土力学实验指导书.doc

土力学实验指导书 土力学试验指导书目录 一、密度试验土的密度是指土的单位体积的质量。 （一）试验目的测定土的密度，以了解土的疏密和干湿状态，供换算土的其它物理性质指标和工程设计，以及控制施工质量之用。 这里指的密度是湿密度?，其它还有干密度?、饱和密度sat?等。 （二）试验方法与适用范围一般粘性土，宜采用环刀法；易破碎，难以切削的土，可采用蜡封法；对于砂土与砂砾土，可用现场的灌砂法或灌水法。 （三）环刀法密度试验 1、仪器设备 (1)环刀（内径6.18cm，面积30cm2，高20mm，壁厚1.5mm）； (2)天平（感量为0.1g，称量为5001000g）； (3)其他修土刀，钢丝锯，凡士林等。 2、操作步骤 (1)按工程需要取原状土或人工制备所需要状态的扰动土样，其直径和高度大于环刀尺寸，修平两端放在玻璃板上。 (2)称量环刀质量。 (3)在环刀内壁涂一薄层凡士林油，并将其刃口向下放在试样上。 (4)用修土刀削去部分环刀外缘土样，并将环刀垂直下压，边压边修，至土样上端伸出环刀为止。 (5)用修土刀仔细削平两端余土，注意刮平时不得使土样扰动或压密。 (6)擦净环刀外壁，称量环刀加土的质量，准确至0.1g。 3、计算按下式计算土的密度VmmmVm00)(?式中?土的密度，（g/cm3）；0m环刀质量，（g）；2)(0mm?环刀加土的质量，（g）；V环刀容积，（cm3）。 计算至0.01g/cm3，同一土样，需进行两次平行测定，取其算术平均值，平行差不得大于0.03g/cm3。 4、试验记录密度试验(环刀法)工程编号试验者钻孔编号计算者土样说明校核者试验日期土样编号环刀号码环刀+土质量环刀质量土质量环刀容积密度平均密度（g）(cm3)(g/cm3) (1) (2) (3) (4) (5) (1)- (2) (3)/ (4) 5、思考题 (1)若两次测定的值有较大误差，试分析其原因。 (2)测定土密度还有其它什么方法？适用于什么情况？3 二、含水量试验土的含水量（率）是土在105110下烘到恒重时所失去的水分质量与达到恒量的干土质量的比值，以百分数表示。 土在天然状态下的含水率称为土的天然含水率。 （一）试验目的测定土的含水量，以了解土的干湿程度，是计算土的孔隙比、液性指数、塑性指数、饱和度和其他物理性质指标不可缺少的基本指标。 （二）试验方法与适用范围烘干法室内试验的标准方法，一般粘性土都可以采用；酒精燃烧法适用于快速简易测定细粒土的含水率。 比重法适用于砂类土。 （三）烘干法含水量试验 1、仪器设备 (1)烘箱（能保持温度在105110的电热烘箱或其它能源烘箱）； (2)天平（感量为0.01g）； (3)其他称量铝盒，干燥器等。 2、操作步骤 (1)将称量盒擦净，放在天平上称量，准确至0.01g，并记下盒号。 (2)取代表性试样，粘性土为1530g，砂性土、有机质土为50g，放入称量盒中，立即盖好盒盖。 放于天平上称量，准确至0.01g。 (3)打开盒盖，将试样和盒放入烘箱，在温度105110下烘至恒重，然后将试样和盒取出，盖好盒盖放入干燥器内冷却至室温。 (4)从干燥器中取出试样，盖好盒盖，称重，精确至0.01g。 3、计算按下式计算土的含水量%1000221?mmmm?式中?土的含水量，（%）；0m称量盒质量，（g）；1m称量盒加湿土质量，（g）；42m称量盒加干土质量，（g）。 计算至0.1%。 本试验需进行2次平行测定，取其算术平均值，允许平行差值应符合下表规定。 含水率（%）小于101040大于40允许平行差值（%）0.51.02. 04、试验记录含水量试验（烘干法）工程编号试验者钻孔编号计算者土样说明校核者试验日期土样编号盒号盒加湿土质量盒加干土质量盒质量水质量干土质量平均含水量备注 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (1)- (2) (2)- (3)%100)5()4(? 5、思考题 (1)测得土的密度与含水量后，若已知该土的相对密度ds=2.73，试问该土的其它几种密度及孔隙比为多少？5 三、液限试验土的液限是指土的可塑状态和流动状态的界限含水量。 （一）试验目的测定土在液限时的含水量，用于计算土的塑性指数和液性指数，作为粘性土的分类及估算地基土承载力的依据。 （二）试验方法与适用范围有电动落锥法，手提落锥法，联合测定法和手摇落碟式液限仪试验方法，主要适用于粒径小于0.5mm颗粒组成及有机质含量不大于干土质量5%的土。 （三）电动落锥法液限试验 1、仪器设备 (1)光电式液塑限联合测定仪，主要组成部分如图3-1。 图3-1液塑限联合测定仪结构示意图圆锥仪锥体总质量760.2g(实验室为1000.2g)，锥尖为300.2，测微尺量程22mm，刻线距离0.1mm；电磁铁部分，要求磁铁吸引力不小于100g；光学投影放大部分；升降座、试样杯等。 6 (2)天平（感量为0.01g）； (3)其他称量盒，调土刀，调土盒，凡士林等。 2、操作步骤 (1)土样制备应尽可能采用天然含水量的土样来测定，若土样相当干燥，允许用风干土样进行制备。 取代表性风干土样150g，放入研罐研碎后，通过0.5mm筛子，取下土约100g，放入调土皿并加水调成均匀浓稠状，静置一段时间。 (2)取出拌匀的土样，分层装入试杯中，边装边压不要使土样中留有空隙，装满试杯，刮去杯口多余的土与杯口齐平。 将试杯置于杯座上。 (3)取圆锥仪，在锥尖上涂以薄层凡士林油，接通电源，使电磁铁吸稳圆锥仪。 (4)调节屏幕准线，使初始读数位于零位刻度线上，调节升降座螺母，当锥尖刚好与土面接触时，计算指示灯亮，圆锥仪即可自由落下，延时5秒，读数指示管亮，即可读数。 如要手动操作，可把开关扳向“手动”一侧。 当锥尖与土接触旱，接触指示灯管亮，而圆锥仪不下落，需按手动按钮，圆锥仪自由落下。 读数后，要按仪器复位按钮，以便下次再用。 (5)当锥尖下沉正好20mm时，这时土的含水量即为液限，若锥体入土深度大于或小于20mm时，表示该土样含水量高于或低于液限，这时应挖去带有凡士林油部分的土，将剩余的土样放回调土盆中，重新吹干或加水调制。 直至锥体下沉深度为20mm为止（允许误差0.1mm）。 (6)将测得合格的土样，挖出带有凡士林油部分，取锥体附近试样约1015g放入铝盒中，测取含水量，即为液限。 此试验需做两次平行测定，取其平均值，其平行差不大于2%。 3、计算按下式计算土的液限1000221?ggggL?式中?土的含水量，（%）；1g盒加湿土质量，（g）；2g盒加干土质量，（g）；70g铝盒质量，（g）。 4、试验记录液限试验工程编号试验者钻孔编号计算者土样说明校核者试验日期土样编号盒号盒+湿土质重(g)盒加干土重(g)盒重(g)水重(g)干土重(g)液限(%)平均值L?(%) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (1)- (2) (2)- (3)%100)5()4(? 5、思考题 (1)影响液限大小的因素有哪些？ (2)粘性土只根据其天然含水量?，能否判别该土的软硬程度？为什么？8 四、塑限试验土的塑限是指土的可塑状态和半固体状态的界限含水量。 （一）试验目的测定土的塑限，并与土的液限试验结合，计算土的塑性指数和液性指数，作为粘性土的分类及估算地基土承载力的依据。 （二）试验方法与适用范围有联合测定法，搓条法。 这里介绍搓条法。 （三）搓条法塑限试验 1、仪器设备 (1)毛玻璃（约2030cm2）； (2)天平（感量为0.1g）； (3)其他称量铝盒，烘箱，调土刀，调土盒等。 2、操作步骤 (1)按液限试验制备土样方法制备土样（约50g）。 (2)将制备好土样取出一小块在手中揉捏，至不粘手为止。 再用两手搓成椭圆状，然后将试样入在毛玻璃板上用手掌适当加压滚搓，搓条时要均匀施力，不得无力滚动，而且土条搓滚过程中不应产生空心现象。 (3)若土条滚搓到了3mm直径时，表面产生许多龟裂同时开始断裂，这时土的含水量就是塑限。 将合格的土条迅速装入铝盒，盖上盒盖，接着进行第二个和第三个土条搓滚，使合格土条重量达35g左右为止。 立即称量，然后放入烘箱烘至恒重。 (4)若搓滚的土条至3mm直径时，仍未产生龟裂或断裂，则表示试样含水量高于塑限，应将其反应复揉捏或在空气中稍为晾干再重新搓滚。 若土条搓滚未达3mm即出现横向裂途和断裂，则表示试样含水量已低于塑限，应适加水揉捏均匀，重新搓滚。 3、计算 (1)土的塑限1000221?ggggP?式中P?土的塑限，（%）；90g称量盒质量，（g）；1g称量盒加湿土质量，（g）；2g称量盒加干土质量，（g）。 计算至0.1%。 本试验需进行2次平行测定，取其算术平均值。 (2)土的塑限指数PLP I? (3)土的塑限指数PPLII?式中?土的天然含水量。 4、试验记录塑限试验工程编号试验者钻孔编号计算者土样说明校核者试验日期土样编号盒号盒+湿土质重(g)盒加干土重(g)盒重(g)水重(g)干土重(g)塑限P?(%) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (1)- (2) (2)- (3)5()4(天然含水量?平均塑限?P?塑性指数?P I土的名称为土液性指数?L I此土处于状态 5、思考题 (1)塑限的大小与哪些因素有关，工程上为什么按塑性指数对粘性土进行分类？ (2)土的天然含水量越大，其塑性指数是否也越大？10 五、压缩试验土的压缩是指土体在外荷载作用下，水和空气逐渐被挤出，土颗粒间相互挤密，封闭气泡体积也缩小，从而引起土体积变小的现象。 （一）试验目的测定土样在侧限与轴向排水条件下，孔隙比和压力的关系，绘制压缩曲线，以便计算土的压缩系数a、压缩模量sE、固结系数vC及原状土的先期固结压力，估算渗透和控制建筑物沉降量。 （二）试验方法与适用范围侧限压缩试验。 （三）侧限压缩试验 1、仪器设备 (1)压缩仪（见图5-1）；图5-130cm2试样容器示意图 1、表夹 2、钢环 3、小传压板 4、透水石 5、小导环 6、土样 7、小环刀 8、小护环 9、大护环 10、透水石 11、容器11 (2)环刀（面积为30cm2，高为2cm） (3)天平（感量为0.01g）； (4)测微表（最大量程10mm，精度0.01mm） (5)其他秒表，烘箱，修土刀，铝盒，滤纸等。 2、操作步骤 (1)用环刀切取土样，先将环刀内壁抹一薄层凡士林油以减少摩擦，切土时边修边压，尽是减少对土样的扰动，最后将上下两端刮平。 (2)擦净粘在环刀外壁上的土屑，称环刀与土的合重（准确至0.1g），求得土样在试验前的密度，同时取环刀四边修削下来的土样约1015g装入铝盒，称得铝盒与土样之合重后，再放入烘箱烘至恒重，以测得试验前土的含水量（进行二次平行测定，取其平均值）。 (3)在压缩容器内，顺次入上底板，洁净润湿的透水石及滤纸，再将土样连同环刀一起，刃口向下小心地装入压缩仪内，套上导环，然后在土样顶面再入一润湿滤纸及透水石，最后加上传压板及钢球（如图5-1）。 (4)将装好土样的压缩仪放置到仪器的底板上（如图5-2）。 适当移动使传压板上钢球正好对中加压横梁。 将手轮逆时针方向旋转，使升降杆上升至顶点，然后使加压头对准钢球，调整杠杆下降螺帽，使横梁刚好与钢球接触（注意不能使其受力），随后先施加1kPa的小吊锤，将测微表固定在表夹上，并使测微表短指针正好对准“5”字，再将长指针调整到零，以5mm作为初读数，并记录。 (5)开始加荷根据实际需要确定加荷级数及大小，每级荷重稳定历时，要求在1小时内其量不超过0.005mm。 本次试验由于受时间的限制，统一规定四级荷重即50，100，200，400kpa的顺序施加，每级荷重历时10分钟。 因此每加一级荷重经过10分钟后即记下测微表的读数，然后再加下一级荷重（注意，每级砝码为累加上去）。 余类推，直至第四级荷重加完。 注意在每级加荷过程中应使杠杆始终保持水平位置，若杠杆不在水平位置（杠杆上的水准泡偏向一侧），可通过顺时针转动手轮，调节升降杆，使水泡重新居中，但注意此时严禁逆时针方向转动手轮。 12图5-2土样放置示意图 1、底板 2、平衡锤 3、手轮 4、容器 5、表夹 6、百分表（自备） 7、容器底板 8、杠杆 9、水泡 10、砝码盘 11、圆水泡 3、计算 (1)计算试验开始时土样的初始孔隙比e01)01.01(000?swde式中s d土粒比重；0?试验开始时的含水量，（%）；0?试验开始时的密度，（g/cm3）；w?水的密度，（g/cm3），w?=1g/cm3。 (2)计算各级荷载下压缩稳定后的孔隙比ei)1(000eHSeeii?式中iS某一级荷载下，土样的总变形量；130H土样的初始高度（等于环刀的高度）。 (3)以孔隙比e为纵坐标，压力p为横坐标绘制ep曲线。 (4)计算某一压力范围内（100200kPa）土的压缩系数?1221ppeea? (5)计算某一压力范围内土的压缩模量sEaeEs11? 4、试验记录压缩试验试验者试验日期土样说明密度记录试样情况环刀+土重(g)环刀重(g)土重(g)试样体积(cm3)密度(g/cm3) (1) (2) (3) (4) (5) (1)- (2) (4) (3)/ (4)含水量记录盒+湿土重(g)盒+干土重(g)盒重(g)水重(g)干土重(g)含水量(%) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (1)- (2) (2)- (3) (4)/ (5)100%平均压缩记录土样原始高度?0H开始时含水量?0?土粒比重?s d土样密度?0?开始时孔隙比?0e荷重P(kg)时间(t)压力?(kPa)测微表读数(mm)仪器变形量(mm)压缩后总的变形量Si(mm)压缩后土样高度Hi=H0-Si孔隙比ei14画出压缩曲线图压缩系数?21a说明土样压缩性 5、思考题 (1)侧限压缩试验中试件压力状态与地基土实际压力状态比较差别如何？什么条件下两者大致相符？ (2)土的压缩需比较长时间才能稳定，实验测得的压缩系数与实际是否会有很大误差？如何分析？ (3)从天然土层中取原状土样在室内做实验得出的压缩曲线是否为原始压缩曲线？为什么？（用坐标纸画好贴在此处）15 六、抗剪强度试验土的抗剪强度是指土在外力作用下，其一部分土体对于另一部分土体滑动时具有的抵抗剪切的极限强度。 （一）试验目的测定土的抗剪强度，提供土的强度基本指标内摩檫角?和粘聚力C。 根据实验得出抵抗剪切表达式?tan?Cf式中f?抗剪强度，即破坏应力（kPa）；?正应力，（kPa）；C土的粘聚力，（kPa）；?内摩檫角，（度）。 （二）试验方法与适用范围 1、试验方法快剪试验在试样上施加垂直压力后立即快速施加水平剪应力。 固结快剪试验在试样上施加垂直压力，待试样排水固结稳定后，快速施加水平剪应力。 慢剪试验在试样上施加垂直压力及水平剪应力的过程中，均使试样排水固结。 2、适用范围适用于测定细粒土的抗剪强度指标C和?及土颗粒的粒径小于2mm的砂土的抗剪强度指标?。 渗透系数k大于10-6cm/s的土不宜作快剪试验。 由于时间限制，我们采用等应变直剪仪，进行快剪试验。 （三）快剪抗剪强度试验 1、仪器设备 (1)直剪仪；剪切盒，分为上下两盒，上盒一端顶在量力环的一端，下盒放在钢珠上，可以在水平方向移动。 加力及量测设备16直压荷重通过杠杆 (120)放砝码施加。 水平荷重通过旋转手轮推进轮轴顶压下盒来施加荷重，大小从量力环的变形间接求出。 图6-1应变式直剪仪 (2)环刀（面积为30cm2，高为2cm）； (3)测微表（百分表）（最大量程10mm，精度0.01mm）； (4)其他秒表，天平，切土刀，橡皮等。 2、操作步骤 (1)将试样表面削平，用环刀切取土样，边压边修，注意避免扰动土样。 (2)对准上、下盒，插入固定销。 在底座上放一透水石，再放一块塑料片或橡皮（快剪法不允许排水）。 (3)将切好的土样刀口向下，对准上盒盒口放好，在试样上顺序放塑料片和透水石，然后将土样徐徐压入盒底。 移去环刀，在透水石上加活塞，钢珠及加压框架。 按规定加垂直荷重（一般一组三次试验，采用100，200，300kpa三级荷重）。 (4)为了使各部分接触妥帖，在施加垂直压力前，顺时针方向慢慢转动手轮，当钢环上测微表的长针稍有微动时立即停止，并将测微表长针调整到零。 (5)在砝码盘上根据第一级荷载要求加上砝码。 拔去上下盒固定插销，立即开动秒表，以均匀速率（1015秒一转）顺时针方向转动手轮，将土样在35分钟内剪坏（注意手轮转动不多而测微表指针急剧前进，则应立即停止转动，检查销钉是否已经拔去）。 手轮每转一圈应测记微表读数一次，直至指针不再继续前进或前后摆动，甚至后17退，即表示土样已经剪坏。 此时记下测微表上读数R。 (6)剪切完毕后，倒转手轮，然后顺序卸下砝码，挂起杠杆，移去加压框架，活塞等，取出土样，擦净仪器，重复上述步骤，测定第 二、第三级荷载重下相应的抗剪强度。 3、计算 (1)抗剪强度的计算在受力不大的情况下，钢环为弹性变形，其所受的水平力T与变形R成正比。 Rmf?式中R土样破坏时钢环变形量，（0.01mm）；m量力环率定系数，（100kPa/0.01mm）；由量力环编号直接查取。 (2)剪切位移量RnL?20式中L?剪切位移量，（0.01mm）；n手轮转数。 (3)以抗剪强度f?为纵坐标，垂直应力?为横坐标，绘制抗剪强度与垂直应力关系曲线（如图6-2）。 根据实测点绘一视测直线，该线的倾角即为土的内摩檫角?，该线在纵坐标轴上的截距部分为土的粘聚力C。 0垂直荷载（100kPa）抗剪强度f（100kPa）1.02.03.04.05.01.02.03.0=21C=33kPa图6-2抗剪强度曲线 4、试验记录记录表格见下页。 18垂直荷载kPa量力环率定系数C0=100kPa/0.01mm抗剪强度kPa手轮转数测微计读书剪应力100kPa剪切变形mm垂直荷载kPa量力环率定系数C0=100kPa/0.01mm抗剪强度kPa手轮转数测微计读书剪应力100kPa剪切变形mm19垂直荷载kPa量力环率定系数C0=100kPa/0.01mm抗剪强度kPa手轮转数测微计读书剪应力100kPa剪切变形mm垂直荷载kPa量力环率定系数C0=100kPa/0.01mm抗剪强度kPa手轮转数测微计读书剪应力100kPa剪切变形mm20画出抗剪强度与垂直荷载关系曲线?C 5、思考题 (1)用直接剪切仪做土的抗剪强度试验有什么优缺点？ (2)影响土的抗剪强度因素有哪些？采用重塑土做的室内剪切试验所得结果与原状土有何不同？（用坐标纸画好贴在此处）21 七、击实试验击实试验是用锤击使土密度增加的一种方法。 土在一定的击实效应下，如果含水量不同，则所得的密度也不同，能使土达到最大密度所要求的含水量，称为最优含水量，其相应的干密度称最大干密度。 （一）试验目的在标准击实方法下测定土的最大干密度和最优含水量，为控制路堤、土坎或填土地基等密度提供重要指标。 （二）试验方法与适用范围轻型击实试验适用于粒径小于5mm的粘性土，重型击实试验适用于粒径小于20mm的土。 （三）轻型击实试验 1、仪器设备 (1)手提击实仪（直径100mm，土样筒高为127mm，锤重2.5kg，落距30mm，容积100cm3）； (2)天平（感量0.01g）； (3)台称（称量10g，感量1g）； (4)筛（孔径5mm）； (5)其他喷雾器，盛土器，修土刀，推土器等。 2、操作步骤 (1)取重约33.5kg的土样通过筛孔5mm的筛，并加水润湿。 如为粘性土加水至塑限之50%。 (2)一般至少做5个含水量，依次相差约2%。 且其中至少有两个大于最优含水量及两个小于最优含水量。 可按下式计算所需加水量)(01.001.01000?ggw式中wg所需加水量，（g）；0g含水量0?时土样的重量，（g）；0?土样已有含水量，（%）；22?要求达到的含水量，（%）。 最优含水量可按土的塑限估算。 (3)按预定含水量配制试样，为此将试样平铺于不吸水的平板上，用喷雾器喷洒预定的水量，并充分拌和。 (4)将拌和均匀的土样分三层装入标准