冻融循环作用下素土静力学特性研究 毕业论文

本科学生毕业论文论文题目冻融循环作用下素土静力学特性研究学院年级专业姓名学号指导教师摘要黑龙江省地处我国最北端高纬度区，区内深季节冻土（冻结深度1M）分布广泛，冬冻春融的冻融循环作用引起的路基冻害问题。在冻土地区进行工程建设，就必须深入研究冻土的力学特性，以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性。本文首先，简要介绍了我国冻土的分布状况、冻土的物理力学性质及其对工程的影响和国内外研究现状。由于冻融作用的存在，道路会发生翻浆、路基冻胀或不均匀冻胀、和路基融沉的现象，伴随季冻区内温度的降低，个别寒区道路由于冻胀灾害严重，致使道路鼓包，而阻碍行车安全，在春季消融阶段，冻结的路基土层融化，但不同位置的土层融化时间不尽相同，造成翻浆破坏，是长期困扰该地区公路建设的一个突出问题。因此在冻土地区进行工程建设，必须深入研究冻土的力学特性，以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性。针对黑龙江省季节冻土在冻融循环条件下的主要物理力学性质，进行土样基本性质测试和力学试验研究。试验结果表明试样经历6次冻融后，其含水量、干密度、黏聚力、内摩擦角等物理力学性质趋于稳定。土体冻融最终平衡状态与初始状态相关，其中初始干密度的影响尤为重要。随冻融循环过程增加，土体的黏聚力下降，内摩擦角变化较小。所以冻融作用对素土的物理力学性质有明显影响，在春融期的不利季节，素土含水量大处于不稳定状态，是造成季冻区道路破损的主要原因，研究结果可为季冻区道路设计提供技术参数，为养护管理决策提供技术支持，对提高季冻区道路建设质量具有积极意义。关键词冻土；力学性质；冻融作用；研究现状ABSTRACTHEILONGJIANGPROVINCEISLOCATEDINCHINASNORTHERNMOSTHIGHLATITUDEAREA,ZONEOFDEEPSEASONALFROZENSOILFROZENDEPTHOF1MAREWIDELYDISTRIBUTED,WINTERCOLDMELTINGINTHESPRINGOFTHEFREEZETHAWCYCLEEFFECTCAUSEDBYSUBGRADEFROSTDAMAGEPROBLEMFORENGINEERINGCONSTRUCTIONINPERMAFROSTREGIONS,ITISNECESSARYTOINDEPTHSTUDYTHEMECHANICALPROPERTIESOFFROZENSOIL,TOENSURETHATTHEFROZENSOILFOUNDATIONONTHESTABILITYOFENGINEERINGBUILDINGINTHISPAPER,FIRSTOFALL,THEDISTRIBUTIONOFTHEPERMAFROSTINCHINAAREBRIEFLYINTRODUCED,THEPHYSICALANDMECHANICALPROPERTIESOFFROZENSOILANDINFLUENCEONENGINEERINGANDRESEARCHSTATUSATHOMEANDABROADPUMPINGWILLHAPPENDUETOTHEEXISTENCEOFTHEFREEZETHAWACTION,ROAD,ROADBEDUNEVENFROSTHEAVINGANDFROSTHEAVE,ANDTHEPHENOMENONOFSUBGRADETHAWINGSETTLEMENT,WITHSEASONOFFREEZINGZONETEMPERATURE,COLDANDINDIVIDUALROADDUETOFROSTHEAVINGDISASTERISSERIOUS,THEROADTOBULGE,ANDHINDERTHEDRIVINGSAFETY,STAGEOFMELTINGINTHESPRING,FROZENSUBGRADESOILMELT,BUTDIFFERENTLOCATIONOFSOILTHAWINGTIMEISNOTTHESAME,PUMPINGDAMAGE,LONGPLAGUEDTHEREGIONHIGHWAYCONSTRUCTIONISANOUTSTANDINGPROBLEMFORENGINEERINGCONSTRUCTIONINPERMAFROSTREGIONS,THEREFORE,MUSTSTUDYTHEMECHANICALPROPERTIESOFFROZENSOIL,TOENSURETHATTHEFROZENSOILFOUNDATIONONTHESTABILITYOFENGINEERINGBUILDINGINSEASONALFROZENSOILINHEILONGJIANGPROVINCEUNDERTHECONDITIONOFFREEZINGANDTHAWINGCYCLE,THEMAINPHYSICALANDMECHANICALPROPERTIESOFSOILBASICPROPERTIESTESTANDMECHANICSTESTRESEARCHEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHESAMPLEAFTER6TIMESFREEZETHAW,ITSWATERCONTENT,DRYDENSITY,COHESION,INTERNALFRICTIONANGLEOFTHEPHYSICALANDMECHANICALPROPERTIESSUCHASSTABLESOILFREEZINGANDTHAWINGFINALEQUILIBRIUMSTATEASSOCIATEDWITHTHEINITIALSTATE,INCLUDINGTHEINFLUENCEOFINITIALDRYDENSITYISESPECIALLYIMPORTANTWITHTHEINCREASEOFFREEZETHAWCYCLE,THECOHESIONOFSOIL,INTERNALFRICTIONANGLEISSMALLERTHEREFOREFREEZETHAWEFFECTTOGRAINHADSIGNIFICANTEFFECTONTHEPHYSICALANDMECHANICALPROPERTIESOFSOIL,THESPRINGMELTPERIODOFSEASON,THESOILMOISTUREINLARGEINASTATEOFFLUX,ISAMAJORCAUSEOFDAMAGETOSEASONFROZENAREAROAD,THERESULTSCANPROVIDETECHNICALPARAMETERSFORSEASONFROZENAREAROADDESIGN,ANDPROVIDETECHNICALSUPPORTFORMAINTENANCEMANAGEMENTDECISIONMAKING,TOIMPROVETHEQUALITYOFSEASONFROZENAREAROADCONSTRUCTIONHASPOSITIVESIGNIFICANCEKEYWORDSFROZENSOILTHEMECHANICALPROPERTIESFREEZETHAWACTIONTHERESEARCHSTATUS目录摘要IABSTRACTII前言1第一章绪论211论文的提出及意义2111冻土2112冻土的分布2113冻土的物理力学性质及其对工程的影响3114研究背景及意义312国内外研究现状4121冻土的研究现状4122冻融的研究现状413本文研究的主要内容4第二章基本室内试验521土的颗粒分析试验5211实验目的5212试验方法622界限含水率试验13221试验目的13222试验方法13223试验原理13224试验仪器13225试验步骤15226成果整理1623击实试验18231实验目的18232试验方法19233轻型击实法19234实验中的几个问题2124本章小结23第三章冻融循环试验2331实验目的2332试验方法2433冻融循环过程的实现2534冻结与融化时间的确定2535本章小结26第四章直接剪切试验2641验实验目的2642试验方法2643试验原理（快剪法）2644仪器设备2745操作步骤2846成果整理2847直接剪切试验中的几个问题3648本章小结37结论38参考文献41致谢42前言黑龙江省地处我国最北端高纬度区，区内深季节冻土（冻结深度1M）分布广泛，大量工程实践表明，早期在冻土区修筑的各种构筑物，包括房屋、道路、桥涵等，都遭受到不同程度的破坏，有的开裂，有的倾斜，有的甚至坍塌。冬冻春融的冻融循环作用引起的冻害问题，是长期困扰该地区建设的一个突出问题。在黑龙江季节性冻土地区，路基的底基层大部分为素土，在建设初期素土的强度较好，但经过几次冻融作用，强度下降明显，在频繁的荷载作用下，使路面破坏，形成纵、横向裂纹等病害，严重影响行车安全和交通顺畅，工程上迫切需要专门有效的方法来解决这一问题。试验主要包括以下几方面的内容（1）土样基本性质测试以研究区细粒土为研究对象，测定其粒度成分、初始含水量、密度、最大干密度，最优含水量液限、塑限等基本指标。（2）力学试验已有研究表明，素土在最佳含水量下的抗压强度最大，因此以素土为对象，在不同冻结温度下进行冻融循环试验，冻融循环一个周期为24H，冻融循环试验次数0,3,6,9，然后进行包括抗剪强度测试、无侧限抗压强度测试，具体内容素土直剪试验、三轴试验和无侧限抗压强度测试；不同冻结温度冻融循环后（3，6，9）素土直剪试验、三轴试验和无侧限抗压强度测试；不同冻融循环次数0,3,6,9后，素土、三轴试验和无侧限抗压强度测试；第一章绪论11论文的提出及意义111冻土冻土，顾名思义是指一种温度低于0且含有冰的土岩，是由固体矿物颗粒、理想塑性冰包裹体（胶结冰）、未冻水（薄膜结合水和液态水）、气态成份（水蒸汽和空气）组成的典型非均匀多相颗粒材料。由于冻土中千姿百态冷生构造的存在，宏观上反映为其力学性质的复杂性，致使其物理力学性质强烈依赖于温度。根据冻土存在的时间长短，地球上的冻土大致可分为两类一类称为多年冻土，两年以上处于冻结状态，只有表层处于夏融冬冻的状态；另一类称作季节冻土，只在地表几米范围那冬季冻结、夏季消融、该层也称作季节冻结层或季节活动层。112冻土的分布地球上多年冻土的分布面积约占陆地面积的23，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地。我国冻土主要分为多年冻土和季节冻融土壤，我国的多年冻上面积约2068，约占陆地面积的215仅次于前苏联和加拿，大约为美6210KM国多年冻土面积的148倍，主要分布在东北大小兴安岭、西部高山和青藏高原等地，其中，大小兴安岭的多年冻土又称高纬度多年冻土，其余地区的多年冻土又称高山多年冻土。而季节性冻上主要分布于北纬30以北地区，面积为5137，约占全4210KM国面积的535，因此冻土被认为是一种宝贵的地上资源。季节冻土遍布在不连续多年冻土地区的外围，其南界大致从云南的挖苦河向东北方向沿着横断山脉和喀拉山脉的坡脚，经大巴山南麓向东南绕过四川盆地后，又从湖南的咱果附近向东北方向延伸，直至江苏省连云港附近。此外，在大别山、莱阳山和玉山顶部分也有零星分布。瞬时冻土的南界致与北回归线相一致，此界线以南,除山地外，一般无冻土。113冻土的物理力学性质及其对工程的影响冻土在冻结状态强度较高、压缩性较低，融化后承载力急剧下降，压缩性提高，地基容易产生融沉而冻土中产生的冻胀对地基不利。一般土颗粒愈细，含水量愈大，土的冻胀和融沉性愈大，反之愈小。在城市道路中土基冻胀量与冻土层厚度成正比不同土质与压实度不均匀也容易发生不均匀沉降。在公路工程建设及运营中，由于冻融作用的存在，道路会发生翻浆、路基冻胀或不均匀冻胀和路基融沉的现象，所以冻融作用对公路建设和运营过程有一定的阻碍作用。个别寒区道路由于冻胀灾害严重，致使道路鼓包，而阻碍行车安全。在春季消融阶段，冻结的路基土层融化，但不同位置的土层融化时间不尽相同，导致融化后的路基土层中过多的水分无法向下渗透，而只能留在该层路基土中，或者向路基路面结构流动，造成翻浆破坏。图11114研究背景及意义我国有着广泛分布的季节性冻土区域，它的范围遍及长江以北10余省市，大约占全国总土地面积的54，其冻害给交通运输业及经济建设造成了极大的危害，作为公路工程的重要组成部分，路基强度及稳定性在确保公路的正常使用方面具有重要的意义，在季节性冰冻区，于影响路基稳定的原因更为复杂，路基冻害后造成的损失更为巨大，并且季冻区又缺乏成熟的路基设计和施工经验。试验着手于研究素土经过多次冻融循环后的力学特性变化行为，力求寻找出不同温度下的土在冻融循环后力学特性变化的相同点和不同点，帮助预测季冻区素土的强度变化，这对于季冻区公路的建设具有很强的指导意义，且具备一定的工程可行性。12国内外研究现状121冻土的研究现状冻土是一种特殊土类，一方面它具有一般土的共性，另一方面它又是一种多相复杂体系，并为冰所胶结，具有鲜明的冻土个性。因此冻土区各种工程建筑常常遇到许多由于土中冰的增长或消失而引起的冻胀和融沉现象，导致各种工程建筑的迅速破坏，不但浪费巨额投资，影响建筑物的正常使用，甚至威胁人民生命财产的安全。为此，一些冻土大国，诸如前苏联、加拿大和美国在上世纪纷纷展开了冻土研究工作。前苏联早在上世纪30年代，北美在50年代就已经开始进行冻土力学性质的研究，我国在60年代初也开展了冻土力学的试验研究，并在70年代对冻土的强度和蠕变进行了系统研究。我国已经具备研究解决多年冻土地区不同等级公路建养的关键技术，于2002年7月初立项至2007年2月13日通过鉴定，交通部西部交通建设科技项目“多年冻土地区公路修筑成套技术研究”，为我国季冻区公路建设提供理论和实际地指导，该项目内容涵盖了多年冻土地区公路建设的工程地质、公路病害机理、路基设计与施工技术、路面设计技术、桥涵工程技术、生态环境保护与评价技术、公路养护技术、季节冰冻地区路基路面设计施工技术以及高原职工安全与健康保障技术等。122冻融的研究现状土的冻融作用是冻土力学与冻土工程中的重要研究课题。在进行冻融作用对土工程性质的影响研究时，则需先对土进行一定方式的冻融，然后对冻融前后的试样进行相应的力学试验分析，以考察土工程性质在冻融前后的变化。虽然目前冻融循环作用改变土物理力学性质这一现象及其重要性已得到了充分重视，但对于其作用机理及其规律性的研究却一直没有关键性的进展，试验成果差异性也较大，这主要是由于不同研究者采用试验方法各不相同，研究成果建立在不同试验条件之上，自然也就导致了研究成果巨大差别。13本文研究的主要内容取哈尔滨市有代表性的土样,对其进行不同冻融条件下的冻融循环试验,通过室内实验仪器,测试土样在冻融作用下其物理力学性质变化规律“主要研究内容如下（1）土样基本性质测试以研究区细粒土为研究对象，测定其粒度成分、初始含水量、密度、最大干密度，最优含水量液限、塑限等基本指标。（2）力学试验已有研究表明，素土在最佳含水量下的抗压强度最大，因此以素土为对象，在不同冻结温度下进行冻融循环试验，冻融循环一个周期为24H，冻融循环试验次数0,3,6,9，然后进行包括抗剪强度测试、无侧限抗压强度测试，具体内容素土直剪试验、三轴试验和无侧限抗压强度测试；不同冻结温度冻融循环后（3，6，9）素土直剪试验、三轴试验和无侧限抗压强度测试；不同冻融循环次数0,3,6,9后，素土、三轴试验和无侧限抗压强度测试；第二章基本室内试验土样基本性质测试以研究区细粒土为研究对象，测定其粒度成分、最大干密度，最优含水量液限、塑限等基本指标。21土的颗粒分析试验颗粒分析就是用试验的方法求出土中小于某种粒径的颗粒所占总土质量的百分数或确定土中各粒组的相对含量。在施工现场所进的砂、碎石等施工建筑材料，都必须按规定取样送到实验室进行颗粒分析实验，通过试验得以证明所用材料级配是否良好。及级配良好者可以使用；若级配不良，工程就不能使用此材料。这实验项目在工程中是很重要的。211实验目的土是由各种大小和形状不同的颗粒所组成，根据颗粒大小划分为若干组，称为颗粒粒组。所谓颗粒组成即颗粒级配，就是土中各种粒径范围的粒组在土中的相对比例，通常用占总质量的百分数来表示。土的粒组组成在一定程度上反映了土的性质，工程上常依据粒组组成对土进行分类，粗粒土主要是依据粒组组成进行分类；细粒土由于矿物成分、颗粒形状及胶体含量等因素，则不能单以粒组组成进行分类，而要借助于塑性图或塑性指数进行分类。颗粒分析实验是测定土中各粒组所占该土总质量的百分数的方法，借以明了颗粒大小分布情况，供土的分类及概略判断土的工程性质。本试验目的为检测被测区土样的颗粒级配212试验方法颗粒分析试验的方法主要有两大类一是机械分析法，如筛析法；二是物理分析法，如密度计法、虹吸管法（移液管法）等。筛分法适用于粒径大于0075MM、小于等于60MM的土、密度计法、虹吸管法（移液管法）适用于粒径小于0。075MM的土。若土中粗细颗粒兼有，则联合采用筛析法和密度计法或移液管法。筛析法1试验原理筛析法是将土样通过各种不同孔径的标准筛，并按筛孔的大小由上至下依次叠好，对颗粒加以筛析，然后再称量筛上土质量，并计算出各个粒组占土总质量的百分数。2仪器设备标准筛10、5、2、1、05、025、01、0075MM；天平（称量500G，感量1G）、筛析机、烘干箱、调土皿、瓷盘、毛刷、铁匙等。3操作步骤（1）调平天平，左托盘放被称量物，右托盘放砝码。然后称调土皿质量，做好记录。（在天平的右托盘放300G砝码，就可以直接称得试样的质量）（2）从风干松散的土样中，用四分对角取样法按规定数量取试样（如表所示）四分对角取样法把试样拌均匀，铺成矩形，用两条对角线把试样分成四份，合并相对角的两部分，根据需要的数量，多次重复进行取样。（3）将取好的试样倒入依次叠好的标准筛最上层（最大孔径）筛内，进行筛析。注意盖好筛盖，两手上下托住，直立水平摇晃，或用筛析机进行筛析。（4）筛析10MIN（土工试验规程规定1015MIN）后，再按由上而下的顺序将各筛取下，在空瓷盘上用手摇晃轻叩，如有试样漏下，应继续筛析，直至无试样漏下为止。漏下的试样应全部倒入下级筛内，并将筛好的筛上试样称质量，准确至01G。注每级筛上称好的试样，均应做好记录后，再倒回本级筛内，以备试验数据有误时，进行复查之用。（5）各级筛上及盘底内试样质量总和与试样取土质量之差不得大于1。注根据土的性质和工程要求可适当增减不同筛径的分析筛。4成果整理（1）小于某粒径的试样质量占总重量的百分比，应按下式计算XAXBMD式中X小于某粒径的试样占总质量的百分比，；小于某粒径试样质量，G；A当细筛分析时或用密度计法分析时所取试样质量（粗筛分析时BM则为试样总质量），G；颗粒小于2MM的试样质量占总质量的百分数，在计算粗筛分析XD时100。XD（2）绘制颗粒大小级配曲线。以小于某粒径的颗粒质量百分数质量百分数为纵坐标，以粒径（MM）对数为横坐标，绘制颗粒大小级配曲线，求出各粒组的颗粒质量百分比。（二）密度计法密度计分为甲种和乙种。甲种密度计读数表示1000ML悬液中的干土重；乙种密度计读数表示悬液比重。两种密度计其制造原理和使用方法并无不用之处。试验原理密度计法，是将一定量的土样（粒径小于0075MM）放在量筒中，然后加蒸馏水，经过搅拌使土的大小颗粒在水中均匀分布，当土粒在液体中靠自重下沉时，较大下沉较快，而较小的颗粒下沉则较慢。在土粒沉降过程中，用密度计测出在悬液中对应于不同沉降时间的悬液密度，根据密度计读数和土粒的下沉时间，就可计算出小于某一粒径D（MM）的颗粒占土样的百分数。2仪器设备密度计（甲种，如图所示）、细筛、煮沸设备、三角烧瓶500ML、量筒1000ML、搅拌器、六偏磷酸钠（4）、秒表、温度计等。3操作步骤（1）称质量为30G的风干试样倒入锥形瓶中，勿使土粒丢失，注入200ML的蒸馏水泡过夜。（2）将锥形瓶放在煮沸设备上，连接冷凝管进行煮沸。一般煮沸约1H。（3）将冷却后的悬液倒入瓷杯中，静置1MIN，将上部悬液倒入筒内。杯底沉淀物用带橡皮头的研杵细心研散，加蒸馏水，经搅拌后静置1MIN，再将上部悬液倒入量筒。如此反复操作直至杯内悬液澄清为止。当土中大于0075MM的颗粒估计超过试样总质量的15时，应将其全部倒至0075MM筛上冲洗，直至筛上仅留大于0075MM的颗粒为止。（4）将留在洗筛上的颗粒洗入蒸发皿内，倾去上部的清水，烘干称重量，然后按规程规定进行细筛筛析。（5）将过筛悬液倒入量筒，加4浓度的六偏磷酸钠约10ML于量筒溶液中，再注入纯水，使筒内悬液达1000ML（对加入六偏磷酸钠后产生凝聚的土，应选用其他分散剂）。（6）用搅拌器在量筒内沿整个悬液深度上下搅拌月1MIN，往复各约30次，搅拌时勿使悬液溅出筒外，使悬液内土粒均匀分布。（7）取出搅拌器，将密度计放入悬液同时开动秒表。测经1、5、30、120MIN和1440MIN时的密度计读数。根据试样情况或实际需要，可增加密度计读数或缩短最后一次读数的时间。（8）每次读数均应在预定时间前1020S将密度计小心放入悬液接近读数的深度，并需注意密度计浮泡保持在量筒中部位置，不得贴近量筒。（9）密度计读数均以弯液面上缘为准。甲种密度计应准确至05，乙种密度计应准确至00002，每次读数完毕立即取出密度计放入盛有纯水的量筒中，并测定各相应的悬液温度，准确至05。放入或取出密度计，应尽量减少对悬液的扰动。（10）如试样在分析前未过0075MM洗筛，而在密度计第一个读数时，发现下沉的土粒以超过试样总质量的15时，则应于试验结束后，将量筒中土粒过0075MM筛，然后按规程规定求得粒径大于0075MM的颗粒组成。4成果整理（1）按下列公式计算小于某粒径的试样质量占试样总质量百分数。甲种密度计XTD10MSDC（R）式中X小于某粒径的土质量百分数，；试样干土质量，G；DM土粒比重校正值，查表；SC温度校正值，查表；T分散剂校正值；D弯液面校正值；NR甲种密度计读数；按公式计算2020SS65C式中土粒密度，GCM3；S20时水的密度，GCM3；20计算颗粒直径，也可按图确定。T04S18DGGTL（）为了简化计算公式可写成DKTL式中K粒径计算系数，K，与悬液温度和土粒比重有关。T04S18GG（）如表所示。（2）用小于某粒径的质量百分数为纵坐标，颗粒直径（MM）在对横坐标上，绘制颗粒大小分布曲线。如与筛析法联合分析，应将两段曲线绘成一平滑曲线。本次实验结果如下表21表22图22所示表21颗分试验原始记录表颗粒分析实验（比重计法）工程编号东北林业大学土样编号01验日期2013年3月15日试验者刘庆伟曾德娟张则琪计算者曾德娟校核者张则琪小于01毫米颗粒土质量百分数100比重计号甲1湿土质量量筒号5含水量5烧瓶号A3干土质量30G土粒比重272含盐量比重校正系数09846试样处理说明煮沸后未加六偏磷酸钠土样原始状态冻土下沉悬液比重计读数土粒落踞粒径小于某孔小于某孔时间温度比重计刻度弯液温度分散剂RNRNMCDRHRMCSLD径的土质径的总土TT读数面校正值校正值校正值MM）（MM）量百分数质量百分数试验时间（MIN）（）（R）（N）（M）（CD（）（）12002411132532492550031483078307220019911132122088630024696696520015911131721694750016456475647102001081113121119285001233973397330200291113424141060007913813860200211113343351230006111171117120200281113414041400046134713471440200211113343352250001711171117RNCM孔径累积留筛土质量小于该孔径的小于该孔径的土小于该孔径的总土质量质量百分数土质量百分数筛号MMGG1042969143914305152858804880402522886498649012227892679267盘底总计22表22颗分试验原始记录表颗粒分析实验（比重计法）工程编号东北林业大学土样编号01验日期2013年3月15日试验者刘庆伟曾德娟张则琪计算者曾德娟校核者张则琪小于01毫米颗粒土质量百分数100比重计号甲1湿土质量量筒号3含水量5烧瓶号45干土质量30G土粒比重272含盐量比重校正系数09846试样处理说明煮沸后加六偏土样原始状态10ML冻土下沉悬液比重计读数土粒落踞粒径小于某孔小于某孔时间温度比重计刻度弯液温度分散剂RNRNMCDRHRMCSLD径的土质径的总土TT读数面校正值校正值校正值MM）（MM）量百分数质量百分数（MIN）（）（R）（N）（M）（CD（）（）120037111354935500314164316422003511134847363002415751575520031113434247500164141114111020029911134294238500123140814083020029111342414106000791378137860200291113424141230006113781378120200291113424141400046137813781440200291113424142250001713781378孔径累积留筛土质量小于该孔径的土质量小于该孔径的土质量百分数小于该孔径的总土质量百分数筛号MMGG103297927392730513287896189610251828288058805011928193679367盘底总计19图2122界限含水率试验221试验目的粘性土的状态随着土的含水率的变化而变化。各种粘土都有一个处于塑性状态的含水率范围，塑限含水率就是这个范围的量度值。对于工程来说，具有实用意义的就是液限、塑限和缩线。液限是细粒土成可塑状态的上限含水率；塑限是细粒土成可塑状态的下限含水率；缩限是细粒土从半固结状态继续蒸发水分过度和固体状态时体积不再收缩的界限含水率。含水率低于缩限，水份蒸发时体积不再缩小。液限能较好的反应土的某些物理力学性质。区分塑性和脆性的界限含水率定义为塑限。液限和塑限间的差值为塑性指数，他是黏土塑性强弱的量度。222试验方法液限是区分粘性土可塑状态和流动状态的界限含水率，测定土的液限主要有圆锥仪法和蝶式仪法等试验方法，也可采用液塑限联合测定法测定土的液限。本次试验采用的是液塑限联合测定法。223试验原理液限塑限联合测定法是根据圆锥仪的圆锥沉入深度与其相应的含水率在双对数坐标上具有线性关系的特性来进行的。利用圆锥质量为76G的液塑线联合测定仪测得土在不同含水率时圆锥沉入深度，并绘制其关系图，在图上即可查到圆锥下沉深度为17MM时所对应的含水率即为液限，查得圆锥下沉深度为2MM时所对应的含水率即为塑限。224试验仪器（1）圆锥液限仪如图22，主要有三个部分质量为76G且带有平衡装置的圆锥，锤角30，高25MM，距锥尖10MM处有环形刻度；用金属材料或有机玻璃制成的试验杯，直径不小于40MM，高度不小于20MM；硬木或金属制成的平稳底座。图22圆锥仪（2）称量200G、最小分度为001G的天平。（3）烘箱、干燥器。（4）铝制称量盒、调土刀、小刀、毛玻璃板、滴管、吹风机、孔径05MM标准筛、研钵等设备。225试验步骤采用风干土制备试样。取过05MM筛的代表土样约200G，分成三份，分别放在三个调土皿中，加入不同数量的纯水，使分别达到接近液限、塑限和两者中间状态的含水率，调成均匀土膏，然后放入密封的保湿缸中，静置24H。将调土皿中的土膏，用调土工具充分搅拌均匀，密实的填入试杯中，应使空气逸出，高出试杯口的余土，用调土刀刮平，随即将试杯放在升降底座上。取圆锥仪，在圆锥上涂抹一层凡士林油，接通电源，是电磁铁吸稳圆锥仪。调节升降座待试杯刚好上升至土面刚好与圆锥的锥尖相接触，接触指示灯亮时，调节屏幕准线，使初读数为零位刻度线，关闭电源使磁铁失磁，圆锥仪在自重下沉入土中，经五秒测读圆锥沉入深度。然后将试杯中的合格试样取出2个个10G以上放入称量盒中，打开盒盖放在盒底，将试样同盒一起放入烘干箱中，在105至110温度下烘到恒重，测定其含水率。按以上步骤分别测试其余2个试样的圆锥沉入深度及相应的含水率。根据圆锥沉入深度及相应的含水率在双对数坐标上绘制关系曲线，求出圆锥沉入深度为17MM及2MM时的相应含水率即为液限和塑限。226成果整理含水率安下列公式计算M10D式中含水率M湿土质量，GMD干土质量，G塑性指数和液性指数计算按下列两式PPLIPLII式中塑性指数P液限，L塑限，P液性指数LI以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，在双对数坐标系内绘制关系曲线。三点连一直线，当三点不在一条直线上时，通过高含水率的一点与其余两点连成两条直线，在圆锥下沉深度为2MM处查得相应的含水率，当两个含水率的差值小于2时，因以该两点含水率的平均值与高含水率的点连成一线；当含水率的差值大于或等于2时，应补做试验。在圆锥下沉深度与含水率关系图上，查出圆锥下沉深度深度为17MM时所对应的含水率即为液限，查得圆锥下沉深度为2MM时所对应的含水率即为塑限，一百分数表示，取整数。表23液、塑限联合试验工程名称液塑限联合试验试验者张则琪土样说明粉质粘土计算者曾德娟试验日期201304校核者刘庆伟试样编号123圆锥入土深度（MM）4297173盒号207A盒重（G）495489466盒湿土重（G）6456462盒干土重（G）61660558湿土重（G）15151154干土重（G）121116114水质量（G）29354含水率（）2397302351液限（）19塑限（）34塑性指数（）15土样分类粉质粘土2397,423020,973510,173110100100010000含水率（）入土深度H（MM）图23圆锥下沉深度与含水率关系曲线23击实试验231实验目的室内击实试验是为了确定扰动土在一定击实功能下干密度随含水率变化的关系曲线，以求得土的最大干密度和最优含水率，了解土的压实特性，为工程设计和现场施工碾压提供土的压实性资料。土的压实程度与含水率、压实功能和压实方法等有密切的关系，工程经验表明欲将填土压实，必须使其水分降低到饱和度以下，要求土处于三相状态。因此，土的压实过程，既不是固结的过程，也不同于一般的压缩过程，而是一个土颗粒在不排水条件下的重新组构过程。232试验方法该试验分为轻型击实试验法和重型击实试验法。轻型击实试验法适用于颗粒不大于5MM的黏性土；重型击实法适用于粒径不大于20MM的土，若采用三层击实时，最大粒径不大于40MM。轻型击实试验的单位击实功为5922KJM3，轻型击实试验分3层击实，每层25击。重型击实试验的单位击实功约为26849KJM3，重型击实试验分5层击实，没层56击；若分3层击实，每层94击。233轻型击实法（一）试验原理土的压实程度与含水率、压实功能和压实方法有密切的关系。当压实功能和压实方法不变、含水率较低时，土的干密度随含水率的增加而增加；当干密度达到某一最大值后，含水率继续增加则干密度逐渐减小，将土达到最大干密度时所对应的含水率，称为最优含水率（PW0），该干密度值称为最大干密度（DMAX）。击实试验就是利用标准化的击实装置，确定土的干密度与含水率间的关系曲线，即击实曲线，结合现场土密度的测定，得出填土的压实度。（二）仪器设备轻型击实仪（由击实筒、击实锤和护筒组成，击实锤质量25KG、落距305CM、击实筒容积99695CM3，如图所示）、天平、台秤、推土器、烘干箱、喷水设备、碾土设备、盛土器、标准5MM、修土刀和保湿设备等。（三）操作步骤（1）试样制备。采用湿法制备试样，取天然含水率的代表性土样20KG碾散，按要求过5MM筛，将筛下得土样拌均匀，分别风干或者加水到所要求的不同含水率。（2）为使试验结果更可靠，一般最少做5个含水率试样，含水率依次相差2，且其中至少有两个大于最优含水率及两个小于最优含水率。试样制备中，可按下式计算所需的加水量。制备试样时必须使土样中含水率分布均匀。011WOOM式中土样所需加水量，KG；风干含水率时土样的质量，WOW0土样风干总含水量，；W要求达到含水率，；（3）将击实仪放在坚实的地面上，击实筒内壁和底板涂一薄层凡士林，连接好击实筒，与底板，安装好护筒，检查仪器各部件及配套设备的性能是否正常，并做好记录。（4）从制备好的一份试样中称取一定数量土料，分3层或5层倒入击实筒内并将土面整平，分层击实。对于3层击实的轻型击实实法，每层土料的质量为600800G（其量应使击实后试样的高度略高于击实筒的13），每层击打25击。如为手工击实，应保证使击实锤自由沿直线下落，锤击点必须均匀分布于土面上；如为机械击实，可将定数器拨到所需的击数处，按动电钮进行击实。击实后的每层试样高度应大致相等，两层交接面的土面应刨毛。击实完成后，超出击实筒的试样高度小于6MM。（5）用修土刀沿护筒内壁削挖后，扭动并取下护筒，测出超高（应取多个测点值平均，准确至01MM），沿击实筒顶细心修平试样，拆除底板。如试样地面超出筒外，亦应修平。（6）用推土器从击实筒内推出试验，称量，准确至1G。从试样中心取出两个一定量的土料（轻型为1520G）平行测定土的含水率，称量准确至001G，含水率的平行误差不得超过1。一般不重复使用土样。（四）成果整理按下式计算击实后各试样的含水率10DM式中W含水率，；M湿土质量，G；MD试样的干土质量，G；按下式计算击实后各试样的干密度，计算至001GCM310D式中D干密度，GCM3；湿密度，GCM3；W含水量，。以干密度为纵坐标、含水率为横坐标，绘制干密度与含水率的关系曲线。曲线上峰值点的纵、横坐标分别代表土的最大干密度和最优含水率，如果曲线不能给出峰值点，应进行补点试验。234实验中的几个问题（1）试验用土一般采用风干土做试验，也有采用烘干土做试验的。试验证明最大干密度以烘干土最大，用烘干土做试验得到的最优含水率比用风干土的小，而最大干密度则偏大，因此以风干土做试验较为合理。最优含水率也因制备方法不同而不同，一烘干的土最低，这种现象黏土最明显，黏粒含量越高，烘干对最大干密度影响也越大，这显然是烘干影响了胶粒的性质，故黏土不宜用烘干土备样。（2）加水及浸润。加水方法有两种，即体积控制法和称量控制法，以称重控制法效果为好。洒水应均匀，浸润时间应符合有关规定。（3）击实筒一般应放在混凝土地面上。（4）应控制击实容器中的余土高度符合试验规定，否则试验无效。（5）超尺寸颗粒应进行校正。（6）在统一规定击实标准下，级配不均匀的土所得的曲线较陡，土的密度大；级配均匀的土所得的曲线平缓，土的密度小。一般土的塑性指数愈高，其最大干密度愈小。（7）两次平行试验最大干密度的差值应不超过005GCM3。表24击实试验记录表试样编号110试验者曾德娟每层击数25计算者张则琪试验日期201304校核者刘庆伟干密度含水率试验序号筒体积（CM3）湿土质量（G）密度（G/CM3）干密度（G/CM3）盒号盒质量（G）盒加湿土质量（G）盒加干土质量（G）湿土质量（G）干土质量（G）含水率平均含水率19001906166146662601541341499969524696259915113115315119701976167342557555215127181996954488646161521281875184200020116854666259515412919499695643959565151126198196200020116674964614151242199695845761584153127205207519511961589445595566151212397996951048964611151122238239最大干密度168最优含水率1921515516165170510152025击实曲线图含水率DG/CM3系图24击实曲线图24本章小结土粒度成分，通常以各粒组的质量百分率来表示，说明各粒级的分配粒度情况，也称颗粒级配。土粒度成分是土重要的基本性质之一，对季节冻土的冻胀具有十分重要的影响。研究结果表明本区域土样为粉质粘土，最优含水率192，颗粒级配良好。液限19塑限34。第三章冻融循环试验31实验目的本次试验为季冻区一种土在几次冻融后的力学行为，试验着手于研究路基土经过多次冻融循环后的力学特性变化行为，力求寻找出不同种类的土在冻融循环后力学特性变化的相同点和不同点，并结合软件的数值模拟,帮助预测季冻区路基土的强度变化行为，这对于季冻区公路的建设具有很强的指导意义，且具备一定的工程可行性。32试验方法（1）土样的制备重塑土样制备满足JTGE40一2007公路土工试验规程T0102一2007条内容规定，将土风干后碾散并过05MM筛，取出足够数量的试样，试验时根据试件模具的容积，设定含水量和压实度，计算每组试件所需的干土和水的质量。将千土和水混合配样闷料12小时。制得土样如图（图31、图32、图33）所示图31素土试样图32素土剪切后土试样图33素土试样（2）试验的仪器冻融试验主要由环刀、击实仪、天平、电子称、恒温箱（冰箱代替）、养护箱。（3）试验过程将制备好的试样或达到养护龄期的试样放到冻融试验冰箱中进行冻融循环试验，冻结时在负温的恒温冷冻箱内养护12H，融化时在S的恒温箱中养护12H，此过程为一个冻融循环周期。冻融循环的试验周期次数选为O、1、3、6次，达到冻融循环周期次数后取出部分试样进行直接剪切试验，剩余试样继续做冻融循环试验。此外为了比较冻融对土力学性能的影响，也对养护完成后未经历冻融循环的试样进行了直接剪切试验。33冻融循环过程的实现进行冻融循环试验，首先要确定冻结方式。冻结方式按照是否与外界水分补给的情况，可以分为开放系统和封闭系统两种环境。同一种土在初始含水量和干密度相同、边界温度基本相同的条件下，开放系统中形成的分凝冰层数量和厚度冻胀量均比封闭系统中大得多冻结方式按照冻结方向可以分为单向冻结和三向冻结两种方式。在相同冻结时间下，单向冻结时，由于存在明显的温度梯度，水分迁移尤其明显，冻结后在试样靠近上表面附近会出现水分相对集中的区域，但在三向冻结过程中，由于不存在单一方向的冷、暖面，冻结方向是由土体周围指向土体中心，因此水分迁移以及冻结后相对集中含水量区域没有单向冻结时明显。不论是单向冻结，还是三向冻结，冻结速率也是影响水分迁移量的又一重要因素，冻结方式按照冻结的速度可以分为快速冻结和缓慢冻结两种方式。在其它条件相同情况下，冻结速率越快，水分迁移量越小，土中水近乎是原位冻结成冰冻结速率越慢，水分迁移量越大，土中水在迁移中成冰。由上述分析可知，冻结方式的确定影响着冻融循环后试样的力学性质，本试验依据试验目的和试验条件，采用封闭系统下，相同冻结速率，三向冻结的方式。冻融循环过程在冻融试验冰箱中进行，本试验采用保鲜膜保湿，这样使冻融过程中接近封闭情况，能够保证含水量变化较小。34冻结与融化时间的确定冻融循环是指某确定土体经受一次或若干次连续不间断的冻结和融化的过程。进行冻融循环对某一特定试样的力学性质的影响研究，首先必须较为精确地确定冻结和融化所需时间。冻结或融化时间过短，不能冻结或融化透彻、完全冻结或融化时间过长，则浪费试验时间。冻结稳定状态是指一定体积的试样在一定的负温条件下冻结均匀、彻底的状态，冻结稳定时间是指达到冻结稳定状态所需的最短时一间。土体冻结稳定时间主要与冻结温度关系密切，冻结温度越低，冻结稳定时间越短。这主要是因为在其它条件全相同的情况下，冻结温度越低，正冻结或冻土的导热系数越大，而比热也越小，因此其冷量传递越快。根据高速铁路路基土样实际所处环境的气温资料确定冻融循环试验需要设置的土样冷却温度和土样融化温度，再根据室内试验确定试验冻结稳定所需要的时间。本次试验采用的冷却温度为一3、一5和一7，同时考虑试验条件的限制和温度的变化过程，将冻结时间统一确定为12H。35本章小结以往的工作中，学者大多关注于研究冻融作用对土物理性质的影响，多数的研究认为冻融作用具有类似击实的效果，一方面，它会使密实土的孔隙比增大，另一方面，它又会使松散土的孔隙比减小，对于颗粒较细的土，渗透性在冻融循环后是有所增大的；土的界限含水量也会随着冻融循环的作用有所变化。以往仅有相对较少的关注冻融作用对土力学性质影响的研究，而本次试验将着重研究冻融循环对素土的力学性质的影响。第四章直接剪切试验41验实验目的直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法。通常采用四个试样，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力进行剪切，求得破坏时的剪应力，然后根据库伦定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角和黏聚力。42试验方法本试验适用于测定细粒土的抗剪强度参数C和及土颗粒的粒径小于2MM的砂土的抗剪强度参数。直接剪切试验分为快剪、固结快剪、慢剪3种方法。43试验原理（快剪法）直接剪切试验采用4个试样，用不同的法向应力作用于竖直方向，剪切时得到I不同抗剪强度，将4组（，）置于直角坐标系中，用最小二乘法做直线，称FIIFI作库伦强度线。强度线在纵坐标上的截距为黏聚力C，强度线与水平线的夹角为内摩擦角。快剪试验是在试样上施加垂直压力后立即快速施加水平剪切力，以0812MMMIN的速率剪切，一般使试样在35MIN内剪破。44仪器设备应变控制式直接剪切仪（如图所示）、百分表、环刀、推土器等图41直剪仪图22直剪仪45操作步骤（1）从原状土样中切取试样或制备给定干密度及含水率的扰动土试样。（2）对准上下盒，插入固定销钉。将透水石放入剪切盒内，然后放湿润滤纸片。将装有试样的环刀平口向下，对准剪切盒盒口，在试样顶面放湿润滤纸片、透水石，然后用推土器将试样徐徐推入剪切盒内，移去环刀。（3）顺次加压盖板、钢珠、加压框架。转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触，调整测力计读数为零。（4）每组试验应取4个试样，在4种不同垂直压力下进行剪切试验。一般可按50KPA、100KAP、200KAP、300KAP、400KAP范围内选择施加。（5）施加垂直压力后，立即拔去固定销钉。开动秒表，以0812MMMIN的速率剪切（每分钟46转的速度旋转手轮），使试样在35MIN内剪损。但一般宜剪切至变形达到4MM。若测力计读数继续增加，则剪切变形达到6MM为止。手轮内转动一转，同时测记测力计读数并根据需要测记垂直位移计读数，直至剪损为止。（6）剪切结束后，吸去剪切盒积水，倒转手轮，尽快移去垂直压力、加压框架、钢珠、加压盖板等。取出试样，吸去剪切盒积水，测定剪切面附近土的含水率。46成果整理按下式计算试样的抗剪强度FF0CR式中抗剪强度，KPA；F量里环率定系数，KAP001MM；0C量力环中测微表读数，001MM；R以抗剪强度为纵坐标，垂直压力P为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力P的FF关系曲线，根据图上各点，绘制一条视测直线。直线的倾角为土的内摩擦角，直线在纵坐标上的截距为土的黏聚力C。如下表表41素土0次循环直接剪切试验数据表工程名称冻融循环作用下素土静力