综合试验一 土的力学性质综合试验指导书

1、综合试验一： 土的力学性质综合试验指导书课程名称： 土力学 课程编号：010207 课程类别：专业必修 开课院系：土木与环境工程学院土木系 开课专业：土木工程 课内总学时：36 学分：4 实验学时：4 课内上机学时： 0 课程负责人：刘 洋 先修课程： 材料力学，工程地质学 执笔：杨同 刘 洋 审阅：王金安一、试验目的1、通过土的固结和剪切试验，深入了解土不同于一般材料的力学性质，加强对土的压缩固结特性性、强度特性的认识。2、测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力，或孔隙比和压力的关系，变形和时间的关系，以便计算土的压缩系数av、压缩指数Cc、回弹指数Cs、 压缩模量Es、固结系数Cv及原

2、状土的先期固结压力pc等。3、测定土的抗剪强度指标C，j，以防地基土承受过大的荷载而发生剪切破坏。二、试验内容与方案1、试验内容包括：1) 土压缩性的固结试验。2) 土抗剪强度的直剪试验。2、试验方案：1) 固结试验测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力或孔隙比和压力的关系、变形和时间的关系。2) 直剪试验取不少于四个试样，分别在不同的垂直压力下，施加水平的剪切力，测得破坏时的剪应力t，确定土的内摩擦角j和凝聚力C。三、试验设备与材料1、固结试验：1) 固结仪(如图1) ，其主要部件为：(1) 固结容器：由环刀、护环、导环、透水石、加压上盖和量表架等组成。(2) 加压设备：杠杆比例1：10

3、。(3) 变形测量设备：百分表量程10mm，分度值0.01mm,或位移量测传感器(准确度为全量程的0.2%)。2) 环刀：面积50厘米2 。3) 天平：精度0.01克。4) 测微表：精度0.01毫米。5) 其它：土样、秒表、滤纸、玻璃板。削土刀、刮土刀、砝码图1 固结仪示意图2、直剪试验：1) 应变控制式直剪仪(如图2)，其主要部件为：(1) 剪切盒分为上下两盒。上盒一端顶在量力环的一端，下盒与底座连接，底座放在两条轨道滚珠上，可以移动。(2) 加力及量测设备。垂直荷重：通过杠杆(1:10)放砝码来施加。水平荷重：通过旋转手轮推进螺杆顶压下盒来施加。荷重大小，从量力环的变形间接求出。 2) 环

4、刀：面积32.2cm2，高度2cm。3) 测微表(百分表)：最大量距10mm，精度0.01mm。4) 其它：秒表、天平、鼓风干燥箱、修土刀，推土器，砝码等。 图2 直剪仪和剪切盒示意图四、试验基本要求1、固结试验1) 基本步骤：Ø 将带有试样（已测过密度和含水量）的环刀小心装入固结容器内，套上护环，放上透水石和加压盖板，并将容器置与加压框架正中，安装百分表或位移传感器。Ø 施加1 kPa的预压力使试样与仪器上下各部件之间接触。将百分表或位移传感器调整到零位。Ø 确定需要施加的各级压力，压力等级宜为12.5、25、50、100、400、800、1600、3200kP

5、a。最后一级压力应比上覆土层的计算压力大100 200 kPa。Ø 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倍，施加的压力应使测得的e logp曲线下段出现较长的直线段，对于超固结土，应进行卸荷，再加荷来评价其再压缩特性。Ø 第一级压力的值应视土的软硬程度而定，宜用12.5、25或50kPa（第一级实加压力应减去预压压力）。对于饱和试样，施加第一级压力后即向水槽中注水浸没试样。做非饱和试样时，须用湿棉纱围住加压板周围，一面水分蒸发。Ø 需要测定沉降速率时，则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。 时间为6s、9

6、s、15s、1 min、2 min 15s、4 min、6 min 15s、9 min、12 min 15s、16 min、20 min 15s、25 min、30 min 15s、36 min、42 min 15s、49 min、64 min、100 min、200 min、400 min、23 h、24 h，至稳定为止。当不需要测定沉降速度时，则施加每级压力后24h，测记试样的高度变化作为稳定标准，当试样的渗透系数大于10-5cm/s时，允许以主固结完成作为相对稳定标准。按此步骤逐级加压至试验结束。注：测定沉降速率仅适用饱和土。Ø 需要进行回弹试验时，可在某级压力（大于上覆压力）

7、下固结稳定后退压，直至退到第一级压力，每次退压至24h后测定试样的回弹量。试验结束后吸去容器中的水，迅速拆除仪器各部件，取出试样，测定含水量。2) 计算及制图：(1) 按下式计算试样的初始孔隙比e0： (2) 各级压力下试样固结稳定后的单位沉降量S i ：(3) 各级压力下试样固结稳定后的孔隙比ei：(4) 某一压力范围内的压缩系数av： (kPa-1)(5) 某一压力范围内的压缩模量Es：(kPa)(6) 某一压力范围内的体积压缩系数mv：(kPa-1)(7) 按下式计算压缩指数和回弹指数 Cc(Cs) ：式中 Gs土粒比重； w0试样的初始含水量； r0试样的起始密度 (g / cm3)；

8、 rw水的密度 (g / cm3)； Si 各级压力下试样固结稳定后的单位沉降量 (mm / m)； h0 试样初始高度 (mm)； åLhi 某级压力下试样固结稳定后的总变形量（等于该级压力下固结稳定读数减去仪器变形量）(mm)； 103 单位换算系数。 Pi某级压力值(kPa) Cc 压缩指数，即e IogP曲线直线段的斜率； Cs回弹指数。(8) 以孔隙比e或单位沉降量Si为纵坐标，压力P为横坐标，绘制孔隙比或单位沉降量与压力的关系曲线(如图3)。压缩系数：01002003000.60.70.80.91.0eDpDep(kPa)图3 固结试验P-S曲线(9) 求Cc、Cs，需绘

9、制以e或Si为纵坐标，LogP为横坐标的曲线(如图4)。e LogP曲线直线段的斜率为Cc，回弹支平均斜率，既为Cs。10010000.60.70.80.9eCc11Cep(kPa，lg)图4 固结试验logP - e曲线 (10) 原状土试样的先期固结压力Pc，按下列方法确定(如图5)。在e logP曲线上找出最小曲率半经Rmin的点O，过O点作水平线OA、切线OB及角AOB的平分线OD，OD与曲线下段直线部分的延长线交于E点，则对应于E点的压力值即为该原状土试样的先期固结压力Pc。ep(lg)CDmrmin123PcAB图5 先期固结压力求解(11) 固结系数Cv, 按下列方法确定(如图6

10、)。时间平方根法：（另有时间对数法略），对某一级压力，以试样的变形(mm)为纵坐标，时间平方根 (min)为横坐标，绘制d 曲线，延长d 曲线开始段的直线，交纵坐标于ds(ds称理论零点)， 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既为试样固结度达90%所需的时间t90，固结系数应按下式计算： 式中：C v固结系数(cm2 / s)； 最大排水距离，等于某级压力下试样初始和终了高度的平均值之半 (cm)； t90 固结度达90%所需的时间 (s)。SOS90AdS图6 固结系数确定的时间平方根法2、直剪试验1) 基本步骤：Ø

11、 对准上下盒，插入固定销。在下盒内放与透水石厚度相等的不透水板。将装有试样的环刀平口向下，对准剪切盒口，在试样上放不透水板，然后将试样徐徐推入剪切盒内，移去环刀。Ø 转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与量力环接触。调整量力环中的量表读数为零。顺次加上加压盖板，钢珠，压力框架，安装垂直量表，测记起初读数。Ø 实加垂直压力后，立即拔取固定销，开动秒表，以每分钟412转的均匀速率Ø 旋转手轮，使试样在35min内剪损。如量力环中量表指针不在前进，或有显著后退，表示试样已剪损。但一般宜剪至剪切变形达到4mm。若量表指针继续前进，则剪切变形应达到6mm为止。手轮每转一转，同时测记

12、量力环量表读数并根据需要测记垂直量表读数，直至剪损为止。Ø 剪切结束后，吸取剪切盒中积水，倒转手轮，尽快移去垂直压力 ，框架，钢珠加盖板等。取出试样，测定剪切面附近土的含水量。Ø 每组试验至少取四个试样，在不同垂直压力 P下进行剪切。一个垂直压力相当于现场预期的最大压力P，一个垂直压力要大于P，其他两个垂直压力均小于P。但四个垂直压力的各级差值要大致相等（100、200、300、400kpa），各个垂直压力可一次轻轻施加。若土质松软，也可分次施加以防土样挤出。2) 计算及制图(1) 按下式计算应变控制式直剪仪所测的剪应力及剪切位移。 t = c.R LL = LL¢

13、;n¢ - R式中： t 试样的剪应力(kpa)； c 量力环率定系数，kpa / 0.01mm； R 量力环量表读数，0.01mm； LL 剪切位移，0.01 mm； LL¢ 手轮转一转的位移量，0.01mm； n¢手轮转数。(2) 以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力与剪切位移关系曲线(如图7)。取曲线上的峰值或稳定值作为该试样的抗剪强度,若无明显峰值或稳定值，则以剪切位移为4 mm所对应的剪应力确定抗剪强度S。P1，P2，P3，P4为相应的各级垂直压力。s1tSs2s3tf1tf2tf3图7 直剪试验剪应力-剪位移曲线(3) 以抗剪强度S为纵坐标，

14、垂直压力P为横坐标，绘制S P关系曲线(如图8)。根据图上各点绘一视测直线。直线的倾角为内摩擦角j，直线在纵坐标轴上的截距为凝聚力C。stOcf图8 抗剪强度曲线(4) 内摩擦角和凝聚力与抗剪强度的关系，可用库伦公式表达，即： S = C + P tg j式中：S 抗剪强度，(kPa)； C 凝聚力，(kPa)； P 垂直压力，(kPa)； j 内摩擦角，(°)。五、试验报告要求1、试验报告基本内容应包括：试验目的，试验内容，试验方法和试验步骤，试验记录表格，试验结果和对知识综合应用的体会。2、试验报告应该文字清清楚，表述清晰，图表内容正确美观。3、试验原始记录必须附在试验报告后4、

15、试验结果和试验记录表格格式如附表13。5、固结试验应求得压缩系数、压缩模量(其它指标按实验要求确定是否求解)。6、直剪试验要求以抗剪强度f为纵坐标，垂直压力为横坐标，画出抗剪强度包线，求内摩擦角j，和土的凝聚力C。六、相关基础知识1、土的三相性，孔隙比的概念，孔隙比的换算求解，土物性指标的测定。2、土的压缩性，压缩模量与泊松比的概念，压缩系数、压缩指数、回弹指数的概念，先期固结压力等的概念。3、饱和土体一维固结理论，固结系数的概念。3、土的摩尔-库仑抗剪强度理论，强度指标C、j，砂土强度与粘性土强度的区别。附表1：固结试验测定记录(一) 班级及组别 _ 实验者 _ 计算者 _试样编号 _ 土样说明 _ 实验日期_经过时间(min)压力(kPa)50100200400时间读数时间读数时间读数时间读数0 总变形(mm) 仪器变形(mm) 试样变形(mm)附表2 固结试验记录（二）班级及组别_ 实验者 _ 计算者 _土样比重Gs= _ 试验前孔隙比e0=_试样原始高度h0=_ mm试样初始含水量w0 = _ 试样初始密度 r0=_g / cm3 试样编号_ 土样说明 _ 实验日期_加压历时(min)压力(k