土力学实验指导

1、实验一 土的密度试验（环刀法）试验目的：通过本节学习，要求学生熟练掌握用环刀法测定密度的原理和操作程序。试验原理介绍：土的密度是指土的单位体积质量，是土的基本物理性质指标之一。土的密度反映了土体结构的松紧程度，是计算土的自重应力、干密度、孔隙比、孔隙度等指标的重要依据，也是挡土墙土压力计算、土坡稳定性验算、地基承载力和沉降量估算以及路基路面施工填土压实度控制的重要指标之一。密度实验方法有环刀法、蜡封法、灌水法和灌砂法等。环刀法就是采用一定体积环刀切取土样并称土质量的方法，环刀内土的质量与环刀体积之比即为土的密度。本试验方法适用于测定不含砾石颗粒的细粒土的密度。本方法在测定试样密度的同时，可将试

2、样用于固结和直剪试验。实验仪器设备（1） 环刀：内径61.8mm和79.8mm，高度20mm。（2） 天平：称量500g，最小分度值0.1g；称量200g，最小分度值0.01g。操作步骤：教学试验可采用室内制备的扰动土样。切样时将土样先制成直径略大于环刀内径的土样，将内壁涂有薄层凡士林的环刀垂直下压，边压边削至土样伸出环刀口为止。用修土刀或钢丝锯切断土柱，将环刀两端余土修平，但不要在两端反复压抹。最后将环刀外壁擦净。本实验应进行平行测定，两次测试的差值不得大于0.03g/cm3，取两次测值得平均值。密度试验记录(环刀法)工程名称 试验者 工程编号 计算者 试验日期 校核者 试样编号环刀号环刀质

3、量(g)环刀与湿土质量(g)湿土质量(g)试样体积(cm3)湿密度(gcm3)平均湿密度(gcm3)平均干密度(gcm3)实验二 土的含水率试验（烘干法）土的含水量测定方法是以烘干法为标准方法。对不含或少含有机质的土，可采用酒精燃烧法以快速测定含水量；对含砾较多的土，则可采用炒干法。这里仅以烘干法为例介绍含水量的测定方法。含水率实验方法有烘干法、酒精燃烧法、比重法、碳化钙气压法、炒干法等。烘干法测含水量是取适量已知重量的土样放入烘箱内，在105110恒温下烘干至恒重，等冷却后称干土重。根据土中失去水分重量，求出其含水量。实验目的：通过学习要求学生熟练掌握用烘干法测定土的含水率的试验方法。实验仪

4、器和设备：1.电热烘箱：应能控制温度为105110。2.天平：称量200g，最小分度值0.0lg；称量1000g，最小分度值0.1g。实验原理介绍：土的含水率是指土在温度为105110下烘干到恒量时所失去的水质量与恒重后干土质量的比值，以百分数表示。含水率是土的基本物理性质指标之一，它反映了土的干、湿状态。含水率的变化将使土的物理力学性质发生一系列的变化。土中水分的含量是影响土的状态和工程地质性质的重要因素之一。土的含水率是土的三相物质中最活跃最不确定的一个因素。含水率的变化影响到整个土样的稠度状态、饱和状态和结构强度等一系列物理力学性质。因此含水率是研究土物理力学性质必不可少的一项指标。测定

5、土的含水率是为了了解土的含水状态。土的含水率是计算土的干密度、孔隙比、饱和度、液性指数等指标的基本参数，也是建筑物地基、路堤、土坝等施工质量控制的重要指标。含水率试验方法有烘干法、酒精燃烧法、比重法、碳化钙气压法、炒干法等，其中以烘干法为室内试验的标准方法。烘干法是将试样放在温度能保持105110的烘箱中烘至恒量的方法。本试验方法适用于粗粒土、细粒土、有机质土和冻土。试验步骤1、粘性土样一般取1520g，砂性土、有机质土取50g。2、烘干时要打开铝盒盖，烘干时间：粘性土不少于8h，砂性土不少于6h；对有机质含量超过5的土，应将温度控制在6570的恒温下烘干。3、按下式计算土的含水量，要求精确到

6、0.1。式中：w土的含水量，；m、ms分别为湿土和干土的质量g。本项试验要求进行二次平行测定，其平行差值需满足的要求是：当含水量小于40时，允许平行差值不大于l；当含水量大于或等于40时，允许平行差值不大于2。两次测值取平均值。含水率试验记录工程名称 试验者工程编号 计算者试验日期 校核者试样编号盒号盒质量(g)盒加湿土质量(g)盒加干土质量(g)湿土质量(g)干土质量(g)含水率()平均含水率()实验三 土的界限含水率试验（液、塑限联合测定法）细粒土由于含水率不同，可分别处于流动状态、可塑状态、半固体状体和固态状体。因含水率变化而表现出的各种不同物理状态，称为细粒土的稠度。界限含水率（液限、

7、塑限、缩限）就是区分不同状态的量度值。液限是土体粘滞状态到可塑状态的上限含水率。在该含水率时，土体对变形和剪切力产生一定阻力，它反映出土体具有可变量的最小强度值。塑限时土体从可塑状态转变为半固体状态的界限值，是塑性状态的下限含水率。在该含水率时，土体开始变得具有脆性。缩限是土体从半固体状态变成固体状态的界限值，其特征是水分蒸发使土体积不再收缩时的含水率。实验目的：要求学生了解试验方法的基本原理及适应范围；熟练使用液、塑限联合测定法确定土的液限和塑限。实验仪器和设备：1.液、塑限联合测定仪(图)：包括带标尺的圆锥仪、电磁铁、显示屏、控制开关和试样杯。圆锥质量为76g，锥角为30°；读数

8、显示宜采用光电式、游标式和百分表式；试样杯内径为40mm，高度为30mm。2.天平：称量200g，最小分度值0.0lg。实验原理介绍：本试验主要目的是测定细粒土的液限、塑限和缩限三个基本界限含水率。各项含水率的测定按烘干法进行。液、塑限联合测定法是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水率在双对数坐标上具有线性关系的特性来进行的。利用圆锥质量为76g的液塑限联合测定仪测得土在不同含水率时的圆锥入土深度，并绘制其关系直线图，在图上查得圆锥下沉深度为10mm（或17mm)所对应的含水率即为液限，查得圆锥下沉深度为2mm所对应的含水率即为塑限。本试验方法适用于粒径小于0.5mm以及有机质含量不大于试样

9、总质量5%的土。操作步骤本实验宜采用天然含水率试样，当土样不均匀时，采用风干试样，当试样中含有粒径大于0.5mm的土粒和杂物时，应过0.5mm筛。当采用天然含水率土样时，取代表性土样250g；采用风干试样时，取0.5mm筛下的代表性土样200g，将试样放在橡皮板上用纯水将土样调成混匀膏状，放入调土皿，浸润过夜。将制备的试样充分调拌均匀，填入试样杯中，填样式不应留有空隙，对较干的试样应充分揉搓，密实的填入试样杯中，填满后刮平表面。将试样杯放在联合测定仪的升降座上，在圆锥上抹一薄层凡士林，接通电源，使电磁铁吸住圆锥。调节零点，将屏幕上的标尺调在零位，调整升降座、使圆锥尖接触试样表面，指示灯亮时圆锥

10、在自重下沉入试样，经5s后测读圆锥下沉深度（显示在屏幕上），取出试样杯，挖去锥尖入土出的凡士林，取椎体附近的试样不少于10g，放入称量盒内，测定含水率。将全部试样再加水或吹干并调匀，重复3到5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的含水率。液塑限联合测定应不少于三点。（注：圆锥入土深度宜为34mm，79mm，1517mm）成果要求试样含水率应按下式计算，准确至0.1%w0=（m0/md-1）*100w0试样含水率（%）md干土质量（g）m0湿土质量（g）绘制关系曲线图：以含水率为纵坐标，圆锥入土深度为纵坐标在双对数坐标纸上绘制关系曲线，三点应在一直线上。当三地不在一直线上时，通过

11、高含水率的点和其余两点连呈两条直线，在下沉为2mm处查的相应的2个含水率，当两个含水率的差值小于2%时，应以两点含水率的平均值与高含水率的点连一直线，当两个含水率的差值大于、等于2%时，应重做实验。在含水率与圆锥下沉深度的关系图上查的下沉深度为17mm所对应的含水率为液限，差的下沉深度为2mm所对应的含水率为塑限，取值以百分数表示，准确率0.1%。塑性指数按下式计算：Ip=wi-wp式中：Ip塑性指数wi液限（%）wp塑限（%）液性指数按下式计算：IL=（w0-wp）/Ip式中：IL液性指数，计算至0.01w0制备土样的含水率（%）wp塑限（%）Ip塑性指数界限含水率试验记录(液、塑限联合测定

12、法)工程名称 试验者 工程编号 计算者 试验日期 校核者 试样编号圆锥下沉深度(mm)盒号盒质量(g)盒加湿土质量(g)盒加干土质量(g)湿土质量(g)干土质量(g)含水率()液限()塑限()塑性指数(1)(2)(3)(4)=(2)-(1)(5)=(3)-(1)(6)(7)(8)(9)(7)-(8)实验4 土的标准固结试验土的压缩试验是为了解侧限条件下土样受压力作用的变形特点，测定土的压缩系数，压缩模量，固结系数等有关压缩性指标的一个重要试验。压缩试验常用的压缩仪主要有杠杆式压缩仪和磅称式压缩仪，二者各有特点。目前，常用的普通杠杆式压缩仪的最大固结压力一般0.40.6MPa。在国内，前者的应用

13、较后者更广泛。在试验方法上，按压缩稳定的标准，可分为稳定压缩，假定稳定压缩和快压速缩三种。稳定压缩要求在每级荷载下土样在24h内不产生进一步的压缩变形；假定稳定压缩要求在每级荷载作用下土样要满足24h内的变形量不超过0.005mm/h(对于2cm高度土样)的变形标准，快速压缩则假定试样在每级荷载下，1h其变形即达到基本稳定。这里主要介绍采用杠杆式压缩仪进行快速压缩试验，以测试土压缩性的试验方法。对于稳定压缩和假稳定压缩的具体试验要求和方法，可参考土工试验方法标准(GBJ12388)(国家标准)。实验目的：测定土的压缩系数、压缩模量、体积压缩系数、压缩指数、回弹指数以及先期固结压力，作为工程设计

14、计算的依据。实验仪器和设备：1.固结容器：由环刀、护环、透水板、水槽、加压上盖组成(图)。2.环刀：内径为61.8mm和79.8mm，高度为20mm。环刀应具有一定的刚度，内壁应保持较高的光洁度，宜涂一薄层硅脂或聚四氟乙烯。3.透水板：氧化铝或不受腐蚀的金属材料制成，其渗透系数应大于试样的渗透系数。用固定式容器时，顶部透水板直径应小于环刀内径0.20.5mm。用浮环式容器时上下端透水板直径相等，均应小于环刀内径。4.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。5.变形量测设备：量程10mm，最小分度值为0.01mm的百分表或准确度为全量程0.2的位移传感器。固结仪及加压设备应进

15、行校准，并应作仪器变形校正曲线实验原理介绍：饱和土体受外力作用后，孔隙中部分水逐渐从土体中排出，土中孔隙水压力逐渐减小，作用在土骨架上的有效应力逐渐增加，土体积随之压缩，直到变形达到稳定为止。土体这一压缩变形的全过程，称为固结。固结过程的快慢取决于土中水排出的速率，它是时间的函数，而非饱和土体在外力下的变形，通常是由孔隙中气体排出或压缩所引起，主要取决于有效应力的改变。固结试验就是将天然状态下的原状土或人工制备的扰动土，制备成一定规格的土样，然后在测限与轴向排水条件下测定土在不同载荷下的压缩变形。且试样在每级压力下的固结稳定时间为24小时。固结试验主要用于测定饱和土的压缩系数、体积压缩系数、压

16、缩模量和回弹指数等。本试验方法适用于饱和粘土。当只进行压缩时，允许用于非饱和土。操作步骤：1、试样制备：（1）将土样筒按表明的上下方向放置。剥去蜡封和胶带，开启土样筒取出土样。检查土样结构，当确定土样已受到扰动或取土样质量不符合规定时，不应制备固结试样的试样。（2）根据实验要求用环刀切取试样时，应在环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上，将环刀垂直下压，并用切土刀沿环刀外侧切削土样，边压边削土样高出环刀，根据试样的软硬采用钢丝锯或切刀整平环刀两端土样，擦净环刀外壁，称环刀和土的总质量。（3）取切下的余土测定试样的含水率和土粒比重，当试样需要饱和时，采用抽气饱和法。2、固结试验应按下列步骤进

17、行：（1）在固结容器内放置护环、透水板和薄滤纸，将带有试样的环刀装入护环内，放上导环、试样上依次放上薄滤纸、透水板和加压上盖，并将固结容器置于加压框架正中，使加压上盖与加压框架中心对准，安装百分表和位移传感器。（注：滤纸和透水板的湿度应接近试样的湿度）（2）施加1kPa的预压力使试样与仪器上下各部件之间接触，将百分表或传感器调整到零位或测读初读数。（3）确定需要施加的各级压力，压力等级宜为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、25、50kPa。最后一级压力应大于土的自重压力和附加压力之和。只需测定压缩

18、系数时，最大压力不小于400kPa。（4）需要确定原状体的先期固结压力时，初始段的荷载率应小于1，可采用0.5或0.25施加的压力应使测得的e-logp曲线下段出现直线段。对超固结土，应进行卸压、再加压来评价其再压缩特性。（5）对于饱和试样，施加第一级压力后应立即向水槽中注水侵没试样。非饱和试样进行压缩实验时，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侧记试样的高度变化。时间为6s、15s、1min、2min15s、4min、6min15s、9min、12min15s、16min、20min15s、25min、30min15s、36min、4

19、2min15s、49min、64min、100min、200min、400min、23h、24h，至稳定为止。不需要测定沉降速率时，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。按此步骤逐渐加压至实验结束。（注：测定沉降率仅适用土）（7）需要进行回弹实验时，可在某级压力下固结稳定后退压，直至退到需要的压力，每次退压至24h后测定试样的回弹量。（8）实验结束后吸去容器中的水，迅速拆除仪器各部件，取出整块试样，测定含水率。成果要求（1）试样的初始孔隙比，应按下式计算：式中：e0试样的初始孔隙比0

20、试样的湿密度（g/cm3）w温度4时水的密度（g/cm3）w0试样的含水率（%）（2）各级压力下试样固结稳定后的单位沉降量，应按下式计算：式中：Si某级压力下的单位沉降量（mm/m）h0试样初始高度（mm）hi某级压力下试样固结稳定后的总变形量（mm）（等于该级压力下固结稳定读数减去仪器变形量）103单位换算系数（3）各级压力下试样固结稳定后的孔隙比，应按下式计算：某一压力范围内的压缩系数，按下式计算：某一压缩范围内的压缩模量，应按下式计算：式中：e0试样的初始孔隙比；ei、ei1分别为第i级和第i+l级荷载下土样的孔隙比；av压缩系数，MPa-1；Es压缩模量，MPa ；、分别为土粒密度和试

21、样的初始密度，g/cm3；h0试样初始高度，mm；至第i级荷载试样变形稳定后的总变形量(校正后)，mm；pi第i级荷载值，kPa；w0试样的初始含水量，。（4）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固结试验记录工程编号 试验者 试样编号 计算者 仪器编号 校核者 试验日期 压力经过时间(min)MPaMPaMPaMPaMPa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00.10.2512.2546.25912.251620.252530.253642.25496410020023(h)24(h)总变形量(mm)仪器变形量(mm)试样总变形量(mm)实验五 土的

22、直接剪切试验（快剪）土的直剪试验是一种最广泛采用的土工试验，比较适用于粘性土、粉土及粉砂土。由试验可绘制试样土的剪切曲线，并由曲线确定其力学指标，因此要求相同土样的直剪试验不少于4个试样。直剪试验采用直剪仪进行。常用的直剪仪依据施加剪力的方式，可分为应变式直剪仪和应力式直剪仪。目前国内应用较普遍的是应变式直剪仪。在试验方法上，依据土样在受压及受剪切过程中的排水情况，可分为不排水剪、排水剪和固结快剪三种。其中，不排水剪又称快剪，是指在试验时施加垂直压力后立即施加水平剪力，保证在整个试验过程中试样的含水量不发生变化，排水剪又称慢剪，是指施加垂直压力后使土样达到充分的排水固结，然后缓慢施加水平剪力，

23、保证使每加一次水平剪力前都允许土样中的孔隙水压力完全消散；固结快剪则指在垂直压力下土样得以充分的排水固结后，以很快的速度施加水平剪力，使由剪切产生的孔隙水压力不能消散。快剪试验是在试样上施加法向压力后，立即开始剪切。快剪试验方法适用于渗透系数小于10-6cm/s的细粒土。实验目的：直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法，即测定土的粘聚力和内摩擦角，为地基承载力计算及地基、斜坡稳定性分析提供参数。实验仪器和设备：1.应变控制式直剪仪(图)：由剪切盒、垂直加压设备、剪切传动装置、测力计、位移量测系统组成。2.环刀：内径61.8mm，高度20mm。3.位移量测设备：量程为l0mm，分度值为0.0lmm的百分表；或准确度为全量程0.2%的传感器。实验原理介绍：土体抵抗剪力保持本身不被破坏的性能，叫做抗剪性。其抵抗剪力的最大能力以抗剪强度表示，在数值上它等于土体所能承受的最大剪应力。直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法。通常采用四个或四个以上的试样，分别在不同的法向压力p作用下，施加剪切力进行剪切，求得破坏时的最大剪应力，根据p曲线确定土的抗剪强度参数：内摩擦角()和内聚力(C)。直接剪切试验在方法上有快剪、固结快剪和慢剪三种。每种试验方法适用于一定排水条件下的土体，相应于工程所处的工