铁路工程土工基本知识
一、基本概述
1、土工试验的重要性
• 土工试验是为工程设计或施工提供可靠的技术指标和参数；
如果测试指标失真，不仅使按此设计的工程失稳甚至于破坏，就会造成财力、物力的浪费。
2、对土工试验对人员的要求（17.1）
由于土工试验成果因试验方法和试验技巧的熟练程度不同，会有较大的差别，这种差别远大于计算方法引起的误差。为了使土工试验比较正确地反映实际土的性状，要求试验人员了解和掌握以下五个问题：
①.试验的目的和所依据的原理； ②.使用的仪器设备性能和操作方法； ③.试验应获得哪些数据、分析出什么结论； ④.试验中的注意事项、误差的初步分析； ⑤.分析试验设计与实际问题的联系
概括地说土工试验人员要具备：一有基本理论，二有基础知识，三有基本技能。 3、土的形成
土是岩石风化的产物。
物理风化------岩石暴露在大气层内，受风、霜、雨、雪的侵蚀，以及受温度升降变化的影响，裂隙水结冰等原因，使岩石崩解成块。
化学风化-------这些碎块再与水、二氧化碳、氧气接触发生化学作用。 生物风化-------岩石在风化过程中与自然界的生物发生相互作用。 4、土与工程的关系
地基-----作为建筑物(桥涵、楼房等)或构筑物(路基等)的地基； 填料-----作为土工构筑物(路基、堤坝等)的填料； 介质-----作为构筑物(渠道、黄土隧道等)的周围介质。
5、土工试验主要工程分类
工程土按用途主要有两种：一是作为建筑物地基的原状土；二是作为建筑材料的扰动土。
1） 土的主要工程分类标准：
①. 铁路：《铁路工程岩土分类标准》 TB10077-2001、 《铁路路基设计规范》 TB10001-2005。
《铁路工程土工试验规程》 TB10102-2004
②. 国家标准《土的工程分类标准》GB 50145-2007 《土工试验方法标准》GB/T50123-1999 ③. 公路：《公路土工试验规程》 JTG E40-2007
《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63-2007
④. 水利部《土的工程分类》 SL237-001-1999；
2、铁路工程桥涵地基与基础土的分类
1）. 一般土 ①.分类定名
A.土的颗粒分类。讲义表17.1
把土颗粒按颗粒形状和粒径大小分成了7类15种。 B.碎石类土。讲义表17.2
大于2mm的颗粒超过总质量的50%。按颗粒形状和级配分为4类8个名称。 C.砂类土。讲义表17.3
大于2mm的颗粒不超过总质量的50%，而大于0.075mm的颗粒超过总质量的50%。按颗
粒级配分为1类5个名称。
D.粉土。
粒径大于0.075mm颗粒的质量不超过全部质量50%的土，且塑性指数等于或小于10。按塑性指数和颗粒级配分为1类1个名称。
E.粘性土。讲义表17.4
按塑性指数分为1类2个名称。
②.密实程度
A.碎石类土。讲义表17.5
根据结构特征、天然坡和开挖情况、钻探情况分为：密实、中密、稍密和松散4种。 B.砂类土。讲义表17.6
根据标准贯入锤击数N和相对密度Dr分为：密实、中密、稍密和松散4种。 C.粉土。讲义表17.7
根据孔隙比e的大小分为密实、中密、稍密3种。 D.粘性土。讲义表17.8
根据压缩系数a0.1~0.2分为高、中、低压缩性土3种。 ③.潮湿程度
A.碎石类和砂类土。讲义表17.9
根据饱和度分为稍湿、潮湿、饱和3种。 B.粉土。讲义表17.10
根据天然含水率分为稍湿、潮湿、饱和3种。 C.粘性土。讲义表17.11
根据液性指数分为坚硬、硬塑、软塑、流塑4种
6、土工试验项目
土工试验项目应根据土的用途决定： 1）、室内实验。
①.土的物理性能试验：含水率、密度、颗粒密度、界限含水率、颗粒分析、渗透、击实等。试验成果用于土的工程分类，土的状态的判定，渗透计算，填土工程施工方法的选择和碾压质量控制。
②.砂的相对密度试验：包括砂的最大和最小孔隙比的测定，由此确定砂的相对密度，判定砂的疏密状态。
③.土的变形试验：包括固结、压缩、湿陷性和膨胀性等。这些试验为工程设计提供变形参数：压缩系数、压缩模量、体积压缩系数、压缩指数、回弹指数、前期固结压力、固结系数、湿陷系数、自重湿陷系数、膨胀率、膨胀力等。
④.土的强度试验：包括直接剪切试验、反复直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验等。这些试验为设计提供土的抗剪指标参数(粘聚力、内摩擦角)、无侧限抗压强度、灵敏度等。
⑤.土的化学性试验：包括粘土矿物鉴定、有机质和盐渍土试验等。粘土矿物成分是决定土的物理化学性质的重要因素；有机质试验提供土中有机质含量，供施工选择土料之用；盐渍土是土中易溶盐含量大于5%的土，盐渍土试验指标供地基评价、采取工程措施或选料之用。
⑥.级配碎石：粒径级配、破碎面含量、洛杉矶磨耗率、硫酸钠浸泡损失率、液塑限、塑性指数、粘土团及其他杂质含量、毛体积密度。
⑦.改良土：液塑限、塑性指数、颗粒分析、击实(重型)、含灰剂量、无侧限抗压强度
2）、路基现场压实质量检测。
①.路基压实密度、含水率检测。常用的方法有环刀法、灌砂法、灌水法、气囊法、核子射线法等。
②.路基地基系数K30检测。 ③.路基动态变形模量Evd检测。 ④.路基静态变形模量Ev2检测。 3）、土工原位测试
①.静力载荷试验。试验成果用于确定地基承载力、变形模量等。
②.静力触探试验。适用于软土、粘性土、砂类土以及含少量碎石的土层。试验成果用于确定地基承载力、判定砂土液化和提供地基物理力学参数等。
③.动力触探试验。适用于粘性土、砂类土和碎石类土。试验成果用于确定地基承载力、评定土的抗剪强度和变形模量等。
④.标准贯入试验。适用于一般粘性土、粉性土和砂类土。可判定砂土的密实程度、粘性土的塑性状态、判别饱和砂土及粉土的液化等。
⑤.十字板剪切试验。适用于测定饱和粘性土的不排水抗剪强度及灵敏度等。 ⑥．旁压试验。
2）.特殊土
①. 黄土。
第四纪以来，在干旱、半干旱气候条件下形成的，土颗粒成分以粉粒为主、含碳酸钙及少量易溶盐、并具大孔隙和垂直节理、抗水性能差、易崩解和潜蚀、上部多具湿陷性等工程地质特征的土，应判定为黄土。
黄土按堆积时代、塑性指数、湿陷系数分类。
②. 红粘土。 颜色呈棕红、褐黄色，覆盖于碳酸盐系岩层之上，且液限等于或大于50%的高塑性粘土，应判定为红粘土。红粘土经搬运、沉积后仍保留残积粘土的基本特征，且液限大于45%，应判定为次生红粘土。红粘土具有遇水软化、失水收缩强烈、裂隙发育、易剥落等工程地质特征。
红粘土根据塑性状态、裂隙状态和界限液塑比和液塑比关系分类。
③. 膨胀土。
土中粘粒成分主要由亲水矿物组成，具有吸水显著膨胀软化，失水急剧收缩开裂，并能产生往复胀缩变形的粘性土，应判定为膨胀土。
膨胀土分类首先根据地貌、土的颜色、结构、土质情况、自然地质现象和土的自由膨胀率等特征，作初期判定；然后按自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量三项指标可对膨
胀土详细判定。
④. 软土。
天然孔隙比大于或等于1.0，天然含水率大于或等于液限，压缩系数大于或等于0.5，不排水抗剪强度小于30kPa的粘性土，可判定为软土。软土一般含有机质，具有压缩性高、强度低、灵敏度高和排水固结缓慢的特点。软土的结构受到扰动后，强度会极大地下降。 软土根据物理力学性质、成因类型、无侧限抗压强度试验或现场十字板剪切试验、软土的灵敏度分类。
⑤.盐渍土。
易溶盐含量大于0.5%的土，可判定为盐渍土。某地区或场地地表以下1.0m深度内易溶盐的平均含量大于0.5%时，应定为盐渍土地区或场地。盐渍土具有较强的吸湿、松涨、溶陷及腐蚀等工程地质特性。
盐渍土按含盐性质、盐渍程度的分类。
⑥.填土.
人为活动堆填的土应判定为填土，一般具有成分复杂和固结时间短等特点。根据物质组成和堆填方式，填土分为杂填土、素填土、冲填土、填筑土4类。
3、铁路工程路基填料的分类
铁路路基填料分类是根据原《铁路路基设计规范》 TB10001-99中的“填料分类”为基础，进行了局部的修订，在“一级定名”上与《铁路工程岩土分类标准》 TB10077-2001进行了统一，并以铁建设[2004]148号文发布。
①.巨粒土、粗粒土(包括砂类土)
根据颗粒组成、颗粒形状、细粒含量、颗粒级配、抗风化能力等，按讲义表17.26进行定名和分组。
②.细粒土
根据土的塑性指数Ip和液限含水率wL，按讲义表17.27进行定名和分组。
3、练习题
①. (问答)铁路工程土的分类标准，砂粒、粉粒、粘粒的含义是什么？
②. (问答)铁路路基填料巨粒土、粗粒土和砂类土，他们是怎样分类的？需要做什么试验？
③. (问答)铁路路基填料细粒土是怎样分类的？需要做那些试验？ ④. (问答)路基填料分类中“细粒含量”的含义是什么？
⑤. (问答)路基填料分类中颗粒级配“良好”与“不良”是怎样区分的？ ⑥. (问答)路基填料分类中硬块石于软块石是怎样区分的？
⑦. (问答)细粒土填料分类标准规定液限含水率试验采用圆锥仪法，圆锥仪总质量多少？入土深度多少？
⑧.(问答)土样定名时，如果同时符合2个或2个以上名称时，怎样处理？
四、土的组成及基本物理指标
1、土的三相体概念
土是由固体颗粒、水分和空气三相组成。其中每种成分的质量、体积的相对比例有所增减，都会引起土的物理力学性质的变化。
2、土的基本物理指标及换算关系
土的基本物理指标有九项,他们是：密度、颗粒密度、含水率、干密度、饱和密度、有效重度、孔隙比、孔隙率及饱和度。其中前三项是直接检测出来的，后六项是计算出来的。
①. 密度ρ
单位体积土的质量（包括孔隙中水的质量在内）称为土的密度（g/cm3）。
mv
(171)
其中:
:密度;m:质量;v:体积
②. 颗粒密度
s
土体内的固体颗粒质量与颗粒体积之比值，称为颗粒密度（g/cm3）,颗粒密度关注的是土体固体颗粒的视密度，也是以前的比重的概念。
s
msVs
(175)
其中:
Vs:为土固体颗粒的体积
(cm)
3
③. 含水率w
土中水的质量与土固体颗粒质量的比值称为土的含水率，以百分数计。在有的标准中，如公路用标准，含水率又称为含水量。
w
mwms
100(176)
其中:
w：土的含水率
（%）
不同的土其含水率的变化范围很大。干燥坚硬的土，含水率只有2～10%.而软粘土的含水率可达50～200%.
④.孔隙比e
土中的孔隙体积与土固体颗粒体积的比值称为孔隙比。
mw:土体水的质量
e
VvVs
(177)
其中:e:孔隙比;
Vv:孔隙体积(cm);
3
孔隙比是土的重要指标之一，它反映了土的松软和紧密程度。 ⑤.孔隙率n
土中孔隙体积与全部体积之比称为孔隙率（%）。
n
VvV
100(178)
其中:
n:孔隙率(%);
孔隙比与孔隙率之间存在着式(17-9)或（17-10）的关系。
ne
100e1en100n
(19)(1710)
V:土体体积(cm)
3
⑥.饱和度Sr
土中水分所占体积与全部孔隙所占体积之比，称为饱和度（%）。
Sr
VwVv
100(1711)
其中:
Sr:饱和度(%)Vw:土体中水的体积
(cm);
3
⑦.干密度
d
表示单位体积内土粒的质量（g/cm3）。
d
msV
(174)
⑧.饱和密度
sr
当土体的孔隙完全为水所充满时，土体的密度（g/cm3）
sr
其中:
msVrw
V
(172)
sr:饱和密度
(g/cm
3
);;
3
ms:土体固体颗粒质量Vr:土体孔隙体积
3
(cm);
3
w:水密度,一般可取
V:土体体积
(cm
)
1g/cm;
⑨.浮密度
表示地下水位以下的土体，且它的孔隙完全为水所充满，但又整个受到地下水的浮力作用。因此有：
'srw(173)
'
3、练习题
1、(填空)一般情况下，土是由（）、（）、（）三相组成。 2、(单选)土粒比重的定义式为：( )
ms
m
W
ms
A、
VS
B、V
mS
W
C、V D、
ms
VS
m
W
3、(单选)干密度的定义为：（）
m
m
V
A、
VS
B、
3
V
C、
VS
D、
4、(单选)土粒比重的单位是：（） A、kN/m B、kg/m
3
C、无 D、kPa
5、(单选)对于砾石土、碎石土和级配碎石，宜采用（）计算孔隙率n 。 A、颗粒密度 B、毛体积密度 C、表观密度 D、堆积密度 6、(多选)土可能由（ ）组成。
A、单相体 B、两相体 C、三相体 D、四相体
7、(多选)在土的三相体比例指标中，可以直接测出的指标有（） A、湿密度 B、干密度 C、颗粒密度 D、含水率
8、(判断)毛体积密度是材料质量除以材料的实体积与闭口孔隙体积的和。（） 9、(判断)孔隙率n是土样中的孔隙体积占土样总体积的百分率。 （） 10、(判断)土中的空气体积为零时，土的密度最大。（） 11、(计算)已知土样面积30cm，高2cm，湿土质量128.8g，含水率W＝13.6%，土的颗粒密度ρs＝2.71，求该土样的孔隙比e、孔隙率n和饱和度Sr。
2