土的换算指标

试验指标 INCLUDEPICTURE "http://col.njtu.edu.cn/jingpinke/06jpsb/tjxy/%CD%C1%C1%A6%D1%A7/Famous/TJ/newimages/newnav/nextpage.gif" \* MERGEFORMATINET 指标之间的换算关系   3.换算指标 除了上述三个试验指标之外，还有六个可以计算求得的指标，称为换算指标，包括土的干密度（干重度）、饱和密度（饱和重度）、有效重度、孔隙比、孔隙率和饱和度。 （1）干密度 d 干密度是土的固相质量 ms 与土的总体积V 之比，可由下式表示：   （1-6） 干密度的单位是g/cm3。土的干密度越大，土越密实，强度就越高，水稳定性也好。干密度常用作填土密实度的施工控制指标。 （2）土的饱和密度 sat 土的饱和密度是当土的孔隙中全部为水所充满时的密度，即全部充满孔隙的水的质量 mw 与固相质量 ms 之和与土的总体积 V 之比，由下式表示： （1-7） 土的饱和密度的单位是g/cm3。当用干密度或饱和密度计算重力时，也应乘以10变换为干重度或饱和重度。 （3） 有效重度 ' 有效重度是扣除浮力以后的固相重力与土的总体积之比（又称为浮重度），由下式表示： （1-8） 式中 w 为水的重度，纯水在 4 ℃时的重度等于9.81 kN/m3，在工程上常取为10 kN/m3。在计算地下水位以下土层的自重应力时应当用有效重度。 （4）土的孔隙比e 土的孔隙比是孔隙的体积 Vv 与固相体积 Vs 之比，以小数计，由下式表示： （1-9） 孔隙比常用来评价土的紧密程度，或从孔隙比的变化推算土的压密程度。 （5）土的孔隙率n 土的孔隙率是孔隙的体积 Vv 与土的总体积 V 之比，即   （1-10） （6）土的饱和度Sr 土的饱和度是指孔隙中水的体积 Vw 与孔隙体积Vv 之比，常用百分数表示，即          （1-10）   三相指标之换算指标 HYPERLINK "http://col.njtu.edu.cn/jingpinke/06jpsb/tjxy/%CD%C1%C1%A6%D1%A7/Famous/TJ/1/07.htm" INCLUDEPICTURE "http://col.njtu.edu.cn/jingpinke/06jpsb/tjxy/%CD%C1%C1%A6%D1%A7/Famous/TJ/newimages/newnav/bach.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://col.njtu.edu.cn/jingpinke/06jpsb/tjxy/%CD%C1%C1%A6%D1%A7/Famous/TJ/newimages/newnav/nextpage.gif" \* MERGEFORMATINET 三相指标测定方法   4.三相指标之间的换算关系 在三相比例指标中，三个试验指标是基本指标，通过试验指标，所有三相比例指标之间可以建立相互换算关系，具体的换算公式可查阅表1-2。 下面通过一个例题的解答来进一步理解三相指标之间的换算关系： 【例题1-1】 已知土的试验指标为  =18 kN/m3 ，s=2.7 g/cm3 和 w=12％，求 e ,Sr 和 d 。 【解】设土的体积等于1，则土的重力W=V=18 kN。 已知土粒的重力 Ws 与水的重力Ww 之和等于土的重力W ，即W=Ws+ Ww 。水的重力 Ww 与土的重力 Ws 之比等于含水量w，则 Ww＝w×Ws ＝0.12Ws ，由此求得土粒的重力 Ws ＝15 kN。土粒体积 Vs 可由土粒的密度s 和土粒的重力 Ws 求得，其值为0.55 m3，孔隙的体积Vv则为0.45 m3，水的体积 Vw 由水的重度w 和水的重力 Ww 求得，其值为0.18  m3。 根据三相指标定义可计算孔隙比e，饱和度Sr 和干重度d 的数值： 在实际工程计算中一般是先导出相应的换算公式，然后直接用换算公式计算。 八、固结试验 在一般压力作用下，土粒和水的压缩与土的总压缩量之比甚小，可以忽略不计，所以把土的压缩可看作土中孔隙体积的减小。饱和土压缩时，随着孔隙体积的减小，土中孔隙水则被排出，土在荷重作用下体积缩小的过程称为压缩。土在压缩过程中，孔隙水和空气逐渐排出的时间历程，称为土的固结。固结试验指将天然状态下原状土样或人工制备扰动土样制备成一定规格的试件，然后置于固结仪内，在不同荷载和有侧限条件下测定其压缩变形。 （一）试验目的 对饱和土可测定土的单位沉降量、压缩系数av、压缩模量Es，压缩指数、固结系数等参数，判定土样的压缩性，并可得到单位沉降量与压力的关系曲线和孔隙比与压力关系曲线。 对于非饱和土，只允许进行压缩试验，测定压缩指标。 （二）试验方法 根据工程需要，可进行如下试验： 正常慢固结试验：以24h作为固结稳定。 快速固结试验：砂性土固结时间为1h，粘性土固结时间宜为24h，然后施加下一级荷重；最后一级荷重延长至24h，并以等比例综合固结度法进行修正。 前期固结压力试验：其最后一级荷重应大于前期固结压力或自重压力的五倍以上。 固结系数确定试验：由排水方向不同确定试样的水平向固结系数和垂直向固结系数。 （三）主要仪器设备 固结容器：由环刀（内径61.8mm、高度20mm）、护环、透水板、水槽、加压盖组成，如图8-1所示； 加压设备：应能垂直地在瞬间施加各级规定的压力，且没有冲击力； 变形量测设备：量程10mm、最小分度值0.01mm的百分表； 其它：天平、秒表、修土刀、铝盒、滤纸、凡士林、烘箱等。 （四）操作步骤 1．按工程需要取原状土或制备所需状态的扰动土样，用切土刀（或钢丝锯）将土样切削成略大于环刀直径的土柱。 2．取切土环刀，在环刀内侧涂上一薄层凡士林，刀口向下放在土样上，小心地边压边削，使整个土样进入环刀并凸出环刀为止，然后修平两端，擦净外壁，并测定土样密度及含水率。 3．在固结容器内放置护环、透水板和薄型滤纸，将带有土样的环刀装入到固结容器的护环内，放上导环，试样上顺次放上薄型滤纸、透水石和传压活塞以及定向钢环球；将固结容器准确放在加荷横梁中心，再按要求安装好加荷设备；施加1kPa的预压力，使仪器上下各部件之间接触；调整好百分表，并将初读数归零。 4．确定需要施加的各级压力，加荷等级宜为12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200kPa；第一级压力的大小应视土的软硬程度而定，宜用12.5、25kPa或50kPa；最后一级压力应大于土的自重压力与附加压力之和；只需测定压缩系数时，最大压力不小于400kPa。需要确定原状土的先期固结压力时，初始段的荷重率应小于1，可采用0.5或0.25。 5．对于饱和试样，施加第一级压力后应立即向水槽中注水浸没试样；非饱和试样进行压缩试验时，须用湿棉纱围住加压板周围。 6．需要测定沉降速率、固结系数时，施加每一级压力后，宜按下列时间顺序测记试样的高度变化：6s、15s、1min、2min15s、4min、6min15s、36min、42min15s、49min、64min、100min、200min、400min、23h、24h，至变形稳定为止。注意测定沉降速率仅适用于饱和土。 7．当不需测定沉降速率时，则施加每级压力后24h测定试样高度变化作为稳定标准，只需测定压缩系数的试样，施加每级压力后，每小时变形达0.01mm时，测定试样高度变化作为稳定标准。按此步骤逐级加压至试验结束。 8．需要进行回弹试验时，可在某级压力下固结稳定后退压，直至退到要求的压力，每次退压至24小时后测定试样的回弹量。 9．试验结束后吸去容器中的水，迅速拆除仪器各部件，小心取出完整试样，测定其含水率，并将仪器清洗干净。 因教学时间所限，学生进行固结试验时作了如下简化：加荷等级一般为50、100、200、400kPa，并且在每级加荷后10分钟即认为压缩已达稳定，记录百分表读数，再施加下一级荷载。 （五）数据处理 1．计算 （1）试样初始孔隙比： 式中：为试样初始含水率；为试样土粒比重；为试样初始密度；为水的密度。 （2）各级压力下试样固结稳定后的单位沉降量计算公式： 式中：为某级压力下的单位沉降量（mm/m）；为某级压力下试样固结稳定后的总变形量（mm）；为试样初始高度（mm）。 （3）各级压力下试样固结稳定后的孔隙比计算公式： （4）某一压力范围内的压缩系数计算公式： 式中：为压缩系数（MPa-1）；为某级压力值（MPa-1）；为相应于的孔隙比。 工程上压缩系数一般取作为评价土层压缩性的标准，其中=100kPa，=200kPa，、为与、相对应的孔隙比。 （5）某一压力范围内的压缩模量计算公式： （6）某一压力范围内的体积压缩系数计算公式： （7）压缩指数和回弹指数计算公式： （8）原状土试样先期固结压力的确定：在e~logp曲线上找出最小曲率半径的点O，过O点作水平线OA，切线OB及∠AOB的平分线OD，OD与曲线下段直线的延长线交于E点，则E点所对应的压力值即为该状土试样先期固结压力，参考图8-3。 （9）固结系数的确定：可采用时间平方根法或时间对数法。 1）时间平方根法：对某一级压力，以试样变形为纵坐标，时间平方根为横坐标，绘制变形与时间平方根关系曲线，参考图8-4，延长曲线开始段的直线交纵坐标轴于ds为理论零点，过ds作另一直线，令其横坐标为前一直线横坐标的1.15倍，则后一直线与d~曲线交点所对应的时间的平方根即为试样固结度达90%所需的时间t90，该级压力下的固结系数按下式计算： 式中为固结系数（ cm2/s）；为最大排水距离，等于某级压力下试样的初始和终了高度的平均值之半。 2）时间对数法：对某一级压力，以试样的变形为纵坐标，时间的对数为横坐标，绘制变形与时间对数关系曲线，参考图8-5，在关系曲线的开始段，选任一时间t1，查得相应的变形值d1，再取时间t2=t1/4，查得相应的变形值d2，则2d2-d1即为d01；另取一时间依同法求得d02、d03、d04等，取其平均值作为理论零点ds，延长曲线中部的直线段和通过曲线尾部数点的切线相交点即为理论终点d100，则d50=(ds+d100)/2，对应于d50的时间即为试样固结度达到50%所需的时间t50，该级压力下的固结系数按下面公式计算： 2．制图 （1）以孔隙比为纵坐标，压力为横坐标，绘制孔隙比与压力的关系曲线，参考图8-2。 （2）以孔隙比为纵坐标，压力的对数为横坐标，绘制孔隙比与压力的对数关系曲线，参考图8-3。 3．记录 见表T8-1固结试验记录表（1）及表T8-2固结试验记录表（2）。 表T8-1 固结试验记录表（1） 工程编号 试样面积A 试验者 试样编号 土粒比重Gs 计算者 仪器编号 试验前试样高度h0= mm 校核者 试验日期 试验前孔隙比e0= 表8-1-3 固结试验记录表   1—水槽 2—护环 3—环刀 4—导环5—透水板 6—加压盖 7—位移计导杆 8—位移计架 9—试样 图T8-1 固结仪示意图� � 图T8-3 e~logp曲线求pc示意图� � 图T8-4 时间平方根法求t90� � 图T8-2 e (Si)~p关系曲线� � 图T8-5 时间对数法求t50� � 表8-1-2 密度试验 � � 环刀号� 湿土质量 (g)� 环刀容积 (cm3)� 湿密度 (g/cm3)� � � � � � � � � � � � 表8-1-1 含水率试验 � 盒号� 湿土质量 (g)� 干土质量 (g)� 含水率 (%)� � 试验前� � � � � � � � � � � � 试验后� � � � � � � � � � � � 加压历时 (h) 压力 （kPa） 试样变形量 (mm) 压缩后试样高度 (mm) 孔隙比 压缩系数 (MPa-1) 压缩模量 (MPa) 固结系数 (cm2/s) p � h=h0-� � � � � � � 表T8-2 固结试验记录表（2） 工程编号 试验者 试样编号 计算者 仪器编号 校核者 试验日期 � 经过时间 （min） MPa MPa MPa MPa MPa 时间 变形 读数 时间 变形 读数 时间 变形 读数 时间 变形 读数 时间 变形 读数 0 0.1 0.25 1 2.25 4 6.25 9 12.25 16 20.25 25 30.25 36 42.25 49 64 100 200 23h 24h 总变形量(mm) 仪器变形量(mm) 试样总变形量(mm) � �