结构设计软件实验指导书

1、实验一 含水率实验 土的含水量是指土中水份重量与土粒重量的比值；也就是土在100-105°C温度下烘至恒重时失去的水份重量与干土重量之比值，以百分数表示。含水量反映了土的状态和性质。是计算土的干容量、孔隙比、孔隙度、饱和度、液性指数和地基容许承载力等的依据。(一)实验方法和要求 本实验采用烘干法。学员以实验室制备好的土样进行实验。要求每个学员必须了解实验原理，掌握整个操作过程，并对实验成果进行分析、整理。(二)仪器设备1烘箱：采用电热烘箱，保持恒温100-105°C2天平：称量为100克，感量0.01克3其他：称量盒，干燥器(三)实验步骤1称空盒的重量(w3)准确至0.01

2、克。2取有代表性试样1530克放入盒内，立即盖好盒盖，称湿试样加盒的重量(wi)，准确至0.01克3打开盒盖，放入烘箱，在温度100105°C下烘至恒重。然后取出，盖好盒盖，置于于燥器内，冷却至室温 4从干燥器内取出试样，称其重量(W2)，准确至0.01克5本实验须进行平行测定，取二者的算术平均值，其平行差值不得大于下列规定：含水量(%)允许平行差值（%）<100.510301>302(四)计算1 接下式计算含水量： 式中 W含水量(%)W1湿试样加盒重(克)W2干试样加盒重(克)W3称量盒重量(克)2 记录格式含水率实验记录表土号盒号盒重量(克)W3湿试样加盒重量W1干

3、试样加盒重量W1(克)干试样重量(克)水重量(克)含水率()1234(3)-(1)=(4)5(2)-(3)=(5)(12(五)注意事项1打开土样后，应立即取样称湿土质量，以免水分蒸发2土样必须按要求烘至恒定，否则影响测试精度3烘干的试样应冷却后称量，防止热土吸收空气中的水分，并避免天平受热不均影响称量精度 (六)思考题 l根据实验室测定的土粒密度、土的密度、含水率，如何计算干密度、孔隙比、饱和度?2干密度能够实测吗? 实验二 密度实验土的容重是指土的单位体积的重量，它是土的基本物理性质指标之一。土的容量反映了土体内部结构的松紧，是计算土的自重压力、干容重、孔隙比、孔隙度及地基承载力等的重要依据

4、。(一)实验方法和要求本实验采用环刀法，学员以实验室制备好的土样进行实验。要求每个学员必须了解实验原理，掌握整个操作过程，并对实验结果进行分析、整理。 (二)仪器设备 1环刀：内径61.8mm，高为20mm2天平：称量为200克，感量0.1克3其它：切土刀、钢丝锯、推土器、卡尺、盛土盘、凡士林等(三)实验步骤1用卡尺测出环刀内径(d)和高度(h)，算出环刀容积2称环刀重量(W1)准确至0.01克3 取已制备所需状态的击实土，整平其两端；在环刀内壁涂一薄层凡士林，刀口向下放在土样上4 用切土刀或钢丝锯将土样削成略大于环刀直径的土柱，然后将环刀垂直下压，边压边削，至土样露出环刀口为止。削去两端余土

5、，并修平。修平时，不得在试样表面往返压抹5 将环刀外壁擦净，称重(W2)准确至0.01克6 用推土器将环刀内的实验推出7 本实验须平行测定，取二者的算术平均值，平行差值不大于0.03克厘米2(四)计算 1 按下式计算土的容重：W湿土重(克)V环刀容积(厘米)W1环刀重(克)W2环刀加湿土重(克)计算准确至0.01克2记录方式： 容重实验记录表土号环刀法环刀容积V环刀重量W1(克)环刀加试样重量w2(克)试样重量：W (克)容重r(克厘米)， (1) ·(2)(3)' ，(4)平均(3)-(2)；(4)12 (五)注意事项 1操作要敏捷，动作要细心，以减少水份蒸发和扰动破坏试样

6、的结构 2环刀的方向垂直不能歪斜，轻微加压，方向要正 3当削平环刀两端突出的试样时。若有大于5毫米的砂粒或碎石处应修补平整，如无法削平时，应另取试样重做 (六)思考题 1什么情况下用环刀法测定土的密度?什么情况下用蜡封法? 2在环刀法中影响实验准确性的因素有哪些? 3为什么在土样封蜡时，要使石蜡刚过融点，不能过高，也不能过低?实验三 土粒比重实验土的比重是指土在100-105 C下烘至恒重时固体颗粒的重量与固体颗粒同体积4蒸馏水重量的比值。土的比重是计算孔隙度、孔隙比及饱和度等的依据。土的固体部分的质量，是土在100105C下烘至恒值时的重量，可用天平直接测得，而固体体积，则是将其浸没于液体中

7、，利用浮力原理而测得。为了准确测定土粒的比重，必须排除土中的空气，破坏团聚结构，使土粒分散，一般土可用蒸馏水煮沸法进行分离。(一) 实验方法和要求：本实验采用比重瓶法。学员以实验室风干的试样进行实验，要求每个学员必须了解实验的原理，掌握整个实验的操作过程，并对实验成果进行分析、整理。(二)仪器设备1比重瓶：容量为50毫升2天平：称量为200克，感量为0.001克3砂浴或可调电加热器4温度计：测量范围为050，精确至0.55其它：烘箱、蒸馏水、漏斗、滴管(三)实验步骤1称洗净烘干后的比重瓶重量(W1)2取实验室已制备好的烘干试样约15克，用漏斗到入比重瓶内，称瓶加试样的重量(W3)3注入蒸馏水至

8、瓶中试样的高5厘米处，稍加摇动放在电砂浴土煮沸排气。煮沸时间自悬液沸腾时算起，粘土约1小时，砂及亚砂土约半小时4将事先煮沸并冷却的蒸馏水注入比重瓶至近端，待瓶内悬液温度稳定及悬液上部澄清时，塞好瓶塞，使多余水分自瓶塞毛细管中溢出(瓶塞塞好后瓶内不应留有空气，如有应加水重塞)。将瓶外水分擦干后，称瓶、水、土总重(W3)。称好后立即测定瓶内水温5倒去比重瓶中的悬液，并清洗干净，在比重瓶中注满蒸馏水，在20恒温水槽中保持15分钟，取出后用滴管加蒸馏水至满瓶，塞好瓶塞，使多余的水溢出，擦干瓶表面水份，称瓶与水的重量(W4)6本实验须进行平行测定，取二者的算术平均值，平行差值不得大于0.02(四)计算1

9、 按下式计算土粒比重式中：G土粒比重 W1比重瓶重量(克) W2瓶和干试样重量(克) W3瓶、水和试样合重(克) GRttC时中性液体的比重(实测得)准确至0.001。2 记录方式 比重实验(比重瓶法)记录表工程名称 实验者土样编号 计算者实验日期 校核者土瓶比重瓶重量瓶加于试样重瓶、水和试样重瓶加水重量试样重量同体积水重量土粒比重号号Wi(克)(1)量W2(克)(2)量w3·(克)(3)W4(克)(4)(克)(5)(克)(6)(5)/ (6)平均(2)-(1)=(5)(4)+(5)-(3)=(6)12(五)注意事项1根据求得的含水量，容重及比重计算饱和度和孔隙比2烘干土称量后倒入比

10、重瓶内时，切记要倒干净3煮沸排气时，必须防止悬液溅出，温度不宜过高，要防止烧干(六)思考题1土中空气如不捧除，所得土粒密度偏大还是偏小?为什么?2. 在测定粘粒含量多的土粒密度时用蒸馏水测得的结果是偏大还是偏小?为什么?实验四 液限、塑限联合实验(一)基本原理：圆锥入土深度与相应含水率在双对数坐标上具有直线关系。我国标准，测定时，将调成不同含水率的试样（圆锥入土深度宜为34mm，79mm,1517mm）先后分别装满盛土杯内，刮平杯口表面，将76g重圆锥放在试样表面，使其在重力作用下徐徐沉入试样测定圆锥仪在5s时下沉深度，在双对数坐标上绘出圆锥下沉深度和含水率的关系直线。在直线上查得下沉深度为1

11、0mm所对应的含水率为液限、下沉深度为2mm所对应的含水率为塑限。（二） 仪器设备：SYS型数显液、塑限测定仪、铝盒、调土杯及调土刀、天平（感量0.01g）烘箱、干燥器（三） 实验步骤：1. 试样制备，取风干试样100g研碎过筛（孔径0.5），加蒸馏水调成糊状，盖上湿布或置入保湿器内过夜，使水分均匀分布。2. 将制备好的土样再仔细拌均一次，然后分层装入试杯中，填样时不应留有空隙，用调土刀抹平。3. 将试样杯放在测定仪的工作台上，在圆锥上抹一薄层凡士林，转动升降旋钮，使锥体下降，当土样与锥尖一接触，将“吸放”按钮下，圆锥仪自动下落，仪器自动记时，5秒后电磁铁自动吸牢圆锥仪，此时便可在数显百分表上

12、读出圆锥仪入土深度，同一试样测定三组入土数据。取出试样杯，挖去锥尖入土处的凡士林，取锥体附近的试样不少于10g，放入称量铝盒（测三组数据）按实验三的方法测定含水率。4. 将全部试样再加水或吹干并调匀，重复本2至3款的步骤分别测定第二点，第三点试样的圆锥下沉深度及相应含水率。（四） 实验报告内容：记录并整理实验记录表，在双对数坐标上绘制圆锥下沉深度与含水率关系曲线，以此求出液、塑限。液限、塑限联合实验记录表工程名称 实验者土样编号 计算者实验日期 校核者试样编号圆锥入土深度盒号盒重盒+湿土重盒+干土重湿土重干土重含水量实验五 固结实验 土的固结实验是了解试样在压力作用下产生变形的过程。其目的是测

13、定试样在有侧限与轴向排水及受稳定荷重作用下变形和压力或孔隙比和压力以及变形和时间的关系。通过计算求得的各项压缩性指标，可用来分析、判别土的压缩特性和天然土层的固结状态，计算土工建筑物及地基的沉降等。(一) 基本原理： 固结实验是指研究土体一维变形特性的测试方法。实验系将试样放在没有侧向变形的厚壁压缩容器内，分级施加垂直压力，测记加压不同时间的压缩变形，直到各级压力下的变形量趋于某一稳定标准为止。然后将各级压力下最终的变形与相应的压强绘制压缩曲线图，从而求得压缩指标值。(二) 实验方法和要求本实验用快速压缩法。学员以实验室制备好的试样进行实验，要求每个学员对测试数据进行分析、整理。并完成以下工作

14、。1 计算试样的天然孔隙比e02 计算各级荷载下变形稳定后的孔隙比ei 根据各级荷载与其对应的孔隙比，绘制压缩曲线图3 计算P=100-200KPa时的压缩系数4 计算P=100-200KPa的压缩模量(三) 仪器设备1 加压设备：单杠杆式固结仪和成套的法码2 百分表：量程为10毫米，最小分度为0.01毫米3 其它：刮土刀，秒表，簿滤纸等(四) 实验步骤1 按需要，切取原状试样或制备给定容重与含水量的扰动试样2 须把固结仪放置平稳，并使杠杆位于升降支架之间，使之不产生摩擦，将带有环刀的试样刀口向下，再将带有试样的护环装入容器内，装入上护环，放上滤水纸和透水石，传压板，使各部件之间接触良好。一并

15、将其移放在加压框架下对准中心3 安装测微表，并将测微表预调5至6毫米，为了使仪器各部件和试样上下之间接触良好，应加预载荷砝码，调整测微表读数为零4 卸去预压荷重加第一级荷重压力等级一般不宜过大视土的软硬及工程情况而定，一般顺序为0.25、05、1.0、2.0、3.0、4.0 (公斤cm2)。或按设计要求，模拟实际加荷情况适当调整。由于实验教学时间关系，加荷等级决定为50、100、200、300、400（kPa），且每一级荷载作沉降与时间关系曲线5 如进行膨胀实验，则按原加荷等级分别还原，并记录每次膨胀后测微表读数(五) 计算1 按下式计算试样的天然孔隙比e。ds、w分别为土粒相对密度、土粒密度

16、、土粒含水量、水的密度2 按下式计算某级荷重压缩稳定后的孔隙比eihi为压力增至Pi时，土样的稳定变形量3 按下式计算某级荷重范围的压缩系数a(Mpa-1)4 按下式计算某级荷重范围的压缩系数Es(六) 注意事项土样的含水量、容重、比重由实验室制备给定，每加一级荷载应把杠杆调平，加载或卸载时，均应轻放轻取砝码。(七) 思考题1 土的压缩系数与压缩指数有什么不同?在压力较低的情况下能否求得压缩指数压缩曲线图压缩实验记录表土粒密度= 土粒相对密度ds=土粒含水量= 原始孔隙比eo=经过时间(分)压力(Kpa)50100200400时间读数时间读数时间读数时间读数0.51234510总变形量仪器变形

17、量试样总变形量实验六 直接剪切实验抗剪强度是指土体在外力作用下抵抗剪切滑动的极限强度。直接剪切实验是测定土体抗剪强度的一种常用方法。通常将同一土样切取不少于三个试样，分别在不同垂直压力下，施加水平剪切力，求得破坏时的剪切应力，确定土的内摩擦角和凝聚力C。直接剪切仪按施加剪力的方式分应变控制式和应力控制两种。实验方法分快剪、固结快剪和慢剪三种：1快剪实验是在试样上施加垂直压力后立即开始剪切2固结快剪实验是试样上施加垂直压力，待排水固结结束后，再施加剪切力3慢剪实验是在试样上施加垂直压力及剪应力的过程中均应使试样充分排水固结（一）实验方法和要求：本实验采用快剪法进行实验，学员以实验室制备好的土样做

18、实验，要求学员对实验的资料进行分析、整理、绘制抗剪强度f与垂直压力P的关系曲线图（二）仪器设备：应变控制式直接剪切仪、量力环、百分表：量程为5-10毫米，最小分度为0.01毫米、其它：刮土刀、秒表、钢丝锯及滤纸或蜡纸（三）实验步骤1用直径6.18厘米，高2厘米的切土环刀，切取34个试样备用2安装好剪切盒，插入固定销，于盒内依次放入透水石一块，蜡纸一张。将装有试样的环刀口向下，对准剪力盒口，将试样慢慢推入剪力盒，再放入蜡纸、透水石和加压盖。3依次放上钢珠及加压框架，使仪器各部分接触好，同时在量力环中装好水平测微表4在试样上加垂直压力，其大小按设计荷重而定，一般可按l、2、3、4公斤施加，每一个试

19、样，只须加一级荷重，并应一次轻轻加上5加垂直压力后，徐徐摇动手轮，使上盒剪端的钢珠刚好与量力环接触，调整量力环中测微表读数为零，如不记为零须记下初始读数6拨去固定销钉，开动秒表，同时转动手轮，转速每分钟4-12转，以均匀速度旋转手轮，使试件在3-5分钟内剪坏。当量力环中测微表指针不再前进或者出现后退时，表示试样已被剪坏。在剪切过程中，应记下每转一周时量力环中测微表的相应读数7剪切结束后，反转手轮，依次卸除垂直载荷和加压框架等8用第二个土样及加第二级垂直荷重，重复上述步骤进行实验，直至四个土样剪切完（四）计算及制图（五）注意事项1开始剪切时，切记拨去剪力盒插销，否则实验报废，而且容易损坏仪器2施

20、加垂直荷载时，应轻轻放下，避免冲击、震动3摇动手轮时应尽量作到连续速度均匀，切不可中途停顿4垂直压力越大，抗剪强度也愈大，当场计算一下，如不对应重新取样实验(二) 思考题1 为什么不同实验方法，有的试样两端放滤纸，有的放隔水纸?2 应力控制式和应变控制式直剪仪有什么不同特点?应变式直接剪切实验记录表一工程名称 实验者土样编号 计算者实验日期 校核者 垂直压力 KPa 量力环系数C1Kpa/0.01毫米手轮转速 转/分 抗剪强度KPa手轮转数量力环内测微表读数剪切变形剪应力转0.01毫米0.01毫米KPa（1）（2）(3)(4)（3）=（1）×20-（2）(2) ×C1123

21、45678910111213141516171819202122232425应变式直接剪切实验记录表二工程名称 实验者土样编号 计算者实验日期 校核者垂直压力KPa100200300400手轮转数量力环良表读数（0.01mm）剪切位移（0.01mm）仪器编号 量力环率定系数 Kpa/0.01mm粘聚力C 内摩擦角实验七 土的三轴压缩实验一、 基本原理：三轴压缩实验是用橡皮膜包封一圆柱状试样，置于透明密封容器中，然后向容器内通入液体并加压力，使试样各方向受到均匀的液体压力(即最小主应力力)，此后在试样两端通过活塞杆逐渐施加竖向压力，则最大主应力，一直加到试样破坏为止。根据极限平衡理论，此时试样内

22、部应力状态可以用破裂时的最大和最小主应力绘制摩尔圆表示。同一土样可取三个以上的试样，分别在不同周围压力(即最小主应力)下，在不同垂直压力(最大主应力，)作用下剪坏，并在同座标中绘制相应的摩尔圆，这些摩尔破裂圆的包络线即为该土的抗剪强度曲线。通常以近似的直线表示，其倾角为Øu，在纵轴上的截距为Cu 三轴剪切实验和直接剪切实验相比具有如下优点：可以控制试样排水条件，特别对含水率高的粘性土的快剪实验；受力状态表明，可以控制大小主应力，以避免仪器本身摩擦阻力的影响：剪切面能沿最弱面剪断，能准确地测定土的孔隙水压力及体积的变化。然而，三轴剪切实验操作复杂，所需土样较多；其次如主应力方向固定不变

23、，实验是在1=3轴对称情况下进行的，这些都与实际情况有所不同。真三轴仪(13)能正确地测定土的强度。 三轴剪切仪分为应变控制式和应力控制式两种，前者操作方便，应用广泛，后者除施加轴向压力不同外，主要部件与前者相同，操作比较麻烦，难以测定应力应变曲线上的峰值，但对于测固结排水的抗剪强度以及测定土的长期强度及静变形模量等仍有一定用途。 根据排水条件不同，三轴剪切实验分为三种类型：即不固结不排水剪、固结不排水剪和同结排水剪。实验方法的选择应根据工程情况、土的性质、建筑物施工和运用条件及所采用的分析方法而定1 不固结不排水剪实验，是在整个实验过程中，从加周围压力和增加轴向压力直至剪坏为止，均不允许试样

24、排水。对不饱和试样可测得总抗剪强度参数2 固结不排水剪实验，是先使试样在某一周围压力下固结排水，然后保持在不排水情况下，增加轴向压力直至剪坏为止。可测得总抗剪强度参数或有效抗剪强度参数和孔隙水压力系数。3 固结排水剪实验，是在整个实验过程中允许试样充分排水，即在某一周围压力下排水固结后，在充分排水的情况下增加轴向压力直至剪坏为止。可以测得有效抗剪强度参数 关于固结问题有两种采用法，一种是以固结排水量达到稳定作为固结的标准，另一种是以孔隙水压力完全消散或按 曲线估算主固结完成时间作标准。根据国内外的经验，一般以固结度达到固结的95-100作为固结标准。本实验采用应变控制式三轴仪，主要测定原状粘性

25、土的强度指标二、 仪器设备1 应变控制式三轴仪2 切土盘(切取较软的土)或切土器(切取较硬的土)3 承膜筒、对开模4 其它：橡皮膜、烘箱、秒表、天平、干燥器、称量盒、切土刀、钢丝锯、滤纸、卡尺等三、 操作步骤1 检查仪器(1) 周围压力的精度要求达到最大压力的1，根据试样的强度大小，选择不同量程的量力环，使最大轴向压力的精度不小于1(2) 排除孔隙压力测量系统的气泡(3) 检查排水管路是否畅通活塞在轴套内滑动是否正常，连接处有无漏水现象，检查完毕后，关闭周围压力阀、孔隙压力阀和排水阀以备使用(4) 检查橡皮膜是否漏气，将膜内充气，扎紧两端，然后在水下检查有无漏气2 制备试样（1） 如果土样较软

26、弱，则用钢丝锯或削土刀取一稍大于规定尺寸的土柱，放在切土盘的上下圆盘之间用钢丝锯或削土刀紧靠侧板，由上往下细心切削边切边转动圆盘，直到试样被削成规定的直径为止，然后削平上下两端。如果土样坚硬，可先用削土刀切取一稍大于规定尺寸的土柱，上下两端削平，按试样所要求的层次方向，平放在切土器，在切土器内壁上涂一薄层油，将切土器刃口向下对准土样，边削土样边压切土器。将试样取出，按要求高度将两端削平。若试样表面因遇有砾石而成孔洞，允许用土填补（2） 将削好的试样称量，用卡尺测量试样平均直径D3 安装试样不固结不排水剪(1) 将试样放在试样底座的不透水板上，在试样顶部放置不透水试样帽。(2) 将橡皮膜套在承膜

27、筒内，两端翻过来，从吸嘴吸气，使膜紧贴承膜筒内壁，然后套在试样外，放气，翻起橡皮膜，取出承膜筒，用橡皮圈将橡皮膜分别扎紧在试样底座和试样帽上(3) 装上压力室外罩，安装时先将活塞提高，以免碰撞试样，然后将活塞对准试样帽中心，并均匀地旋紧螺丝，再将量力环对准活塞(4) 开排气孔、向压力室充水，当水从排气孔溢出时，关闭排气孔(5) 打开周围压力阀，施加所需的周围压力。周围压力大小应与工程的实际荷重相适应，并尽可能使最大周围压力与土体的最大实际荷重大致相等，一般可按100、200、300、400KPa施加(6) 旋转手轮， 当量力环的测微表微动，表示活塞已与试样帽接触，然后将量力环的测微表和变形测微

28、表的指针调整到零位4 试样剪切 不固结不排水剪(加围压后不固结立即剪切)（1） 开动马达，接上离合器进行剪切，剪切应变速率取每分钟0.5-1.0%。开始阶段，试样每产生垂直应变(1)0.3-0.4%,测记量力环测微表读数和垂直变形测微表读数各一次，当接近峰值应加密读数。如试样特别脆硬或软弱，可酌情加密或减少测读的次数（2） 当出现峰值后，再继续进行实验，使产生3-5%的垂直应变，或剪至总垂直应变达15%后停止实验，若量力环读数无明显减少，则垂直应变进行到20%（3） 实验结束后，先关电机开关，依次关闭围压力阀，倒转手轮，然后打开排气孔，排去压力室内的水，拆除压力室，擦干试样周围的水分，脱去试样

29、外的橡皮膜。对其余的几个试样，在不同的围压下按上述方法进行剪切实验四、 成果整理（1） 试样面积效正：A=式中：1轴向应变，H/H0 H0、A0试样起始高度、面积（2） 计算主应力差：1-3= （3） 绘制主应力圆和强度包络线以法向应力为横坐标，剪切应力为纵坐标。在横坐标上以为圆心，以为半径，绘制破损总应力圆。在绘制不同周围压力下的应力圆后，作诸圆的包络线，该包络线的倾角为Øu，包络线在纵轴的截距为Cu(总应力)不固结不排水剪三轴实验表二轴向变形轴向应变校正面积钢环系数1-30.01mm1(%)N/0.01不固结不排水剪三轴实验记录表一时间轴向变形量力环内测微表读数剪应力备注0.01mm0.01mmKPa三轴压缩实验的应力圆及强