法确定。
（三）试验的主要技术问题
1. 荷重等级的影响
　　按固结试验结果估算的沉降量一般与实测的沉降量相差较大，这是由于固结理论和应力计算与实际情况有所差异，以及土样结构受到不同程度的扰动等原因所致，一般现场建筑物传给地基内部各部位的压力比较缓慢，而试验室里的固结压力则是很快地传递到试样上。荷重率小，则压缩作用进行得缓慢，对土的触变破坏较小，且其结构强度得以部分恢复，因而沉降量小；反之快速加荷或荷重率很大，则会得到较大的沉降量。这种现象对塑性指数较大的粘上或结构强度小、密度低的软土表现尤为明显，一般情况下可按试验规范确定的荷重率加荷，对特别研究的具体工程也可按自定的荷重率加荷。
2. 稳定标准的影响
　　沉降的稳定时间取决于试样的透水性和流变性质。上样的粘性愈大，达到稳定所需的时间也愈长。某些软粘土要达到完全稳定，需几天甚至几周时间，这是因为一般粉性土在荷重作用下产生的体积变化是由两部分组成，一部分是由于有效应力的增加贩产生的主固结，另一部分是在不变的有效应力作用下产生的次固结。规定不同的稳定时间，会得出不同的压缩曲线。《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)确定稳定时间为24h，但多数规程是以某一时间内沉降差为稳定标准，而科研工作则多以主次固结为稳定标准。
主要参考文献：
　　《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)