土力学试验教程

1、试验课程教学大纲一、目的与要求： 土力学试验课程教学旨在十分密切地配合土力学理论课程的教学大纲要求，在其理论教学内容的基础上开设的基本试验教学课。通过这些相关试验课的开设，加强其专业理论的进一步深化理解和掌握，提高本专业学生的实验技能和动手能力，从而为今后后续专业课程的学习打下坚实的基础。 试验教学要求本专业学生学好理论的同时，熟练地掌握土力学试验的基本原理、方法和基本仪器的操作技能，完成规定的试验课及试验报告的数据填写和整理工作。 二、试验内容及提纲 土力学试验课内容由八个部分组成，它们是：测定砂类土的颗粒组成，测定土的三项物理指标,测定土的可塑性指标，测定土的压缩性指标，测定土的直接剪切强

2、度指标，测定土的静三轴抗剪强度指标。 其具体内容见下表所列： 序号 试验项目 试验方法 试验主要设备 学时 1 测定砂类土的颗粒组成 筛分法 标准土壤筛、天平、砝码等 1 2 测定土的三项物理指标 环刀法、烘干法和比重瓶 环刀、铝盒、比重瓶、天平、砝码等 33 测定土的可塑性指标 锥式法、搓条法 锥式液塑仪、天平、砝码等 24 测定土的压缩性指标 固结仪法 三联固结仪和砝码 15 测定土的直接剪切强度指标 直剪仪法 直接剪切仪和砝码 16 测定土的静三轴抗剪强度指标 静三轴仪法 静三轴仪（电动） 2试验一 筛析法测定砂土的粒度成分一、试验目的 要测定小于某粒径的颗粒或粒组占土质量的百分数，以便

3、了解土的粒径级配，并作为土的分类依据及供给土工建筑物选料之用。二、基本原理筛析法测定砂土的粒度成分，是利用一套孔径大小不同的标准土壤筛来分离一定量的代表性砂土中与筛孔径相应的粒组，通过天平称量，得其各粒组的质量，以便计算各粒组的相对含量，进而确定砂土的粒度成分。本试验方法适用于粒径小于或等于60mm，大于0.075mm的土。三、仪器设备1标准土壤筛一套（见图）粗筛：孔径为100，80，60，40，20，10，5，2mm细筛：孔径为2, 1, 0.25, 0.075mm本次试验用筛孔径为10、5、2、1、0.5、0.25、0.075mm筛盘及底盘共计8层2托盘天平：感量1g, 称量1000g3磁

4、体橡皮头研棒4毛刷、镊子、白纸、钢直尺、糖果勺四、操作步骤1制备土样（1）风干土样或烘干土样。若土样已干，可直接使用。（2）若试样中有结块时，应将试样倒入磁钵中，用橡皮头研棒研磨，使结块成为单独的颗粒为止，但须注意不应把颗粒研碎。2四分法选取代表样品300g方法是：将土样用糖果勺在白纸上拌匀呈圆锥形然后用钢直尺以圆锥顶点为中心，向顺时针（或逆时针）方向旋转，使圆锥成为12cm的圆饼，然后在圆饼上用尺分为四等份，取其对角线相同的两份，将留下的两份样拌匀，重复上述步骤，直至剩下的土样满足需要量为止。3称量四分法选取试样总质量（ms），准确至0.1g，并记录之。4检查标准土壤筛大小孔径顺序，检查各层

5、筛子是否干净，若有土粒需刷净，然后将已称量的试样300g倒入最顶层的筛盘中，盖好盖，用手托住筛析，一般粗粒上盘摇晃时间35min即可，经510min摇振，每只筛盘在相应时间摇振后取下，在白纸上用手轻扣，摇晃，直至筛净为止。把漏在白纸上的砂粒倒入下一层筛盘内。如此往复操作，直至最末一层筛盘筛净为止。可观看液限试验过程动画演示5称量留在各筛盘上的土粒（mi），准确至0.1g，并测量试样中最大颗粒的直径，并记录之。五、计算及误差分配1计算各粒组的百分含量，准确至小数后一位 式中: xi某粒组百分含量，%mi某粒组质量，g, ms试样质量，g2各筛盘及底盘上土粒的质量之和与筛前所称试样之质量不得大于试

6、样总质量的1%，否则应重新试验。若两者差值小于试样总质量的1%，可视试验过程中误差产生的原因，分配给某些粒组，最终各粒组百分含量之和应等于100%。 3若粒径<0.1mm的含量大于10%，则将这一部分用沉降法继续分析。 4将试验成果填写在记录表格中，根据试样的粒度成分定出土的名称，绘制累积曲线，求不均匀系数（CU）和曲率系数(Cc)，并说明土的均一性。六、注意事项1在筛析进行中，尤其是将试样由一器皿倒入另一器皿时，要避免或尽量减少微小颗粒的飞扬。2过筛后，要检查筛孔中是否夹有颗粒，若夹有颗粒，应将颗粒轻轻刷下，放入该筛盘上的土样，一并称量。3颗粒粒径分配曲线应在对数坐标纸上绘制，并应取小

7、段某粒径的试样质量占试样总质量的百分比为纵坐标，取粒径的对数为横坐标。七、思考题1“粒组”与“粒度成分”两术语有何区别？2试样数量的选取根据什么原则？3你的试验有无误差？若有误差，你是如何分配的？试验二 土的三相实测指标试验土的三相实测指标为土的天然密度、土的含水量、土粒密度。通过测定土的天然密度，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。通过测定土的含水量，了解土的含水情况，供计算土的孔隙比、液性指数、饱和度和其它物理力学性质指标。通过测定土粒密度，为计算土的孔隙比、饱和度以及为土的其它物理力学试验提供必须数据。 天然密度试验（环刀法） 天然含水量（烘

8、干法） 测定土粒密度（比重瓶法） 天然密度试验（环刀法）一、基本原理用已知质量及容积的环刀切取原状土样，使之与其体积保持一致，定义单位体积的土的质量即为土的密度，其计算公式如下式：式中： 土的天然密度（g/cm3）m1环刀的质量（g） m2环刀与土样的质量（g） V环刀的体积（cm3） 二、仪器设备1环刀V=60cm32天平感量0.1g，称量500g，或感量0.01,称量2003切土刀，钢丝锯，凡士林，玻璃等。三、操作步骤1切取土样：环刀刃口朝下，放在土样表面上，用修土刀指把土样削成略大于环刀的土样，然后垂直向下轻压环刀，边压边削，至土样伸出环刀为止，先削平环刀上端之余土，使土面与环刀边缘齐平

9、，再置于玻璃板上，然后削平环刀刃口一端的余土，使与环刀刀口齐平。若两面的土有少量剥落，可用切下的碎土渣，补上。2测定环刀与土样之质量：擦净环刀外壁，称量得m2，准确到期0.1g。3称量环刀质量m1，准确至0.1g,允许误差：±0.03g/cm3。4本次试验需二次平行测寂定，允许误差0.03g/cm3。四、注意事项1用环刀法切取土样时，必须严格步骤操作不得急于求成，用力过猛，或图省事不削成土柱，这样就使土样开裂扰动，结果事倍功半。2修平环刀两端余土时，不得在试样表面往返压抹。对于较软的土宜先用钢丝锯将土样锯成几段然后用环刀切取。 天然含水量（烘干法）一、基本原理土的含水量（也称土的含水

10、率）指土在温度100105下烘至恒重时失去的水分质量与恒重后的干土质量的比值，以百分数表示。二、仪器设备1称量铝盒，削土刀2烘箱，干燥器三、操作步骤本次试验为平行测定，允许误差±0.5%计算式如下：式中：W土的含水率（%）m1称量盒加温土之质量（%）m2称量盒加干之质量（g）m0称量盒之质量（g）计算精度（0.1%）四、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重，否则影响测度试精度。五、思考题1根据试验室测定的土粒密度、土的密度、含水量，如何计算干密度、孔隙比、饱和度？2干密度能够实测吗？ 测定土粒密度（比重瓶法）一、基本原理土粒的密度（比重）

11、是指土在温度100105下烘至恒重时的干土质量与同体积蒸馏水在4时质量的比值。本次试验主题词：比重瓶法；土粒密度二、仪器设备1分析天平，称量200g，感量0.01g或0.001g。2真空抽气设备，温度计，比重瓶100cm3或50cm3，烘箱，蒸馏水。三、操作步骤1土样的制备取有代表性的风干土样约100g，充分研散并全部过2mm的筛。将过筛的样品及洗净的比重瓶在100105下烘干，取出放置干燥器内冷却至室温后称重。2测定干土的质量称烘干土15g通过漏斗倾入已知容量的烘干的比重瓶中，然后在分析天平上称得瓶加干土质量，精确至0.01g或0.001g，减去瓶的质量即得土粒质量md。3抽气将盛有土样及装

12、半满蒸馏水之比重瓶放在真空缸内，抽气1小时。注意抽尽空气。4将抽气后的比重小心装满蒸馏水，并加盖，恒温至室温即可，并称量之（0.01g或0.001g）。注意擦净比重瓶外缘。5测定瓶加水之质量倾倒称量后的瓶加水加土，洗净后装满蒸馏水，注意擦净比重瓶外缘，然后称量之，得瓶加水之质量mbw。6计算土粒的密度式中：s-土粒之密度（g/cm3）md-土粒之质量（g）mbw-比重瓶+水（g）mbws-比重瓶+水+土总质量（g）w-4时蒸馏水的密度（g/cm3）7本次试验需进行两次平行测定，试验允许误差±0.02g/cm3四、注意事项1煮沸（或抽气）排气时，必须防止悬液溅出瓶外，火力要小，并防止煮

13、干。必须将土中气体排尽，否则影响试验成果。2必须使瓶中悬液与蒸馏水的温度一致。3称量必须准确，测定mbw及mbws时，必须将比重瓶外水分擦干。4若用长劲式比重瓶，液体灌满比重瓶时，液面位置前后几次应一致，以弯液面下缘为准。五、思考题1土中空气如不排除，所得土粒比重偏大还是偏小？为什么？2在测定粘粒含量多的土粒比重时用蒸馏水测得的结果是偏大还是偏小？为什么？试验三 测定粘性土的液限、塑限含水率I 测定粘性土的液限含水率（锥式仪法）一、基本原理粘性土处于液态到塑态的物理稠度状态时，平衡锥下沉10mm，并延时15sec不变，即为土的液限含水率。本次试验主题词：液态；塑态；液限含水率；锥式仪法二、仪器

14、设备1锥式液限一套（质量76g，角度30 °）2. 分析天平（1%或1）3铝合，烘箱，调土刀，凡士林三、操作步骤1将试样（已备）调至成一定稠度状态（不宜太湿）用刀反复调制均匀。2在试样杯内，填入试样（先四过后中间）压密并刮平。3手持平衡锥上端，自由落体（锥尖接触土体表面），放锥，下沉10mm。并延时15sec，即为土的液限（锥尖涂抹薄层凡士林）。 4重复上述操作，测第二次，做平行测定。5 在100105温度下，经6h以上温度恒温烘干，称量之（0.01或0.001g）。 可观看液限试验过程录象与动画演示四、计算及试验误差式中：WL-土的液限含水率（%）m1-湿土+盒的质量（g）m2-干

15、土+盒的质量（g）ms-干土的质量（g）本次试验需二次平行测定，允许误差±1%。五、注意事项1若调制土样含水量过大，只许在空气中晾干或用吹风机吹干，也可用调土刀搅拌或用手搓捏，切不能加干土或放在电炉上烘烤。2放堆时要平稳，避免产生冲击力。3从试杯中取出土样时，必须将沾有凡士林的土弃掉，方能重新调制或者取样测含水量。六、思考题1平衡锥放入土中时，为何不能随意放下？2放锥后土面发生什么样的变化？ 测定粘性土的塑限含水率（搓滚法）一、基本原理粘性土处于塑态至半固态的界限含水率，即土的塑限。本试验用搓条法。本次试验主题词：塑态；固态；塑限含水率；搓条法二、仪器设备1毛玻璃板2其他如用液限试验

16、。三、操作步骤1将不粘手的试样（已备）放在毛玻璃板上来回轻轻反复捏，压，搓滚，至3mm断裂垂直裂纹的土条。2装入搓好的土条约8-10条入铝盒内（半满即可）并称量之（0.01或0.001g）。3在100105温度下，经6h以上恒温温度烘干，并称量之（0.01或0.001g）。4计算及试验误差：式中：Wp土的塑限含水率（%）m1湿土+盒之质量（g）m2干土+盒之质量（g）ms干土之质量（g）本次试验需二次平行测定，允许误差±1% 计算液限、塑限及塑性指数，并按规范要求定出土名，按液性指数，确定土的稠度状态。 式中: IP土的塑性指数（%） IL土的液性指数（一） 可观看液限试验过程录象

17、四、注意事项1搓滚土条时必须用力均匀，以手掌轻压，不得作无压滚动，应防止土条产生中空现象，所以搓滚前土团必须经过充分的揉捏。2土条在数处同时产生裂纹始达塑限，如仅有一条断裂可能由于用力不均而产生的裂纹必须呈螺纹状。五、思考题1为什么搓滚土条规定为3mm粗细？为什么搓滚到规定状态即认为过到塑限？2如土样含水量大于塑限而需吹风时，为什么不能向试样中加干土以减少含水量？试验四 土的常规压缩实验（杠杆式压缩法）一、基本原理土的压缩就是土在压力作用下体积逐渐缩小的过程，压缩试验是将土样放在金属容器内，在有侧限的条件下施加压力，观察在不同压力下的压缩就变形量，以测定土的压缩系数，压缩模量等有关压缩指标，了

18、解土的压缩特性，作为设计计算依据。本次试验主题词：压缩；孔隙比；有侧限；垂直方向双面排水；快速法二、仪器设备三联杠杆压缩仪，百分表，滤纸，秒表等。 三、操作步骤1首先检查压缩容器及设备是否齐全，然后将大护环、大透水石下护环按顺序放好，将滤纸放上，把切好的土样连同环刀放入压缩盒内（环刀刃口朝下）在套上小护环放滤纸及透水石加压缩盒盖。2检查仪器是否灵敏，后将装好土样的压缩盒放入仪器内，调整杠杆水平，装上百分表。3施加予压，以保证试样与仪器上下之间各个部位接触良好（施加1kPa的预压或手指轻点击），然后调整百分表至零位。4加压。一般按照0.05、0.1、0.2、0.3、0.4MPa顺序加压，每级按1

19、5min读数一次（此为按学时数灵活掌握），在每次加压后应立即调整杠杆之水平。5当实验结束以后，先退去荷载，后拆除百分表，再取出土样，并将仪器擦净。可进一步观看液限试验过程录象与动画演示 四、计算及试验误差计算试样的初始孔隙比e0 式中： w水的密度，g/cm3GS土的比重；0试样的初始密度，g/cm3W0试样初始含水量。各级荷载下的孔隙比ei 式中：h0试样的高度为20mm。 压缩系数av:压缩模量Es 介绍高压固结仪，求前期固结压力。高压固结系测定土的前期固结压力指标等。其加压荷载可加至>400 kPa，必要时，可作回弹试验（即卸荷试验），用于求回弹系数。五、注意事项1切削试样时，应十

20、分耐心操作，尽量避免破坏土的结构，边削边压环刀，不允许直接将环刀压入土中。2在削去环刀两端余土时不允许用刀来回涂抹土面，避免孔隙被堵塞。 3不要振碰压缩台及周围地面，加荷或卸荷时均应轻放或轻取砝码，以避免冲击力。六、思考题1快速压缩法根据什么原理求得变形量？2土的压缩系数和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？试验五 土的直接剪切试验一、基本原理直接剪切试验的原理是根据库伦定律，土的内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比，将同一种土制备成几个土样，分别在不同的法向压力下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得其剪坏时剪应力，即为抗剪强度f，然后根据剪切定律确定土的抗剪强度指标和c。本

21、次试验主题词：法向应力；剪应力；抗剪强度；快剪法；慢剪法，固结快剪法。二、仪器设备目前广泛使用杠杆式应变式直剪仪，示意图如下。试验设备包括：试样盒（分上、下两部分，上盒固定，下盒放在钢珠上，可以在水平方向滑动）、百分表（用以量测竖直变形）、加荷框架（采用杠杆传动的加荷方法，杠杆比为1:10）、推动座、剪切容器、测力计（亦称应力环）、环刀（内径6.18cm、高20cm）、切土工具、滤纸（蜡纸）、毛玻璃板、秒表及润滑油等。直剪仪设备剪切容器与应力环 三、操作步骤1切取土样，按照要求切取3-4个原状土样2仪器检查。上下盒间接触及盒内应涂抹凡士林，以减少阻力，百分表是否灵敏，插销是否失灵，钢珠是否脱落

22、。3安装试样对准上下盒，插入固定销，在下盒内放入透水石一块，放入蜡纸一张，将带有土样的环刀、刃口朝上、对准盒口，将试样推入盒内，然后在试验样上放上蜡纸、透水石及盒盖，装入仪器内，加上压力，转动手轮，让其接触，拨掉插销，开始实验。4垂直加压。一般垂直压力分别为0.1、0.2、0.3、0.4 MPa，若土质松软，可调整加压荷载，以免挤出。5水平剪切。转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与量力环接触。调整量力环中的百分表读数为零。拔出固定销，开动秒表，固结快剪和快剪法以每分钟6转匀速旋转手轮，使试样在3-5分钟内剪坏。如量力环中百分表指针不再前进，或者显著后退，表示试样已剪坏。若百分表读数无峰值，则剪切变形

23、达6mm才能停止。同时测记手轮转数n和量力环测微表读数R0。慢剪法剪切速率应小于0.02mm/min，一般采用电动装置。可观看试验过程动画演示 需要更进一步了解直剪试验的操作过程，可观看录象资料四、计算及试验误差1、根据下式计算测得剪应力 式中:剪应力，kPaKl量力环率定系数，N/0.01mmR百分表读数，0.01mm剪位移，0.01mmn手轮转数A试样初始汤面积，cm2L手轮转一圈的位移量，0.01mm。2、绘制剪应力（）与剪位移（L）的关系曲线图。3、绘制-关系曲线。由曲线图确定土的抗剪强度指标c、。五、注意事项1同一组的几个试样应是同一层土，密度值不应超过允许误差。2画-曲线时，纵横坐

24、标分度值要统一（如1cm都代表100kPa）。试验六 土的静三轴剪切试验一、基本原理三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法。它通常用3-4个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力（3）下，施加轴向压力，即主应力差（1-3），进行剪切直到破坏；然后根据摩尔-库伦理论，求得抗剪强度参数。适用于测定细粒土及砂类土的总抗剪强度参数及有效抗剪强度参数。本次试验主题词：周围压力；轴向压力；不固结不排水剪；固结不排水剪；固结排水剪。二、仪器设备、三、操作步骤、四、成果整理、五、注意事项二、仪器设备1三轴压缩议：应变控制式，由周围压力系统、反压力系统、孔隙水压力量测系统和主机组成。三轴压缩仪示意图照片2附属设

25、备：包括击实器、饱和器、切土器、分样器、切土盘、承膜筒和对开圆模。 3天平：称量200g，感量0.019；称量1000g，感量0.1g。 4橡皮膜：应具有弹性，厚度应小于橡皮膜直径的1100，不得有漏气孔。 三、操作步骤试样的制备： （1）将制备成大于试样直径和高度的毛坯，放在切土器内用钢丝锯和修土刀，制备成所要求规格的试样（2）试样饱和一般采用真空抽气饱和法，将切好的试样装入饱和器后，先浸没在带有清水的真空饱和缸内，连续真空抽气2-4小时（粘土），然后停止抽气，静置12小时左右即可。 （3）原状试样制备，应将土切成圆柱形试样，试样两端应平整并垂直于试样轴，当试样侧面或端部有小石子或凹坑时，允

26、许用削下的余土修整，试样切削时应避免扰动，并取余土测定试样的含水量。 （4）扰动试样制备，应根据预定的干密度和含水量，在击实器内分层击实，粉质土宜为3一5层，粘质土宜为5一8层，各层土料数量应相等，各层接触面应刨毛。 （5）对于砂性土应先在压力室底座全依次放上不透水板，橡皮膜和对开圆膜。将砂料填入对开圆膜内，分三层按预定干密度击实。当制备饱和试样时，在对开圆膜内注入纯水至13高度，将煮沸的砂料分三层填入，达到预定高度。放上不透水板、试样帽，扎紧橡皮膜。对试样内部施加5KPa负压力使试样能站立，折除对开圆膜。 （6）对制备好的试样，应量测其直径和高度。 试样的安装： （1）检查压力管线，并连接管

27、线。（2）打开试样底座的开关，使量管里的水缓缓地流向底座，并依次放上透水石和滤纸，待气泡排除后，在放上试样，试样周围贴上滤纸条，关闭底座开关。（3）把已检查过的橡皮薄膜套在膜筒上，两端翻起，用吸球从气嘴中不断吸气，使橡皮膜帖于筒壁，小心将它套在土样外面，然后让气嘴放气，使橡皮膜紧帖试样周围，翻起橡皮膜两端，扎紧橡皮膜。（4）把土样装入压力室。（5）安装轴向位移传感器。试样排水固结步骤：1、施加周围压力；2、开孔隙水压力阀，测定孔隙水压力。开排水阀。当需测定排水过程时，测记排水管水面及孔隙水压力值，直至孔隙水压力消散95以上。固结完成后，关排水阀，测记排水管读数和孔隙水压力读数。试样剪切步骤：

28、1、关孔隙水压力阀，微调压力机升降台，使活塞与试样接触，此时轴向变形百分表的变化值为试样固结时的高度变化。2、将轴向测力计、轴向变形百分表及孔隙水压力读数均调整至零。选择剪切应变速率，进行剪切。粘质土每分钟应变为0.050.1；粉质土每分钟应变为0.10.5。 测记轴向压力、孔隙水压力和轴向变形。试验结束，关电动机和各阀门，开排气阀，排除压力室内的水，拆除试样，描述试样破坏形状。称试样质量并测定含水量。 3、破坏后的试样。可分为三种具体的方法：1固结不排水试验（点击观看动画演示）土样安装好后进行固结，在启动电动机开始剪切。剪切应变速率宜为每分钟应变0.51.0。试样每产生0.30.4的轴向应变，测计一次测力计读数和轴向变形值。当轴向应变大于3，每隔0.70.8的应变值测记一次读数。2不固结不排水试验（点击观看动画演示）土样安装好后不进行固结，直接启动电动机开始剪切。剪切应变速率宜为每分钟应变0.51.0。试样每产生0.30.4的轴向应变，测计一次测力计读数和轴向变形值。当轴向应变大于3，每隔0.70.8的应变值测记一次读数。3固结排水试验（点击观看动画演示）试样的安装、固结和剪切，与固结不排水试验的相应步骤相同，但在剪切过程中应打开排水阀，剪切速