土的物理性质实验

土的物理性质实验（实验性质：综合性实验）一、概述土是由岩石经过物理与化学风化作用后的产物，是有各种大小不同的土粒按各种不同的比例组成的集合体，土粒之间的孔隙中包含这水和气体，因此，土为固相、气相、液相组成的三相体系。由于空气易被压缩，水能从土体流出或流进，土的三相的相对比例会随时间和荷载条件的改变而改变，土的一系列性质也随之而改变。从物理的观点，定量地描述土的物理特性、土的物理状态、以及三相比例关系，即构成土的物理性质指标，包括土的三相比例指标、界限含水量、压缩性指标等。利用这些指标，可对土进行鉴别和分类，判定土的物理状态和评价土的压缩性。二、实验目的和要求1.测定并计算土的三相比例指标2.测定土的液塑限含水量3.计算土的塑性指数和液性指数4.测定土的压缩系数和压缩模量5．根据实验结果对实验土样进行分类，判断土样的物理状态评价土的压缩性。三、实验项目实验一、含水量实验土的含水量是指土在105～110℃的温度下烘至恒量时所失去的水分质量和达恒量后干土质量的比值，以百分数表示。含水量是土的基本物理性指标之一，它反映了土的干、湿状态。含水量的变化将使土物理力学性质发生一系列的变化，它可使土变成半固态、可塑状态或流动状态，可使土变成稍湿状态、很湿状态和饱和状态，也可造成土的压缩性和稳定性上的差异。含水量还是计算土的干密度、孔隙比、饱和度、液性指数等项指标不可缺少的依据，也是建筑物地基、路堤、土坝等施工质量控制的重要指标。（一）、实验方法及原理1．烘干法：是将试样放在能保持105～110℃的烘箱中烘至恒量的方法，是室内测定含水量的标准方法，一般粘性土都可以采用。2．酒精燃烧法：是将试样和酒精拌合，点燃酒精，随着酒精的燃烧使试样水分蒸发的方法。酒精燃烧法是快速简易且较准确测定细粒土含水量的一种方法，适用于没有烘箱或试样较少的情况。3．比重法：是通过测定湿土体积，估计土粒比重，从而间接计算土的含水量的方法。土体内气体能否充分排出，将直接影响到试验结果的精度，故比重法仅适用于砂类土。4．碳化钙气压法：是公路上快速简易测定土的含水量的法，其原理是将试样中的水分与碳化钙吸水剂发生化学反应，产生乙炔气体，其化学方程式为：CaC2+2H2O→Ca(OH)2+C2H2↑从以上的化学方程式可以看出，乙炔（C2H2）的数量与土中水分的数量有关，乙炔气体所产生的压力强度与土中水分的质量成正比，通过测定乙炔气体的压力强度，并与烘干法进行对比，从而可得出试样的含水量。由于用烘干法测定土的含水量，试验简便、结果稳定，目前中国多以此方法作为室内试验的标准方法。这里也只介绍烘干法。（二）、仪器设备烘干法测土的含水量需要下列仪器设备电热烘箱：温度能保持在105～110℃。天平：称量200g，感量0.01g；其它：干燥器、称量盒等。（三）、操作步骤（烘干法）1．取一个称量盒并记录盒号，然后用天平称取盒的质量m0。2．从土样中选取具有代表性的试样，粘性土为15—30g,砂性土、有机质土和整体状构造冻土为50g,放入称好质量的称量盒内，立即盖上盒盖，称盒加湿土的总质量m1。3．揭开盒盖，将试样和盒一起放入烘干箱内，在105～110℃恒温下烘至恒量。试样烘至恒量的时间，粘性土不得少于8h，砂性土不得少于6h。含有机质超过5%的土需在65～70℃的恒温下进行烘干。4．按规定时间烘干后，取出称量盒，立即盖好盒盖，置于干燥器内冷却至室温后，称取盒和干土的质量m2。5．本实验称量应准确至0.01克。（四）、成果整理按下式计算试样的含水量（精确至0.1%）式中：ω—含水量（％），准确至0.1%；m1—称量盒与湿土质量，克；m2—称量盒与干土质量，克；m0—称量盒质量，克。本试验需进行2次平行测定，并取两个含水量测值的算术平均值，允许平行差值应符合下表规定。含水率（%）小于1010—40大于40允许平行差值（%）0.51.02.0实验二、密度实验土的密度ρ是土质量密度的简称，指单位体积土样的质量，即土的总质量（m）与其体积（V）之比，是土的基本物理性质指标，单位为g/cm3或t/m3。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、孔隙度等指标的主要依据，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主要指标之一。当用国际单位制计算土的重力时，由土的质量产生的单位体积的重力称为土的重力密度，简称重度，其单位是kN/m3。重度由密度乘以重力加速度求得，即。土的密度一般情况下是指土的湿密度，相应的重度称为湿重度，除此以外还有土的干密度、饱和密度以及有效密度，相应的有干重度、饱和重度和有效重度。（一）、实验方法及原理1．环刀法：就是采用一定容积的环刀切取土样并称土样质量的方法，环刀内土的质量与环刀容积之比即为土的密度。环刀法操作简便且准确，在室内和野外均普遍采用，但环刀法仅适用于测定不含砾石颗粒的细粒土的密度。2．蜡封法：也称浮称法，其原理是依据阿基米德原理，即物体在水中失去的质量等于排开同体积水的质量，来测出土的体积，为考虑土体浸水后崩解、吸水等问题，在土体外涂一层蜡。特别适用于易破裂土和形状不规则的坚硬粘性土。3．灌水法：是在现场挖坑后灌水，由水的体积来量测试坑容积从而测定土的密度的方法。该方法适用于现场测定粗粒土和巨粒土的密度，特别是巨粒土的密度，从而为粗粒土和巨粒土提供施工现场检验密实度的手段。4．灌砂法：是首先在现场挖一个坑后，然后向试坑中灌入粒径为0.25~0.50mm的标准砂，由标准砂的质量和密度来测量试坑的容积，从而测定土的密度的方法，该方法主要用于现场测定粗粒土的密度。这里只介绍环刀法实验。（二）、仪器设备环刀法需要下列仪器设备（1）环刀：内径为61.8mm（面积30cm2）或79.8mm（面积50cm2），高度为20mm，壁厚1.5mm；（2）天平：称量200g，感量0.1g。（3）其它：切土刀、钢丝锯、凡士林等。（三）、操作步骤：1．首先取一个环刀并记录环刀上的编号，再把环刀放在在天平上称取它的质量m1。2．根据工程需要取原状土或所需湿度密度的扰动土样，其直径和高度应大于环刀的尺寸。切取原状土样时，应保持原来结构并使试样保持与天然土层受荷方向一致。3．先削平土样两端，然后在环刀内壁涂一薄层凡士林油，刀口向下放在土样上，用切土刀将土样削成略大于环刀直径的土柱，然后将环刀下压，边压边削，直至土样伸出环刀为止。4．根据试样的软硬程度，采用钢丝锯或切土刀将两端余土削去修平，并及时在两端盖上圆玻璃片，以免水分蒸发。注意修平土样时，不得用刮刀往复涂沫土样，以免土面孔隙堵塞。5．擦净环刀外壁，称环刀和土的质量m2，精确至0.1克。（四）、成果整理按下式分别计算土的湿密度和干密度式中：ρ—湿密度（g/cm3），精确至0.01g/cm3－干密度（g/cm3），精确至0.01g/cm3m－湿土质量（g）；m1—环刀质量(g)；m2—环刀质量加湿土质量（g）；V—环刀容积（cm3）。计算至0.01克/立方厘米。－含水量本实验应进行两次平行测定，两次测定的密度差值不得大于0.03g/cm3，并取其两次测值的算术平均值。实验三、液塑限实验粘性土的物理状态随着含水量的变化而变化，当含水量不同时，粘性土可分别处于流动状态、可塑状态、半固体状态和固体状态。粘性土从一种状态转到另一种状态的分界含水量称为界限含水量。土从可塑状态转到流动状态的界限含水量称为液限；土从可塑状态转到半固体状态的界限含水量称为塑限，土从半固体状态不断蒸发水分，则体积逐渐缩小，小到体积不再缩小时的界限含水量称为缩限。土的塑性指数是指液限与塑限的差值，由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素，因此，粘性土常按塑性指数进行分类。土的液性指数是指粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，液性指数可被用来表示粘性土所处的软硬状态，所以，土的界限含水量是计算土的塑性指数和液性指数不可缺少的指标，土的界限含水量还是估算地基土承载力等的一个重要依据。界限含水量试验要求土的颗粒粒径小于0.5mm，且有机质含量不超过5%，且宜采用天然含水量的试样，但也可采用风干试样，当试样中含有大于0.5mm的土粒或杂质时，应过0.5mm的筛。(一)、实验方法及原理1．液限实验（1）圆锥仪法：圆锥仪液限试验就是将质量为76g，锥角为30°且带有平衡装置的的圆锥仪，轻放在调配好的试样的表面，使其在自重的作用下沉入土中，若圆锥体经过5s恰好沉入土中10mm深度，此时试样的含水量就是液限。（2）碟式仪法：碟式仪液限试验就是将调配好的土膏放入土碟中，用开槽器分成两半，以每秒两次的速率将土碟由100mm高度下落，当土碟下落击数为25次时，两半土膏在碟底的合拢长度恰好达到13mm，此时试样的含水量即为液限。（3）液、塑限联合测定法：液塑限联合测定是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水量在双对数坐标上具有线性关系这一特性来进行的。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量时的圆锥入土深度，并绘制圆锥入土深度与含水量的关系直线图，在图上查得圆锥下沉深度为10mm（17mm）时所对应的含水量即为土样的液限，查得圆锥下沉深度为2mm时所对应的含水量即土样的为塑限。2．塑限实验（1）滚搓法：滚搓法塑限试验就是用手在毛玻璃板上滚搓土条，当土条直径搓成3mm时产生裂缝并开始断裂，此时试样的含水量即为塑限。（2）液、塑限联合测定法：同上。这里只介绍液、塑限联合测定法。（二）、仪器设备液塑限联合测定法测土的液、塑限需要下列仪器设备（1）液塑限联合测定仪，包括带标尺的圆锥仪、电磁铁、显示屏、控制开关和试样杯。图1所示为光电式液塑限联合测定仪，圆锥质量为76克，锥角为30º；读数显示为光电式；试样杯内径为40～50mm，高度为30～40mm。图1-1液塑限联合测定仪示意图显示屏2-电磁铁3-带标尺的圆锥仪4-试样杯5-控制开关6升降座图1-1液塑限联合测定仪示意图显示屏2-电磁铁3-带标尺的圆锥仪4-试样杯5-控制开关6升降座（3）烘箱、干燥器。（4）铝盒、调土刀、孔径0.5mm的筛、研钵、凡士林等。（三）、操作步骤1．原则上采用天然含水量试样，但也允许采用风干土样，当试样中含有大于0.5mm的土粒和杂物时应过0.5mm筛。2．当采用天然含水量土样时，取代表性土样250克；采用风干土样时，取过0.5mm筛的代表性试样250g，放入盛土皿中，用纯水调制成均匀膏状，然后放入密封的保湿缸中，静置24小时。3．将制备好的土膏用调土刀充分调拌均匀，分层密实地填入试样杯中，注意土中不能留有空隙，装满试杯后刮去余土使土样与杯口齐平，并将试样杯放在联合测定仪的升降座上。4．将圆锥仪擦拭干净，并在锥体上抹一薄层凡士林，然后接通电源，使电磁铁吸稳圆锥。5．调节屏幕准线，使初始读数为零。然后转动升降座，使试样杯徐徐上升，当圆锥尖刚好接触试样表面时，指示灯亮，圆锥在自重下沉入试样内，经5秒后立即测读显示在屏幕上的圆锥下沉深度。6．取下试样杯，挖出锥尖入土处的凡士林，取锥体附近不少于10g的试样，放入称量盒内，测定含水量。7．将剩余试样从试杯中全部挖出，在加水或吹干并调匀，重复以上试验步骤分别测定试样在不同含水量下的圆锥下沉深度和其相应的含水量。液塑限联合测定至少在三点以上，其圆锥入土深度宜分别控制在3~4mm，7~9mm和15~17mm。（四）、成果整理计算含水量：图1-2圆锥下沉深度与含水量关系曲线式中：图1-2圆锥下沉深度与含水量关系曲线－干土和称量盒质量（g）－湿土和称量盒质量（g）－称量盒质量（g）2．确定液限、塑限以含水量为横坐标，以圆锥入土深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制含水量与圆锥入土深度关系曲线，如图2所示。三点应在一条直线上，如图中A线。当三点不在一条直线上时，应通过高含水量的一点分别与其余两点连成两条直线，在圆锥下沉深度为2mm处分别查得相应的两个含水量，当两个含水量的差值小于2%时，应以该两点含水量的平均值（仍在圆锥下沉深度2mm处）与高含水量的点再连一直线，如图中B线。若两个含水量的差值大于或等于2%时，应重做试验。在圆锥下沉深度h与含水量w关系图上，查得圆锥下沉深度为17mm所对应的含水量为17mm液限；查得圆锥下沉深度为10mm所对应的含水量为10mm液限查得下沉深度为2mm所对应的含水量为塑限；取值以百分数表示，准确至0.1%。3．塑性指数计算塑性指数：式中：－塑性指数，精确至0.1%－液限（％）－塑限（％）4．液性指数计算液性指数：式中：－液性指数，精确至0.01－天然含水量（％）其余符号同上式实验四、固结（压缩）实验（一）、基本原理1．土的压缩性土在外荷载的作用下，其孔隙间的水和空气逐渐被挤出，土的骨架颗粒之间相互挤紧，封闭气泡的体积也将缩小，从而引起土层的压缩变形，土在外力作用下体积缩小的这种特性，称为土的压缩性。土的压缩性主要有两个特点：①土的压缩主要是由于土中孔隙体积的减少而引起的。对于饱和土而言，土是由固体颗粒和水组成的，在工程上一般的压力作用下（≤600kPa），固体颗粒和水本身体积压缩量都非常微小，可不予考虑，但由于土中的水具有流动性，在外力作用下会沿着土中孔隙排出，从而引起土的体积减少而发生压缩；②由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘性土来说是需要一定时间的，土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。2．土的压缩曲线及有关指标图1-3固结实验土样孔隙比的变化固结试验（亦称压缩试验）是研究土的压缩性的最基本的方法。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，然后将土样置于固结仪容器内，逐级施加荷载，测定试样在侧限与轴向排水条件下压缩变形，变形和压力的关系，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、压缩模量、体积压缩系数、压缩指数、回弹指数、竖向固结系数以及原状土的先期固结压力等。图1-3固结实验土样孔隙比的变化如图1-3所示，设土样的初始高度为H0，初始孔隙比为e0，在荷载荷载P作用下，土样稳定后的总压缩量为△H，假设土粒体积Vs=1，（不变），根据土的孔隙比的定义e=Vv/Vs，则受压前后土的孔隙体积Vv分别为e0和e，因为受压前后土粒体积不变，且土样横截面积不变，所有受压前后试样中土粒所占的高度不变，因此，根据荷载作用下土样压缩稳定后的总压缩量△H，即可得到相应的孔隙比e的计算公式：(1-1)于是有：(1-2)式中，，其中为土粒比重，为土样的初始含水量，为土样的初始密度，为水的密度。如此，根据式(1-2)各级荷载P下对应的孔隙比e，从而可绘制出土的e-P曲线及e-lgP曲线等。（1）e-P曲线及有关指标通常将由固结试验得到的e-P关系，采用普通直角坐标系绘制成如图所示的e-P曲线。①压缩系数图1-4土的压缩曲线从图1-4可以看出，由于软土的压缩性大，当发生压力变化△P时，则相应的孔隙比的变化△e也大，因而曲线就比较陡；反之，像密实砂土的压缩性小，当发生相同压力△P变化时，相应的孔隙比的变化△e就小，因而曲线比较平缓，因此，土的压缩性的大小可用e-P曲线斜率来反映。图1-4土的压缩曲线如图1-5所示，设压力由P1增加到P2，相应的孔隙比由e1增加到e2，当压力变化范围不大时，可将该压力范围的曲线用割线来代替，并用割线的斜率来表示土在这一段压力范围的压缩性，即：(1-3)式中，为土的压缩系数（Mpa-1）,压缩系数越大，土的压缩性愈高。图1-5由压缩曲线确定压缩指标从图1-5中还可以看出，压缩系数值与土所受的荷载大小有关。为了便于比较，一般采用压力间隔P1=100kPa至P2=200kPa时对应的压缩系数1-2l来评价土的压缩性。②压缩模量Es图1-6侧限条件下土样高度变化与孔隙比变化的关系由e-P曲线，还可以得到另一个重要的压缩指标――压缩模量，用Es来表示。其定义为土在完全侧限的条件下，竖向应力增量△P（从P1增至P2）与相应的应变增量Δε图1-6侧限条件下土样高度变化与孔隙比变化的关系(1-4)式中，Es为压缩模量（Mpa）。在无侧向变形，即横截面积保持不变的条件下，土样高度的变化△H可用相应的孔隙比的变化来表示：(1-5)得到(1-6)将式(1-6)代入式(1-5)得：(1-7)同压缩系数一样，压缩模量Es也不是常数，而是随着压力的变化而变化。显然，在压力小的时候，压缩系数大，压缩模量Es小；在压力大的时候，压缩系数小，压缩模量Es大。在工程上，一般用压力间隔P1=100kPa至P2=200kPa时对应的压缩模量Es1-2；也可根据实际竖向应力的大小，在压缩曲线上取相应的值计算压缩模量。2．土的回弹曲线和再压缩曲线当土体加压到某一荷载值P1(相应于图1-7a中曲线上的b点)后不再加压，逐级进行卸载直至零，并且测得各卸荷等级下土样回弹稳定后的高度，进而换算得到相应的孔隙比，即可绘制出卸荷阶段的关系曲线，如图中的bc曲线所示，称为回弹曲线（或膨胀曲线）。从图中还可以看出，回弹曲线不与初始加载的曲线ab重合，当卸载至零时，土样的孔隙比没有恢复到初始应力为零时的孔隙比e0。这就显示了土残留了一部分压缩变形，称之为残余变形，但也恢复了一部分压缩变形，称之为弹性变形。图1-7土的回弹—再压缩曲线若对土样重新逐级加压，则可得到土样各级荷载作用下再压缩稳定后的孔隙比，相应地可绘制出再压缩曲线，如图1-7a中的cdf曲线所示。可以发现其中的df段象是ab段的延续，犹如期间没有经过卸荷和再压缩的过程一样。3．e-lgP曲线及有关指标当采用半对数的直角坐标来绘制固结实验e-P关系时，就得到了e-lgP曲线（如图1-7b），可以看到，在压力较大部分，e-lgP关系接近直线，这是这种表示方法区别于e-lgP曲线的独特的优点。它通常用来整理有特殊要求的实验，如先期固结压力的确定，同样，图1-7a中的回弹再压缩曲线也可绘制成e-lgP曲线（如图1-7b）。（1）压缩指数和回弹指数将图1-5b中e-lgP曲线直线段的斜率用Cc来表示，称为是指数，无量纲，如下式所示：(1-8)压缩指数Cc与压缩系数不同，值随压力变化而变化，而Cc值在压力较大时为常数，不随压力变化而变化，Cc值越大，土的压缩性则越高。（2）先期固结压力土层历史上所曾经承受过的最大固结压力称为先期固结压力，也就是土体在固结过程中所受的最大有效应力，用PC来表示，先期固结压力是一个非常有用的量和概念，是了解土层应力历史的重要指标。通过先期固结压力PC与土层的自重应力（即自重作用下固结稳定的有效竖向应力）状态的比较，可将天然土层划分为正常固结土、超固结土和欠固结土三类固结状态，并用超固结比OCR=Pc/Po去判别：①如果土层的自重应力Po等于先期固结压力Pc，也就是说土自重应力就是该土层历史上受过的最大有效应力，这种土称为正常固结土，则OCR=1。②如果土层的自重应力Po小于先期固结压力Pc，也就是说该土层历史上受过的最大的有效压力大于自重应力，这种土称为超固结土，如覆盖的土层由于被剥蚀等原因，使得原来长期存在于土层中的竖向有效应力减小了，则OCR>1。③如果土层的先期固结压力Pc小于土层的自重应力Po，也就是说该土层在自重作用下的固结尚未完成，这种土称为欠固结土，如新近沉积粘性土、人工填土等，由于沉积的时间短，在自重作用下还没有完全固结，则OCR<1。（二）、实验方法1．标准固结试验：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，然后在侧限与轴向排水条件下测定土在不同荷载下的压缩变形，且试样在每级压力下的固结稳定时间均为24h。2．快速固结试验：规定试样在各级压力下的固结时间为1小时，仅在最后一级压力下除测记1小时的量表读数外，还应测读达压缩稳定时的量表读数。3．应变控制连续加荷固结试验：是试样在侧限和轴向排水条件下，采用应变速率控制方法在试样上连续加荷，并测定试样的固结量和固结速率以及底部孔隙水压力。这里只介绍标准固结试验。（三）、仪器设备1．杠杆加压式双联固结仪：包括固结容器（如图3所示）和加荷设备。2．百分表：量距10mm，精度0.01mm；3．天平：称量200g，感量0.01g；4．其它：秒表、环刀、切土刀、钢丝锯、烘干箱、铝盒、滤纸、圆玻璃片、凡士林等。（四）、操作步骤图1-8固结容器示意图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1．根据工程需要，选择面积为30cm2或50cm图1-8固结容器示意图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2．测定试样的密度并在余土中取代表性土样测定其含水量。对于需要饱和的试样，应按规范规定的方法将试样进行抽气饱和。3．在固结容器内依次放置透水石、护环、薄滤纸，将带有试样的环刀（刀口向下），小心装入护环内，然后在环刀上放置导环，在试样上放薄滤纸、透水石和加压盖板以及定向钢珠。4．将装有土样的固结容器置于加压框架下，对准加压框架的正中，调节杠杆的平衡，安装竖向变形量表，量表的位置应和定向钢珠上下对齐。5．施加1kPa的预压压力，使试样与仪器上下各部分之间接触良好，然后调整量表，使指针读数为零。6．根据工程需要确定加压等级、测定项目以及试验方法。加压等级一般为12.5、25.0、50.0、100、200、400、800、1600、3200kPa。第一级压力的大小视土的软硬程度，分别采用12.5kPa，25kPa或50kPa；最后一级压力应大于土层的自重应力与附加应力之和，或大于上覆土层的计算压力100~200kPa，但最大压力不应小于400kPa。7．当需要测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，最后一级压力应使测得的曲线下段出现直线段。对于超固结土，应采用卸压再加压方法来评价其再压缩特性。8．当需要做回弹试验时，回弹荷重可由超过自重应力或超过先期固结压力的下一级荷重依次卸压至25kPa，然后再依次加荷，一直加到最后一级荷重为止。卸压后的回弹稳定与加压相同，即每次卸压后24h测定试样的回弹量。但对于再加荷时间因考虑到固结已完成，稳定较快，因此可采用12h或更短的时间。9．如系饱和试样，则在施加第1级压力后，立即向固结仪容器的水槽中注水浸没试样。如系非饱和试样，则不必向水槽中注水，须用湿棉纱或湿海绵围住加压盖板四周，避免水分蒸发。10．当需要预估建筑物对于时间与沉降的关系，需要测定竖向固结系数，或对于层理构造明显的软土需测定水平向固结系数时，应在某一级荷重下测定时间与试样高度的变化关系。读数时间为6s，15s，1min，2.25min，4min，6.25min，9min，12.25min，16min，20.25min，25min，30.25min，36min，42.25min，49min，64min，100min，200min，400min，23h，24h，直至稳定为止。当测定时，需具备水平向固结的径向多孔环，环的内壁与土样之间应贴有滤纸。11．当不需要测定沉降速率时，则施加每级压力后24小时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，以试样每小时变形小于0.01mm为稳定标准，测记稳定读数后，再施加第2级压力。依次逐级加压至试验结束。12．实验结束后，应先排除固结容器内的水，迅速拆除仪器部件，取出带环刀的试样。（如系饱和试样，则用干滤纸吸去试样两端表面上的水），取出试样，测定试验后的密度和含水量。（五）．成果整理1．按下式计算试样的初始孔隙比(1-9)式中：—试样初始密度，g/cm3；—试样的初始含水量，%；－试样初始孔隙比；－土粒比重；－水的密度，g/cm3。按下式计算各级压力下固结稳定后的孔隙比(1-10)式中：－某级压力下的孔隙比；—某级压力下试样高度变化，即总变形量减去仪器变形量，mm；h0——试样初始高度，mm；－试样初始孔隙比；3．绘制e～p的关系曲线以孔隙比e为纵坐标，以压力p为横坐标，将试验成果点在图上，连成一条光滑曲线，即压缩曲线，如图1-5所示。按下式计算某一级压力范围内的压缩系数和压缩模量（1-11）(1-12)(1-13)式中：－某一压力范围内的压缩系数(Mpa-1)－某级压力（kpa）－某一压力范围内的压缩模量(Mpa)－体积压缩系数（Mpa-1）四、思考题1．土的三相比例指标中有，那些指标是直接测定的？其余指标的导出思路主要是什么？2．说明土的土的天然重度、饱和重度、有效重度和干重度的物理概念和相互关系，比较同一种土各数值的大小。3．塑性指数的定义和物理意义是什么，塑性指数的大小与土颗粒的粗细有何关系？4．压缩系数和压缩指数的物理意义是什么？五、实验报告此报告格式仅供参考，同学可以参照此原则自定报告形式。在实验报告的最后部分，同学要综合所学知识及实验所得结论认真回答思考题并可以提出自己的见解、讨论及存在的问题。实验目的：实验设备实验记录及成果分析（1）含水量实验记录土样编号称量盒号盒质量盒与湿土质量（g）盒与干土质量(g)水质量(g)干土质量(g)含水量%平均含水量%（2）密度实验记录环刀号环刀+土质量（g）环刀质量(g)湿土质量(g)环刀容积(cm3)湿密度(g/cm3)平均湿密度(g/cm3)(3)计算土的其它三相比例指标（土粒比重Gs=）（4）液塑限实验记录试样编号圆锥下沉深度(mm)称量盒号盒质量（g）盒与湿土质量（g）盒与干土质量(g)水质量(g)干土质量(g)含水量（%）WL=WP=(5)计算土的塑性指数和液性指数，根据塑性指数对实验土样进行分类定名。（6）压缩实验记录试样的密度=土粒比重Gs=初始含水量w=试样初试高度H=初始孔隙比e0=加压历时(h)压力(kPa)试样变形量(mm)压缩后试样高度(mm)孔隙比压缩系数压缩模量PSh（7）绘制e-P曲线，计算100-200kPa的压缩系数，评价土的压缩性。实验五渗透实验（实验性质：综合性实验）土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象，称为土的渗透性。在工程中常需要土的渗透性，例如基坑开挖排水时，需要了解土的渗透性，以配置合适的排水设备；在河滩上修筑渗水路堤时，需要考虑路堤填料的渗透性；在计算饱和粘性土上建筑物的沉降和时间的关系时，也需要掌握土的渗透性。一、渗流模型图2-1渗流模型a)水在孔隙中的运动轨迹；b)理想化的渗流模型图2-1渗流模型a)水在孔隙中的运动轨迹；b)理想化的渗流模型（1）在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；（2）在任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；（3）在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。有了渗流模型，就可以采用液体运动的有关概念和理论对土体渗流问题进行分析计算。再分析一下渗流模型与真实渗流中的流速(单位时间内通过单位土截面的水量，m/s)之间的关系。在渗流模型中，设有过水断面积为A（m2）,通过的渗流量为q（单位时间内流过截面积为A的水量，m3/s）,则渗流模型的平均流速为：(2-1)真实渗流仅发生在相应于断面A中所包含的孔隙面积ΔA内，真实流速为：(2-2)于是(2-3)式中：n为土体的孔隙率。因为孔隙率n<1.0，所所以，，即模型的平均流速要小于真实流速。由于真实流速很难测定，因此，工程上还是采用模型的平均流速v较为方便，一般情况下，如果没有特别说明，所说的流速均指模型的平均流速。二、土的层流渗透定律――达西定律若土中孔隙水在压力梯度下发生渗流，如图2-2所示。对于土中a、b两点，已经测得a点的水头为H1，b点的水头为H2，水自高水头的a点流向低水头的b点，水流流径长度为l。由于土的孔隙较小，在大多数情况下水在孔隙中的渗流速度较小水在土的孔隙中流动时，大多数情况下流速较小，可以认为属于层流（即水流流线相互平行的流动）。则渗透速度与水力坡降成正比。当水力坡降为1时的渗透速度称为土的渗透系数。对于饱和土的渗透现象常用达西定律来表示。即(2-4)或(2-5)式中:—渗透速度（m/s）—水力坡度.即沿着水流方向单位长度上的水头差—渗透系数（m/s）－渗透流量（m3/s），即单位时间内流过土截面积F的流量。由于达西定律只适用于层流的情况，故达西定律一般只适用于中砂、细砂、粉砂等。对于粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土就不适合，因为这时水的渗流速度较大，已不再是层流而是紊流了。粘性土中的渗流规律也不完全符合达西定律，因此需进行修正。在粘土中，土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到分子引力作用而呈现粘滞性。因此，粘土中自由水的渗流受到结合水的粘滞作用产生很大阻力，只有克服结合水的抗剪强度后才能开始渗流。克服此抗剪强度所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度I0。这样，在粘土中，应按下述修正后的达西定律计算渗流速度：(2-6)图2-3绘出了砂土与粘性土的砂土规律。直线表示砂土的关系，它是通过原点的一条直线。粘土的关系是曲线b（图中虚线所示），d点粘土的起始水头梯度，当土中水头梯度超过此值后水才开始渗流。一般常用折线c（图中oef线）代替曲线b，即认为e点是粘土的起始水头梯度I，其渗流规律用式（2-6）表示。图2-2水在土中的渗流图2-3砂土和粘土的渗透规律三、土的渗透系数图2-4常水头渗透试验示意图渗透系数k是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对于渗透计算有着非常重要的意义，渗透系数可以通过常水头或变水头渗透实验进行测定。图2-4常水头渗透试验示意图常水头渗透系数及计算公式常水头渗透实验装置如图2-4所示。在圆柱形实验筒内装置土样，土的截面积为F（即实验筒截面积），在整个实验过程中土样的压力水头维持不变。在土样中选择两点a、b，两点的距离为，分别在两点设置测压管。实验开始时，水自上而下流经土样，待渗流稳定后，测得在时间t内通过土样的流量Q，同时测得a、b两点测压管的水头差为。则从式可得：由此得土样的渗透系数k的计算公式为：（2-7）变水头渗透系数及计算公式变水头渗透实验装置示意图如图2-5所示。在实验筒内装置土样，土样的截面积为F，高度为。试样筒上设置储水管，储水管截面积为，在实验过程中储水管的水头不断减小。若实验开始时，储水管水头为h1，经过时间t后降为h2。在时间dt内水头降低了-dh，在在dt时间内通过土样的流量为：图2-5变水头渗透试验示意图图2-5变水头渗透试验示意图又从式2-5知故得积分后得由此求得渗透系数(2-8)或(2-9)成层土的渗透系数，若已知每层土的渗透系数，则成层土的渗透系数可用下述方法计算。图2-6表示土层由两层组成，两层土的渗透系数分别为k1、k2,厚度分别为h1和h2。考虑水平渗流时（水流方向与土层平行），如图2-6a所示。因为各层土层的水头梯度相同，总的流量等于各土层流量之和，总的截面积等于各土层截面积之和，即因此，土层水平流向的平均渗透系数kh为：（2-10）图2-6成层土的渗透系数考虑竖直向渗流时（水流方向与土层垂直），如图2-6b所示。则总的渗流等于每一土层的流量，总的截面积与每次土的截面积相同，总的水头损失等于每一层的水头损失之和。即由此得土层竖向的平均渗透系数kv为：（2-11）（四）影响土的渗透系数的因素影响土的渗透性的因素主要有以下几种：土的粒度成分及矿物成分土的颗粒大小、形状及级配，影响土中孔隙大小及形状，因而影响土的渗透性。土的颗粒越粗、越浑圆、越均匀时，渗透性就越大。砂土中含有较多粉土及粘土颗粒时，其渗透性就大大降低。土的矿物成分对于卵石，砂土和粉土的渗透性影响不大，但对于粘土的渗透性影响较大。粘性土中含有亲水性较大的粘土矿物（如蒙脱石）或有机质时，由于它们具有很大的膨胀性，就大大降低土的渗透性。含有大量有机质的淤泥几乎是不透水的。2．结合水膜的厚度粘性土中若土粒的结合水膜厚度较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。如钠粘土，由于钠离子的存在，使粘土颗粒的扩散层厚度增加，所以透水性很低。又如在粘土中加入高价离子的电解质（如Al、Fe等），会使土粒扩散层厚度减薄，粘土颗粒会凝聚成粒团，土的孔隙因而增大，这也将使土的渗透性增大。3．土的结构构造天然土层通常不是各向同性的，在渗透性方面往往也是如此。如黄土具有竖直方向的大孔隙，所以竖直方向的渗透系数要比水平方向大得多。层状粘土常夹有薄的粉砂层，它的水平方向的渗透系数要比竖直方向大得多。4．水的粘滞度水在土中的渗流速度与水的密度及粘滞层有关，而这两个数值又与温度有关。一般水的密度随温度变化很小，可略去不计，但水的动力粘滞层系数随温度变化而变化。故室内渗透实验时，同一种土在不同温度下会得到不同的渗透系数。在天然土层中，除了靠近地表的土层外，一般土中的温度变化很小，故可忽略温度的影响。但是室内试验的温度变化较大，故应考虑它对渗透系数的影响。目前常以水温为20℃时的k20作为标准值，在其他温度测定的渗透系数可按式（2-10）进行修正：(2-12)式中，分别为t℃时及20℃时水的动力粘滞系数（kPa•s）5．土中气体当土孔隙中存在封闭气泡是，会阻塞水的渗流，从而降低土的渗透性。这种封闭气泡有时是由溶解于水中的气体分离出来而形成的，故室内渗透试验有时规定要用不含溶解空气的蒸馏水。四、实验方法图2-6常水头渗透实验装置（70）1－封底金属圆筒；2－金属孔板；3－测压孔；4－玻璃测压管；5－溢水孔；6－渗水孔；7－调节管；8－滑动支架；9－供水瓶；10－供水管；11－止水夹；12－量筒；13－温度计；14－试样；15－砾石层渗透实验可分为常水头渗透实验和变水头渗透实验两种方法，土的渗透系数变化范围很大，可从10-1cm/s变化到10-8图2-6常水头渗透实验装置（70）1－封底金属圆筒；2－金属孔板；3－测压孔；4－玻璃测压管；5－溢水孔；6－渗水孔；7－调节管；8－滑动支架；9－供水瓶；10－供水管；11－止水夹；12－量筒；13－温度计；14－试样；15－砾石层常水头渗透实验常水头渗透实验是指通过土样的渗流在越大的水头差影响下进行的1．实验设备（1）70型渗透议，见图2-6；包括：有底金属圆筒（高40cm,直径10cm）金属网格（防在距筒底5～10cm处）；测压孔3个，其中心距为10cm，与筒壁连接处装有筛布；玻璃测压管，用橡皮管与测压管相连，固定于一直立木板上，旁有毫米尺，作测记水头之用，三管的零点应齐平。（2）容积5000mL的供水瓶；（3）容积500mL的量杯；（4）秒表（5）刻度0～50℃、精度0.5℃的温度计；（6）木制或金属制的击棒（7）其他，橡皮管、管夹、支架等。2．操作步骤（1）将仪器按图装置好后，将调节管7与供水管9连通，使水流入仪器底部直至与网格齐平为止，然后管夹管11。（2）称取具有代表性的土样3～4kg，准确至1g；并测定土样的风干含水量，将风干试样装入金属圆筒的网格上，每层后2～3cm，用击棒轻轻捣实，并使其达到一定厚度，以控制其孔隙比。若砂样中粘土颗粒较多，装试样前应在网格上加铺厚约2cm的粗砂，作为缓冲层，以防细颗粒被冲走。（3）每层试样装好后，缓缓开启管夹10，使水由仪器底部向上渗入，并使试管逐渐饱和，水流需缓慢，以棉冲走土样，且水面不得高出砂面，待试样饱和后，关上管夹10，同时注意测压管中水面情况及管子弯曲部分有无气泡。在管子弯曲部分如有气泡，须挤压连接测压孔及测压管的橡皮管，并用橡皮吸球在测压管上部连续抽吸，以除去管中空气。（4）如此连续分层装试样并饱和，直至试样表面较上测压孔高出3～4cm为止，同时检查三根测压管的水头是否齐平。量测试样面至筒顶的剩余高度，并于网络（或缓冲层顶面）至筒顶的高度相减，可得剩余高度h，称剩余试样的质量，精确的0.1g，计算所装试样总质量，并在试样上部填厚约2cm砾石层，放水至水面高出砾石面2~3cm时关上管夹10。（5）将调节管在支架上移动使其管口高于溢水孔5。关管夹10并将供水管9与调节管7分开，置于圆筒上部。开管夹10，使水由顶部注入仪器，至水面与溢水孔5齐平为止。多余的水则由溢水孔5溢出，以保持水头恒定。（6）检查测压管水头是否齐平，如不齐平，即表示仪有器漏水或集气现象，应检查校正。（7）测压管及管路校正无误后，即可开始进行实验。降低调节管7的管口，使其位于试样上部1/3高度处，使仪器中产生水头差，使水渗过试样，经调节管流出，此时圆筒中水面保持不变。（8）当测压管水头稳定后，测得测压管水头，并计算测压管Ⅰ、Ⅱ间的水头差及测压管Ⅱ、Ⅲ间的水头差。（9）开动秒表，同时用量筒接取调节管7经一定时间的渗透水量，并重复一次注意调节管口不可没入水中。（10）测记进水与出水处的水温，取其平均值。（11）降低调节管7管口至试样中部及下部1/3高度处，以改变水力坡度，按步骤（7）～（10）重复进行实验。3．成果整理（1）按式2-13～式2-15计算试样的干密度和孔隙比：式中－风干试样总质量（g）－风干含水量(%)-试样干密度（g/cm3） －试样高度（cm）－试样断面积（cm2）－试样孔隙比-土粒比重（2）按式2-16计算常水头渗透系数：(2-16)式中－水温T℃时试样的渗透系数（cm/s）－时间t秒内的渗透水量－两测压孔中心间的试样长度（cm）－平均水头差（cm）－试样断面积（cm2）－时间（s）（3）按式2-17计算水温为20℃时的渗透系数：(2-17)式中－水温20℃时试样的渗透系数（cm/s）－水温为T℃时试样的渗透系数（cm/s）－T℃时水的动力粘滞系数（kPa.s）－20℃时水的动力粘滞系数(kPa.s)，比值与温度的关系可由表2-1查得。（4）在计算所得到的渗透系数中，取3～4个在允许差值范围内的数据，并求其平均值，作为试样在该孔隙比e下的渗透系数，渗透系数的允许差值不大于2×10-ncm/s。表2-1水的动力粘滞系数、粘滞系数比、温度校正值温度(℃)动力粘滞系数(kPa•s×10-6)温度校正值温度(℃)动力粘滞系数(kPa•s×10-6)温度校正值5.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.010.511.011.512.012.513.013.514.014.515.015.516.016.517.01.5161.4981.4701.4491.4281.4071.3871.3671.3471.3281.3101.2921.2741.2561.2391.2231.2061.1181.1751.1601.1441.1301.1151.1011.0881.5011.4781.4551.4351.4241.3931.3731.3531.3341.3151.2971.2791.2611.2431.2271.2111.1941.1761.1681.1481.1331.1191.1041.0901.0771.171.191.211.231.251.271.281.301.321.341.361.381.401.421.441.461.481.501.521.541.561.581.601.621.6417.518.018.519.019.520.020.521.021.522.022.523.024.025.026.027.028.029.030.031.032.033.034.035.01.0741.0611.0481.0351.0221.0100.9980.9860.9740.9680.9520.9410.9190.8990.8790.8590.8410.8230.8060.7890.7730.7570.7420.7271.0661.0501.0381.0251.0121.0000.9880.9760.9640.9580.9430.9320.9100.8900.8700.8500.8330.8150.7980.7810.7650.7500.7350.7201.661.681.701.721.741.761.781.801.831.851.871.891.941.982.032.072.122.162.212.252.302.342.392.43（5）当进行不同孔隙比下的渗透实验时，应以孔隙比为纵坐标，渗透系数的对数为横坐标，绘制孔隙比与渗透系数的关系曲线。（二）变水头渗透实验变水头渗透实验是指通过土样的渗流在变化的水头压力影响下进行的渗透实验。1．实验设备（1）55型渗透仪；见图2-8，由环刀、透水石、套筒、上盖和下盖组成。环刀内径61.8mm，高40mm，透水石的渗透系数应大于10×-3cm/s；（2）变水头装置，由变水头管，供水瓶，进水管等组成，要求变水头管内径均匀且不大于1厘米，管外有精度1.00mm的刻度；（3）削土刀、凡士林、秒表、温度计等。图2-8变水头渗透实验装置图2-9渗透容器图1-变水头管；2-渗透容器；3-供水瓶1-套筒；2-上盖；3-下盖；4-进水管；5-出水管4-接水源；5-止水夹；6-排水管；7-出水管6-排水管；7-橡皮圈；8-螺栓；9-环刀；10-透水石2．操作步骤（1）据工程需要用环刀切取原状土或制备一定密度的扰动土样。切取土样时要细心地将环刀垂直切入土样，修平土样两端，修平时不得用刀反复涂抹，以免堵塞孔隙或受压。（2）在环刀外壁涂上一薄层凡士林油，然后将装有试样的环刀慢慢推入渗透仪套筒内，刮出多余的凡士林油。（3）在渗透仪套筒内依次放入滤纸、透水石和止水垫圈，最后装上仪器上盖，并将螺丝杆拧紧，要求密封至不漏水不漏气。对不易透水的试样需进行抽气饱和；对饱和试样和较易透水的试样，可直接用变水头装置的水头进行试样饱和。（4）将仪器下端的进水口与变水头装置中的进水管连接，使水流入渗透仪内。打开排气管夹，并将渗透仪侧立，使排气管向上，当排气管流出的水不带气泡时，将排气管关闭，平放好渗透仪，使水由下而上地饱和试样。当排水管有水流出时，认为试样已达饱和。这时即可开始测定。（5）使测压管充水至需要的高度，切断测压管和供水瓶的连接。随即开动秒表，记录水头h1及时间t1经过时间t后，再测记水头h2及时间t2，并测记出水口的水温，如此再经相等的时间，重复测记二次。注意每次测定的水头差（h1-h2）应大于10厘米。（7）变换水头高度，以改变其水力坡度，并重复步骤5～6进行多次平行测定。3．成果整理（1）计算土的渗透系数（2-18）式中－水温为T℃时土样的渗透系数（cm/s）－变水头管的断面积（cm2）－试样的断面积（cm2）－渗径，即试样的高度（cm）－测压管中开始时的水头（cm）－测压管中终止时的水头（cm）－测压管的水头由降至经过的时间（s）（2）计算温度为20℃时的渗透系数(2-19)式中－水温为20℃时土样的渗透系数（cm/s）－T℃时水的动力粘滞系数（kPa•s）－20℃时水的动力粘滞系数（kPa•s）五、思考题影响土的渗透能力的因素有那些？何为渗透模型、渗透理论定义的流速通常指什么流速？它与真实流速间有什么关系？达西定律的应用条件是什么？六、实验报告此报告格式仅供参考，同学可以参照此原则自定报告形式。在实验报告的最后部分，同学要综合所学知识及实验所得结论，认真回答思考题并可以提出自己的见解、讨论及存在的问题。实验目的：实验设备实验记录及成果分析常水头渗透实验记录试样高度h=cm试样面积A=cm2测压孔间距L=cm干土质量md=g土粒比重GS=孔隙比e=经过时间(s)测压管水位(cm)水位差水力坡度I渗透水量Q(cm3)渗透系数kT(cm/s)水温(℃)校正系数水温20℃时的渗透系数k20(cm/s)平均渗透系数k20(cm/s)ⅠⅡⅢH1H2平均变水头渗透实验记录试样高度L=cm试样面积A=cm2测压管面积a=cm2开始时间t1(s)终了时间t2(s)经过时间t(s)开始水头h1(cm)终了水头h2(cm)水温T℃时的渗透系数KT(cm/s)水温℃校正系数渗透系数K10(cm/s)平均渗透系数K10(cm/s)s渗透实验实验目的：掌握土的层流渗透定律――达西定律。了解土的渗透系数的测定方法及各方法的适用性。了解影响土的渗透性的主要因素。用变水头实验测定粘性土样的渗透系数。实验报告：达西定律变水头渗透实验渗透系数计算公式变水头渗透实验记录表思考题实验六直接剪切实验（实验性质：验证性实验）一、概述土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力方向产生相对滑动，该点便产生剪切破坏。土体发生剪切破坏时，将沿着其内部某一曲面产生相对滑动，而该滑动面上的剪应力就对等于土的抗剪强度。法国的库仑根据试验结果提出了土的抗剪强度表达式，即库仑定律：式中－土的抗剪强度（kPa）；－剪切滑动面上的法向应力（kPa）；－土的粘聚力（kPa）；－土的内摩擦角（°）直接剪切实验就是直接对土样进行剪切的实验，简称直剪实验，是测定土的抗剪强度的一种常用方法。通常采用4个试样，分别在不同的垂直压力p下，施加水平剪切力进行剪切，测得剪切破坏时的剪应力τ。然后根据库仑定律确定土的抗剪强度指标：内摩擦角和粘聚力c。二、实验方法1．快剪实验：在试样上施加垂直压力后立即以每分钟0.8mm的剪切速率快速施加水平剪应力，直至破坏，一般在3～5min内完成，适用于渗透系数小于10-6cm/s的细粒土。这种方法将使粒间的有效应力维持原状，不受适用外力的影响，但由于这种粒间有效应力的数值无法求得，所以试验结果只能求得（）混合值。适用于测定粘性土天然强度，但角偏大。2．固结快剪实验：在试样上施加垂直压力，待试样排水固结稳定后，再以每分钟0.8mm的剪切速率施加剪力，直至剪坏，一般在3～5min内完成，适用于渗透系数小于10-6cm/s的细粒土。由于时间短促，剪力所产生的超静水压力不会转化为粒间的有效应力，用几个土样在不同垂直压力下进行固结快剪，便能求得抗剪强度参数和值，这种，和值称为总应力法抗剪强度参数。3．慢剪实验：在试样上施加垂直压力，待试样排水固结稳定后，再以小于每分钟0.02mm的剪切速率施加水平剪应力，在施加剪应力的过程中，使土样内始终不产生孔隙水压力，用几个土样在不同垂直压力下进行剪切，将得到有效应力抗剪强度参数和值，但历时较长，剪切破坏时间可按下式估算式中：－达到破坏所经历的时间；－固结度达到50%所经历的时间。三、仪器设备1．应变控制式直剪仪：如下图所示，剪切盒、垂直加压框架、剪力传动装置、测力计以及位移量测系统等组成。2．位移计（百分表）：量程5~10mm,分度值0.01mm；3．环刀。内径6.18cm，高2.0cm。4．其他。天平、削土刀、饱和器、滤纸、润滑油等。图3-1应变控制式直剪仪1-垂直变形量表；2-垂直加荷框架；3-推动座；4-试样；5-剪切容器；6-量力环四、操作步骤（粘性土）1．试样制备：从原状土样中切取原状土试样或制备给定干密度和含水量的扰动土试样。按规范规定，测定试样的密度及含水量。对于扰动土样需要饱和时，按规范规定的方法进行抽气饱和。2．对准上下盒，插入固定销。在下盒内放湿滤纸和透水板。将装有试样的环刀平口向下，对准剪切盒口，在试样顶面放湿滤纸和透水板，然后将试样徐徐推入剪切盒内，移去环刀。转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触。调整测力计读数为零。依次加上加压盖板、钢珠、加压框架，安装垂直位移计，测记起始读数。3．施加垂直压力：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，其他垂直压力均小于p。但垂直压力的各级差值要大致相等。也可以取垂直压力分别为100、200、300、400kPa各级垂直压力可一次轻轻施加，若土质软弱，也可以分级施加以防试样挤出。4．如系饱和试样，则在施加垂直压力5min后，往剪切盒水槽内注满水；如系非饱和试样，仅在活塞周围包以湿棉花，以防止水分蒸发。5．在试样上施加规定的垂直压力后，测记垂直变形读数。当每小时垂直变形读数变化不超过0.005mm,认为以达到固结稳定。6．试样达到固结稳定后，拔去固定销，开动秒表，以0.8~1.2mm/min的速率剪切（每分钟4~6转的均匀速度旋转手轮），使试样在3~5min剪损。剪损的标准：①当测力计的读数达到稳定，或有明显后退表示试样剪损；②一般宜剪切至剪切变形达到4mm；③若测力计的读数继续增加，则剪切变形达到6mm为止。7．剪切结束后，吸去剪切盒中积水，倒转手轮，尽快移去垂直压力、框架、钢珠、加压盖板等。取出试样，测定剪切面附近的含水量。五、成果整理1．计算：按下式计算每个试样的剪应力式中：－试样所受的剪应力（kPa）K—测力计率定系数，kPa/0.01mm；R—测力计读数，0.01mm；2．制图：①以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力τ与剪切位移Δl关系曲线（图3-2）；取曲线上剪应力的峰值为抗剪强度，无峰值时，取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度。图3-2剪应力与剪切位移关系曲线图3-3抗剪强度与垂直压力关系曲线②以抗剪强度τf为纵坐标，垂直压力p为横坐标，绘制抗剪强度τf与垂直压力p的关系曲线（图3-3）。直线的倾角为土的内摩擦角，直线在纵坐标上的截距为土的粘聚力六、实验报告此报告格式仅供参考，同学可以参照此原则自定报告形式。在实验报告的最后部分，同学要综合所学知识及实验所得结论认真回答思考题并可以提出自己的见解、讨论及存在的问题。实验目的：实验设备实验记录及成果分析(1)直剪实验记录（一）试验方法：剪切速率：测力计率定系数K=kPa/0.01mm手轮每转进程Δs=手轮转数n剪切位移（0.01mm）垂直压力（kPa）100200300百分表读数R（0.01mm）剪应力(kPa)百分表读数R（0.01mm）剪应力(kPa)百分表读数R（0.01mm）剪应力(kPa)①②③④=k×③⑤⑥＝k×⑤⑦⑧＝k×⑦（2）直剪实验记录（二）垂直压力P(kPa)测力计系数K(kPa/0.01mm)破坏时测力计读数Rf抗剪强度f100200300（3）抗剪强度与垂直压力关系曲线（4）确定试样的抗剪确定参数。实验七三轴压缩实验（实验性质：综合性实验）一、概述1910年摩尔（Mohr）提出材料的破坏是剪切破坏，并指出在破坏面上的剪应力是为该面上法向应力的函数，即这个函数在坐标中是一条曲线，称为摩尔包线，如图4-1实线所示。摩尔包线表示材料受到不同应力作用达到极限状态时，滑动面上法向应力与剪应力的关系。土的摩尔包线通常可以近似地用直线表示，如图4-1虚线所示，该直线方程就是库仑定律所表示的方程（）。由库仑公式表示摩尔包线的土体强度理论可称为摩尔－库仑强度理论。图4-1摩尔包线当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏，该点也即处于极限平衡状态。根据材料力学，设某一土体单元上作用着的大、小主应力分别为和，则在土体内与大主应力作用面成任意角的平面上的正应力和剪应力，可用坐标系中直径为的摩尔应力圆上的一点（逆时针旋转2,如图4-2中之A点）的坐标大小来表示，即将抗剪强度包线与摩尔应力画在同一张坐标纸上，如图4-3所示。它们之间的关系可以有三种情况：①整个摩尔应力圆位于抗剪强度包线的下方（圆Ⅰ），说明通过该点的任意平面上的剪应力都小于土的抗剪强度，因此不会发生剪切破坏；②摩尔压力圆与抗剪强度包线相割（圆Ⅲ），表明该点某些平面上的剪应力已超过了土的抗剪强度，事实上该应力圆所代表的应力状态是不存在的；③摩尔应力圆与抗剪强度包线相切（圆Ⅱ），切点为A点，说明在A点所代表的平面上，剪应力正好等于土的抗剪强度，即该点处于极限平衡状态，圆Ⅱ称为极限应力圆。图4-2用摩尔圆表示的土体中任意点的应力图4-3摩尔圆与抗剪强度包线之间的关系三轴压缩实验（亦称三轴剪切实验）是以摩尔－库仑强度理论为依据而设计的三轴向加压的剪力试验，试样在某一固定周围压力下，逐渐增大轴向压力，直至试样破坏，据此可作出一个极限应力圆。用同一种土样的3～4个试件分别在不同的周围压力下进行实验，可得一组极限应力圆，如图4-4中的圆Ⅰ、圆Ⅱ和圆Ⅲ。作出这些极限应力圆的公切线，即为该土样的抗剪强度包络线，由此便可求得土样的抗剪强度指标。三轴压缩实验是测定土体抗剪强度的一种比较完善的室内实验方法，可以严格控制排水条件，可以测量土体内的孔隙水压力，另外，试样中的应力状态也比较明确，试样破坏时的破裂面是在最薄弱处，而不像直剪试验那样限定在上下盒之间，同时三轴压缩试验还可以模拟建筑物和建筑物地基的特点以及根据设计施工的不同要求确定试验方法，因此对于特殊建筑物（构筑物）、高层建筑、重型厂房、深层地基、海洋工程、道路桥梁和交通航务等工程有特别重要的意义。二、实验方法根据土样固结排水条件和剪切时的排水条件，三轴试验可分为不固结不排水剪实验（UU）、固结不排水剪实验（CU）、固结排水剪实验（CD）以及Ko固结三轴实验等。1．不固结不排水剪实验（UU）试样在施加周围应力和随后施加偏应力直至破坏的整个试验过程中都不允许排水，这样从开始加压直至试样剪坏，土中的含水量始终保持不变，孔隙水压力也不可能消散，可以测得总应力抗剪强度指标，。2．固结不排水剪实验（CU）试样在施加周围压力时，允许试样充分排水，待固结稳定后，再在不排水的条件下施加轴向压力，直至试样剪切破坏，同时在受剪过程中，测得土体的孔隙水压力，可以测得总应力抗剪强度强度指标，和有效应力抗剪强度指标，。3．固结排水剪实验（CD）试样先在周围压力下排水固结，然后允许试样在充分排水的条件下增加轴向压力直至破坏，同时在试验过程中测读排水量以计算试样的体积变化，可以测得有效应力抗剪强度指标，。4．Ko固结三轴实验常规三轴试验是在等向固结压力（）条件下排水固结，而K0固结三轴试验是按施加周围压力，使试样在不等向压力下固结排水，然后再进行不排水剪或排水剪试验。三、实验设备1．三轴仪三轴仪根据施加轴向荷载方式的不同，可以分为应变控制式和应力控制式两种，目前室内三轴试验基本上采用的是应变控制式三轴仪。图4-4应变控制式三轴仪1-调压筒；2-周围压力表；3-周围压力阀；4-排水阀；5-体变管；6-排水管；7-变形量表；8-量力环；9-排气孔；10-轴向加压设备；11-压力室；12-量管阀；13-零位指示器；14-孔隙压力表；15-量管；16-孔隙压力阀；17-离合器；18-手轮；19-马达；20-变速箱应变控制式三轴仪由以下几部分组成（如图4-5）：（1）三轴压力室。压力室是三轴仪的主要组成部分，它是由一个金属上盖、底座以及透明有机玻璃筒组成的密闭容器，压力室底座通常有3个小孔分别与围压系统、体积变形以及孔隙水压力量测系统相连。（2）轴向加荷系统。采用电动机带动多级变速的齿轮箱，或者采用可控硅无级变速，并通过传动系统使压力室自下而上的移动，从而使试样承受轴向压力，其加荷速率可根据土样性质和试验方法确定。（3）轴向压力测量系统。施加于试样上的轴向压力由测力计量测，测力计由线性和重复性较好的金属弹性体组成，测力计的受压变形由百分表或位移传感器测读。（4）周围压力稳压系统。采用调压阀控制，调压阀控制到某一固定压力后，它将压力室的压力进行自动补偿而达到稳定的周围压力。（5）孔隙水压力量测系统。孔隙水压力由孔压传感器测得。（6）轴向变形量测系统。轴向变形长距离百分表（0~30mm百分表）或位移传感器测得。图4-4应变控制式三轴仪1-调压筒；2-周围压力表；3-周围压力阀；4-排水阀；5-体变管；6-排水管；7-变形量表；8-量力环；9-排气孔；10-轴向加压设备；11-压力室；12-量管阀；13-零位指示器；14-孔隙压力表；15-量管；16-孔隙压力阀；17-离合器；18-手轮；19-马达；20-变速箱（7）反压力体变系统。由体变管和反压力稳压控制系统组成，以模拟土体的实际应力状态或提高试件的饱和度以及量测试件的体积变化。2．附属设备（1）击实筒和饱和器（2）切土盘、切土器、切土架和原状土分样器（3）承膜筒和砂样制备模筒（4）天平、卡尺、乳胶膜等四、试样的制备与饱和1．试样制备试样应切成圆柱性形状，试样直径为Φ39.1mm、Φ61.8mm、Φ101mm、相应的试样高度分别为80mm、150mm、200mm，试样高度与直径的关系一般为2～2.5倍，试样的允许最大粒径与试样直径之间的关系见表4-1。表4-1试样的允许最大粒径与试样直径之间的关系见表试样直径D(mm)允许最大粒径d(mm)39.1d<D/1061.8d<D/10101.0d<D/5对于较软的土样，用钢丝锯或切土刀在切土盘上制样；对于较硬的土，用切土刀和切土器在在切土架上制样。称取切削好试样的质量，准确至0.1g，试样的高度和直径用卡尺量测，并按下式计算平均直径式中D1D2D3分别为试样上、中、下部位的直径。与此同时，取切下的余土，平行测得含水量，取其平均值为试样的含水量。2．试样饱和（1）真空抽气饱和：将试样装入饱和器，置于真空缸内，进行抽气，当真空压力达到1个大气压时，开启管夹，使清水注入真空缸内，待水面超过饱和器后，即可停止抽气，然后静止大约10h左右，使试样充分吸水饱和。（2）水头饱和：将试样装入压力室内，施加20kPa的周围压力，使无气泡的水从试样底座进入，待上部溢出，水头高差一般在1m左右，直至流入水量和溢出水量相等为止。（3）反压力饱和：试样饱和度要求较高时采用（祥见实验规程）。五、操作步骤这里只介绍不固结不排水剪。1．对仪器各部分进行全面检查，周围压力系统、反压力系统、孔隙水压力系统、轴向压力系统是否能正常工作，排水管路是否畅通，管路阀门连接处有无漏水漏