土力学与地基基础实验

1、土力学与地基基础实验指导书深圳大学建工学院土木工程系1 / 25一、颗粒分析试验（筛分法）（一）试验目的 测定干土各粒组占该土总质量的百分数，以便了解土粒的组成情况。供砂类土的分类、判断土的工程性质及建材选料之用。（二）试验原理     土的颗粒组成在一定程度上反映了土的性质，工程上常依据颗粒组成对土进行分类，粗粒土主要是依据颗粒组成进行分类的，细粒土由于矿物成分、颗粒形状及胶体含量等因素，则不能单以颗粒组成进行分类，而要借助于塑性图或塑性指数进行分类。颗粒分析试验可分为筛析法和密度计法，对于粒径大于0.075mm的土粒可用筛析法测定，而对于粒径小于0.

2、075mm的土粒则用密度计法来测定。筛析法是将土样通过各种不同孔径的筛子，并按筛子孔径的大小将颗粒加以分组，然后再称量并计算出各个粒组占总量的百分数。（三）仪器设备 1标准筛：孔径10、5、2、1.0、0.5、0.25、0.075mm；（见附图1）2天平：称量1000g，分度值0.1g；3台称：称量5kg，分度值1g；4其它：毛刷、木碾等。（四）操作步骤1备土：从大于粒径0.075mm的风干松散的无粘性土中，用四分对角法取出代表性的试样。2取土：取干砂500g称量准确至0.2g。3摇筛：将称好的试样倒入依次叠好的筛，然后按照顺时针或逆时针进行筛析。振摇时间一般为1015分钟。4称量：逐级称取留

3、在各筛上的质量。（五）试验注意事项1将土样倒入依次叠好的筛子中进行筛析。2筛析法采用振筛机，在筛析过程中应能上下振动，水平转动。3称重后干砂总重精确至 2g。（六）计算及制图1 按下列计算小于某颗粒直径的土质量百分数：式中：X小于某颗粒直径的土质量百分数，%； mA小于某颗粒直径的土质量，g； mB所取试样的总质量（500g）。2用小于某粒径的土质量百分数为纵坐标，颗粒直径（mm）的对数值为横坐标，绘制颗粒大小分配曲线。图1标准筛（七）试验记录土样编号             

4、0;  风干土质量                 姓 名 土样说明                试验日期                

5、 班 级 孔径             （mm）留筛土质量（g）累积留筛土质量（g）小于该孔径的土质量（g）小于该孔径的土质量百分数（）20    10    5    2    1    0.5    0.25  &#

6、160; 0.075    底盘总计    备注二、密度试验（环刀法）（一）试验目的 测定土的湿密度，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。（二）试验原理土的湿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，其单位为g/cm3。环刀法是采用一定体积环刀切取土样并称土质量的方法，环刀内土的质量与体积之比即为土的密度。密度试验方法有环刀法、蜡封法、灌水法和灌砂法等。对于细粒土，宜采用环刀法；对于易碎裂、难以切削的土，可用蜡封法；对于现场粗粒土，可用灌水法或灌

7、砂法。（三）仪器设备1环刀：内径68cm，高23cm。2天平：称量500g，分度值0.01g。3其它：切土刀、钢丝锯、凡士林等。（四）操作步骤1量测环刀：取出环刀，称出环刀的质量，并涂一薄层凡士林。2切取土样：将环刀的刀口向下放在土样上，然后用切土刀将土样削成略大于环刀直径的土柱，将环刀垂直下压，边压边削使土样上端伸出环刀为止，然后将环刀两端的余土削平。3土样称量：擦净环刀外壁，称出环刀和土的质量。（五）试验注意事项1称取环刀前，把土样削平并擦净环刀外壁；2如果使用电子天平称重则必须预热，称重时精确至小数点后二位。（六）计算公式按下列计算土的湿密度：式中：密度，计算至0.01g/cm ； m湿

8、土质量，g； m1环刀加湿土质量，g； m2环刀质量，g； V环刀体积，cm 。密度试验需进行二次平行测定，其平行差值不得大于0.03g/cm ，取其算术平均值。图2环刀与电子太平（七）试验记录土样编号                                   

9、;   班 组               试验日期                                &#

10、160;     姓 名               环号环加土质量（g）环刀质量（g）湿土质量（g）环刀体积（cm3）密度（g/cm3）平均密度（g/cm3）备注    -                &#

11、160;                  三、含水率试验（烘干法）（一）试验目的 测定土的含水率，以了解土的含水情况，是计算土的孔隙比、液性指数、饱和度和其它物理力学性质不可缺少的一个基本指标。（二）试验原理 含水率反映土的状态，含水率的变化将使土的一系列物理力学性质指标随之而异。这种影响表现在各个方面，如反映在土的稠度方面，使土成为坚硬的、可塑的或流动的；反映在土内水分的饱和程度方面，使土成为稍湿、很湿或饱和的；

12、反映在土的力学性质方面，能使土的结构强度增加或减小，紧密或疏松，构成压缩性及稳定性的变化。测定含水率的方法有烘干法、酒精燃烧法、炒干法、微波法等等。（三）仪器设备1烘箱：采用温度能保持在105110的电热烘箱。（如附图3所示）2天平：称量500g，分度值0.01g。 3其它：干燥器、称量盒等。（四）操作步骤1湿土称量：选取具有代表性的试样1520g，放入盒内，立即盖好盒盖，称出盒与湿土的总质量。2烘干冷却：打开盒盖，放入烘箱内，在温度105110下烘干至恒重后，将试样取出，盖好盒盖放入干燥器内冷却，称出盒与干土质量。烘干时间随土质不同而定，对粘质土不少于8h；砂类土不少于6h。（五）试验注意事

13、项1刚刚烘干的土样要等冷却后才称重；2称重时精确至小数点后二位。（六）计算公式按下式计算土的含水率：式中：含水率，计算至0.1% mo盒质量，g； m1盒加湿土质量，g； m2盒加干土质量，g； 含水率试验需进行二次平行试验，其平行差值不得大于2%，取其算术平均值。图3电热烘箱（七）试验记录土样编号                          

14、0;              班 组                试验日期                    &

15、#160;                    姓 名                 土样编号盒号盒质量 （g）盒加湿土质量（g）盒加干土质量（g）水质量 （g）干土质量（g）含水率 （）平均含水率（）备注

16、                        四、界限含水率试验液限、塑限联合测定法（一）试验目的 测定粘性土的液限L和塑限p，并由此计算塑性指数Ip 、液性指数IL，进行粘性土的定名及判别粘性土的软硬程度。（二）试验原理 液限、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

17、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17mm所对应得含水率即为液限，查得圆锥下沉深度2mm所对应的含水率即为塑限。（三）试验设备1液塑限联合测定仪：（如附图4）有电磁吸锥、测读装置、升降支座等，圆锥质量76g，锥角30°，试样杯等；2天平：称量200g，分度值0.01g；3其它：调土刀、不锈钢杯、凡士林、称量盒、烘箱、干燥器等。（四）操作步骤1土样制备：当采用风干土样时，取通过0.5mm筛的代表性土样约200g，分成三份，分别放入不锈钢杯中，加入不同数量的水，然后按下沉深度约为45mm，911mm，1517mm范围制备不同稠度的试样

18、。2装土入杯：将制备的试样调拌均匀，填入试样杯中，填满后用刮土刀刮平表面，然后将试样杯放在联合测定仪的升降座上。 3接通电源：在圆锥仪锥尖上涂抹一薄层凡士林，接通电源，使电磁铁吸住圆锥。4测读深度：调整升降座，使锥尖刚好与试样面接触，切断电源使电磁铁失磁，圆锥仪在自重下沉入试样，经5秒钟后测读圆锥下沉深度。5测含水率：取出试样杯，测定试样的含水率。重复以上步骤，测定另两个试样的圆锥下沉深度和含水率。（五）试验注意事项1土样分层装杯时，注意土中不能留有空隙。2每种含水率设三个测点，取平均值作为这种含水率所对应土的圆锥入土深度，如三点下沉深度相差太大，则必须重新调试土样。（六）计算公式1计算各试样

19、的含水率：式中符号意义与含水率试验相同。2以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制关系曲线，三点连一直线。当三点不在一直线上，可通过高含水率的一点与另两点连成两条直线，在圆锥下沉深度为2mm处查得相应的含水率。当两个含水率的差值2时，应重做试验。当两个含水率的差值<2时，用这两个含水率的平均值与高含水率的点连成一条直线。3在圆锥下沉深度与含水率的关系图上，查得下沉深度为17mm所对应的含水率为液限；查得下沉深度为2mm所对应的含水率为塑限。图4液塑限联合测定仪（七）试验记录土样编号       &#

20、160;                              班组                 试验日期   

21、                                   姓名                &#

22、160; 土样说明 天然含水率 圆锥下沉深度h（mm）盒号盒质量mo（g）盒加湿土质量m1（g）盒加干土质量mo（g）水质量mw（g）干土质量ms（g）含水率（）液限L（）塑限p（）     =                           &

23、#160;    塑性指数Ip 土的分类 液性指数IL 土的状态 五、直剪试验（快剪法）（一）试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。通常采用四个试样为一组，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪应力进行剪切，求得破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角和凝聚力C 。直剪试验分为快剪（Q）、固结快剪（CQ）和慢剪（S）三种试验方法。在教学中可采用快剪法。（二）试验原理快剪试验是在试样上施加垂直压力后立即快速施加水平剪切力，以0.81.2mm/min的速率剪切，一般使试样在35min内剪

24、破。快剪法适用于测定粘性土天然强度。（三）仪器设备 1应变控制式直接剪切仪：有剪力盒、垂直加压框架、测力计及推动机构等，仪器如图5所示，仪器结构示意图如图6所示。2其它：量表、砝码等。 （四）试验步骤1切取试样：按工程需要用环刀切取一组试样，至少四个，并测定试样的密度及含水率。如试样需要饱和，可对试样进行抽气饱和。2安装试样：对准上下盒，插入固定销钉。在下盒内放入一透水石，上覆隔水蜡纸一张。将装有试样的环刀平口向下，对准剪切盒，试样上放隔水蜡纸一张，再放上透水石，将试样徐徐推入剪切盒内，移去环刀。3施加垂直压力：转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触，调整测力计中的量表读数为零。顺次加上盖板

25、、钢珠压力框架。每组四个试样，分别在四种不同的垂直压力下进行剪切。在教学上可 取四个垂直压力分别为100、200、300、400kPa。4进行剪切：施加垂直压力后，立即拔出固定销钉，开动秒表，以每分钟46转的均匀速率旋转手轮（在教学中可采用每分钟6转）。使试样在35分钟内剪破。如测力计中的量表指针不再前进，或有显著后退，表示试样已经被剪破。但一般宜剪至剪切变形达4mm。若量表指针再继续增加，则剪切变形应达6mm为止。手轮每转一圈，同时测记测力计量表读数，直到试样剪破为止。5拆卸试样：剪切结束后，吸去剪切盒中的积水，倒转手轮，尽快移去垂直压力、框架、上盖板，取出试样。（五）试验注意事项1先安装试

26、样，再装量表。安装试样时要用透水石把土样从环刀推进剪切盒里，试验前量表中的大指针调至零。2加荷时，不要摇晃砝码；剪切时要拔出销钉。（六）计算及制图 1按下式计算各级垂直压力下所测的抗剪强度： 式中：土的抗剪强度，kPa； C 测力计率定系数，N/0.01mm； R 测力计量表读数，0.01mm。2绘制曲线：以垂直压力为横坐标，以抗剪强度为纵坐标，纵横坐标必须同一比例，根据图中各点绘制关系曲线（如图7），该直线的倾角为土的内摩擦角，该直线在纵轴上的截距为土的凝聚力C。123456789图5应变控制式直接剪切仪 图6应变控制式直剪仪结构示意图1垂直变形百分表；2垂直加压框架；3推动座；4剪切盒；5

27、试样；6测力计；7台板；8杠杆；9砝码0100200300400(Kpa)(Kpa)C100200300400图7抗剪强度与垂直应力的关系曲线（七）试验记录土样编号                   仪器编号                   &

28、#160;    班 组               土样说明                   测力计系数           

29、;           姓 名                   试验方法                   手轮转速 

30、60;                     试验日期              垂直压力          kPa   抗剪强度  &#

31、160;     kPa垂直压力         kPa   抗剪强度        kPa手轮转数测力计读数剪  切  变  形剪应力手轮转数测力计读数剪  切  变  形剪应力转o.o1mmo.o1mmkPa转o.o1mmo.o1mmkPa20×C20×C1122334455667788991010111

32、11212131314141515161617171818191920202121222223232424252526262727282829293030六、固结试验（快速法）（一）试验目的测定试样在侧限与轴向排水条件下的压缩变形h和荷载P的关系，以便计算土的单位沉降量S1、压缩系数av和压缩模量Es等。（二）试验原理土的压缩性主要是由于孔隙体积减少而引起的。在饱和土中，水具有流动性，在外力作用下沿着土中孔隙排出，从而引起土体积减少而发生压缩，试验时由于金属环刀及刚性护环所限，土样在压力作用下只能在竖向产生压缩，而不可能产生侧向变形，故称为侧限压缩。（三）仪器设备1固结仪：仪器如图8所示，仪器

33、结构示意图如图9所示。试样面积30cm2，高2cm。2量表：量程10mm，最小分度0.01mm。3其它：刮土刀、电子天平、秒表。（四）操作步骤（1）切取试样：用环刀切取原状土样或制备所需状态的扰动土样。（2）测定试样密度：取削下的余土测定含水率，需要时对试样进行饱和。（3）安放试样：将带有环刀的试样安放在压缩容器的护环内，并在容器内顺次放上底板、湿润的滤纸和透水石各一，然后放入加压导环和传压板。（4）检查设备：检查加压设备是否灵敏，调整杠杆使之水平。（5）安装量表：将装好试样的压缩容器放在加压台的正中，将传压钢珠与加压横梁的凹穴相连接。然后装上量表，调节量表杆头使其可伸长的长度不小于8mm，并

34、检查量表是否灵活和垂直（在教学试验中，学生应先练习量表读数）。（6）施加预压：为确保压缩仪各部位接触良好，施加1kPa的预压荷重，然后调整量表读数至零处。（7）加压观测：1）荷重等级一般为50、100、200、400kPa。2）如系饱和试样，应在施加第一级荷重后，立即向压缩容器注满水。如系非饱和试样，需用湿棉纱围住加压盖板四周，避免水分蒸发。3）压缩稳定标准规定为每级荷重下压缩24小时，或量表读数每小时变化不大于0.005mm认为稳定（教学试验可另行假定稳定时间）。测记压缩稳定读数后，施加第二级荷重。依次逐级加荷至试验结束。4）试验结束后迅速拆除仪器各部件，取出试样，必要时测定试验后的含水率。

35、（五）试验注意事项1首先装好试样，再安装量表。在装量表的过程中，小指针需调至整数位，大指针调至零，量表杆头要有一定的伸缩范围，固定在量表架上。2加荷时，应按顺序加砝码；试验中不要震动实验台，以免指针产生移动。（六）计算及制图1按下式计算试样的初始孔隙比：式中：Gs土粒比重； w水的密度，g/cm3； o试样起始含水率，； o试样起始密度，g/cm3；2下式计算各级荷重下压缩稳定后的孔隙比ei： hi在某一荷重下试样压缩稳定后的总变形量，其值等于该荷重下压缩稳定后的量表读数减去仪器变形量（mm）； ho试样起始高度，即环刀高度（mm）。3绘制压缩曲线：以孔隙比e为纵坐标，压力p为横坐标，绘制孔隙

36、比与压力的关系曲线（如图10所示），并求出压缩系数av与压缩模量Es 。12346785图8固结仪 图9  固结仪示意图050100200300e4001.10.90.7P(Kpa)1水槽；2护环；3环刀；4加压上盖； 5透水石；6量表导杆；7量表架；8试样 图10  e p关系曲线（七）试验记录荷重时间压力 (kPa)量表读数(0.01mm)总变形量 (mm)仪器变形量(mm)土样变形量(mm)单位沉降量压缩后孔隙比 P   hiSi=hi/Hoei=eo-Si(1+eo)  

37、60;                             七、无侧限抗压强度试验（一）试验目的一般用于测定饱和软粘土的无侧限抗压强度及灵敏度。（二）试验原理无侧限抗压试验是三轴压缩试验的一个特例，将试样置于不受侧向限制的条件下进行的强度试验，此时试样小主应力为零，而大主应力的极限值为无侧限抗压强度。即周

38、围压力30的三轴试验。由于试样侧面不受限制，这样求得的抗剪强度值比常规三轴不排水抗剪强度值略小。（三）试验设备1应变控制式无侧限压缩仪：仪器如图11所示，仪器结构示意图如图12所示。2其它：量表、切土盘、重塑筒等（四）试验步骤1试样制备：按三轴试验中原状试样制备进行。试样直径可采用3.54.0cm，试样高度与直径之比按土样的软硬情况采用2.02.5。2安装试样：将试样两端抹一层凡士林，在气候干燥时，试样周围亦需抹一层薄凡士 林，防止水分蒸发。将试样放在底座上，转动手轮，使底座缓慢上升，试样与传压板刚好接触，将测力计调零。3测记读数：每分钟轴向应变为13的速度转动手轮，使升降设备上升而进行 试验

39、。每隔一定应变，测记测力计读数，试验宜在810min内完成。当测力计读数出现峰值时，停止试验，当读数无峰值时，试验进行到应变达20为止。4重塑试验：当需要测定灵敏度时，应立即将破坏后的试样除去涂有凡士林的表面， 加少许余土，包于塑料薄膜内用手搓捏，破坏其结构，放入重塑筒内，用金属垫板，将试样塑成与原状土样相同，然后按上述步骤进行试验。（五）试验注意事项1测定无侧限抗压强度时，要求在试验过程中含水率保持不变。2在试验中如果不具有峰值及稳定值，选取破坏值时按应变15所对应的轴向应力为抗压强度。3需要测定灵敏度，重塑试样的试验应立即进行。（六）计算及制图 1按下式计算轴向应变：式中：轴向应变，；ho

40、试样起始高度，cm；h轴向变形，cm。2 按下式计算试样平均数面积： 式中：Aa校正后试样面积， cm2； Ao试样初始面积，cm2。3按下式计算试样所受的轴向应力： 式中：轴向应力，kPa；C测力计率定系数，N/0.01mm；R测力计读数，0.01mm；10单位换算系数。4按下式计算灵敏度： 式中：qu原状试样的无侧限抗压强度，kPa；重塑试样的无侧限抗压强度，kPa。5绘制关系曲线以轴向应变为横坐标，以轴向应力为纵坐标，取曲线上最大轴向应力作为无侧限抗压强度。 12443567   图11应变控制式无侧限压缩仪 图12应变控制式无侧限压缩仪示意图  1轴向加压架；2轴向

41、测力计；3试样；4上、下传压板；5手轮或电动转轮；6升降板；7轴向位移计（七）试验记录试验前试样高度hs=           mm     试样质量m=          g试验前试样直径Do          cm     试样密度&#

42、160;     g/cm3          试验前试样面积Ao          cm2     灵敏度St        手轮每转一周螺杆上升高度L       mm试样破坏情况测力计率定系数C 

43、;         N/0.01cm原状试样无侧限抗压强度qu          kPa重塑试样无侧限抗压强度qu         kPa手轮转数n测力计量表读数R （mm）轴向变形L（mm）轴向应变1（）校正后面积Aa（cm2）轴向荷重P （N）轴向应力（kPa）  ×L-C×  

44、60;                                              八、三轴压缩试验（一）试验目的三轴压缩试验

45、是测定土的抗剪强度的一种方法。对堤坝填方、路堑、岸坡等是否稳定，挡土墙和建筑物地基是否能承受一定的荷载，都与土的抗剪强度有密切的关系。（二）试验原理土的抗剪强度是土体抵抗破坏的极限能力，即土体在各向主应力的作用下，在某一应力面上的剪应力（）与法向应力（）之比达到某一比值，土体就将沿该面发生剪切破坏。常规的三轴压缩试验是取4个圆柱体试样，分别在其四周施加不同的周围压力（即小主应力）3，随后逐渐增加轴向压力（即大主应力）1直至破坏为止。根据破坏时的大主应力与小主应力分别绘制莫尔圆，莫尔圆的切线就是剪应力与法向应力的关系曲线。三轴压缩试验适用于测定粘性土和砂性土的总抗剪强度参数和有效抗剪强度参数，可

46、分为不固结不排水试验（UU）；固结不排水试验（CU）和固结排水试验（CD）。（三）试验设备1三轴仪：包括轴向加压系统、压力室、周围压力系统、孔隙压力测量系统和试样变形量测系统等。（如附图13所示）2其它：击样器、饱和器、切土盘、分样器、承膜筒等。（四）试验步骤1切取土样：先用钢丝锯或切土刀切取一稍大于规定尺寸的土柱，放在切土架上，用钢丝锯或切土刀紧靠侧板，由上往下细心切削，边切削边转动圆盘，按规定的高度将两端削平、称量；并取余土测定试样的含水率。2试样饱和：试样有抽气饱和、水头饱和及反压力饱和三种方法，最常用的是抽气饱和。即将试样装入饱和器内，放入真空缸内，与抽气机接通，开动抽气机，连续真空抽

47、气24h，然后停止抽气，静止12h左右即可。3试样安装：将压力室底座的透水石与管路系统以及孔隙水测定装置充水并放上一张滤纸，然后再将套上乳胶膜的试样放在压力室的底座上，最后装上压力筒，并拧紧密封螺帽，同时使传压活塞与土样帽接触。4施加周围压力：分别按100、200、300、400Kpa施加周围压力。5测孔隙水压力：在不排水条件下测定试样的孔隙水压力。6调整测力计：移动量测轴向变形的位移计和轴向压力测力计的初始“零点”读数。7施加轴向压力：启动电动机，合上离合器，开始剪切。剪切应变速率取每分钟0.51.0，当试样每产生轴向应变为0.30.4时，测记一次测力计，孔隙水压力和轴向变形读数，直至轴向应

48、变为20时为止。8试验结束：停机并卸除周围压力，然后拆除试样，描述试样破坏时形状。（五）试验注意事项1试验前，透水石要煮过沸腾把气泡排出，橡皮膜要检查是否有漏洞。2试验时，压力室内充满纯水，没有气泡。（六）计算与绘图1试样面积剪切时校正值： 式中：1轴向应变（）2主应力差的计算式中：1大主应力，kPa；3小主应力，kPa；C 测力计率定系数（N/0.01mm或N/mV）；R 测力计读数（0.01mm或mV）；Aa试样剪切时的校正面积，cm2；10 单位换算系数。3孔隙水压力系数的计算:式中：B初始孔隙水压力系数；uo施加周围压力后产生的孔隙水压力，kPa；Af 破坏时的孔隙水压力系数；uf试样破坏时，主应力差产生的孔隙水压力，kPa；4绘制应力圆及强度包线对不固结不排水试验及固结不排水试验，以法向应