土力学实验指导书教材

1111试验一土的三项根本物理性指标的测定一、试验目的土的三项根本物理性指标是指土粒比重ds、土的含水量w和密度ρ，一般由试验室直接测定其数值。在测定这三个根本指标后，可以换算出其余各个指标。二、试验原理和方法土粒相对密度ds土粒质量与同体积的℃时纯水的质量比，称为土粒比重〔无量纲，亦称土粒相对密度，即

m sVsds sVsw1s w1式中ρ ——土粒密度，即土粒单位体积的质量，g/cm3；sρ ——41g/cm31t/m3。w1打算于土的矿物成分，一般无机矿物颗粒的比重为2.6～2.8；有机质为2.4～2.5；泥炭为1.5～1.8。土粒〔一般无机矿物颗粒〕的比重变化幅度很小。土粒比重可在试验室内用比重瓶法测定。通常也可按阅历数值选用，一般土粒土粒相对密度参考值见下表。土粒相对密度参考值粘粘性土土的名称砂类土粉性土粉质粘土粘土土粒比重2.65～2.692.70～2.712.72～2.732.74～2.76土的含水量w土中水的质量与土粒质量之比，称为土的含水量，用百分数表示，即m w100%ms含水量w是标志土含水程度〔湿度〕的一个重要物理指标。自然土层的含水量变化范围很大，它与土的种类、埋藏条件及所处的自然地理环境等有关。土的含水量通常承受“烘干法”测定。从含水量的定义可知，试验的关键是怎样测得一块土中所含水份质量以及颗粒质量。所谓烘干法便是为此设计的一种试验方法。先称小块原状土样的湿土质量，然后置于烘箱内维持100～105℃烘至恒重，再称干土质量，湿、干土质量之差与干土质量的比值，就是土的含水量。计算公式为：m 1m

m 2100%m2 0式中：W——含水量〔%〕m——盒加湿土质量〔g〕1m——盒加干土质量〔g〕2m——铝盒的质量g，按盒号查表可得，由试验室供给。0土的密度ρg/c3即mV将实测密度值乘以换算系数即可。测定土的密度一般用“环刀法环刀外围的土，边削边压，使保持自然状态的土样压满环刀内，称得环刀内土样得质量，求得它与环刀容积之比值即为其密度。计算公式为： mm 1V 2式中：ρ——土的自然密度 g/cm3m——环刀与土盒质量g1m——环刀质量g2V——环刀体积cm3土单位体积中固体颗粒局部的质量，称为土的干密度ρd，即m dd V测定土的自然密度ρ后，可换算土的干密度ρ ，可按公式：d d 1式中：ρ——土的自然密度 g/cm3ρ ——土的干密度g/cm3dW——土的含水量三、试验的仪器1．红外线烘干设备——烘箱〔温度105℃〕261.8±0.15mm79.8±0.15mm20±0.016mm铝盒：盒盖和盒身皆刻有号码，试验时务必对号0.01g其他：切土刀、修土刀、钢丝锯、凡士林等。四、试验的内容和步骤〔一〕从密度试验切下的土样中取有代表性的土样15~30g〔以利烘干，马上盖上盒盖，以防水分蒸发。0.01g的天平上称盒加湿土质量m1称完后，翻开铝盒盖，拿到烘箱中烘烤40分钟。然后，取出铝盒，盖上盒盖,m精20.01g。〔二〕工程需要取原状土或制配所需状态的扰动土，整平两端，将环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上。修土刀〔或钢丝锯〕将土样上部削成略大于环刀直径的土柱。然后将环刀垂直下压，边压边削至土样伸出环刀上部为止。削去两端多余土，使与环刀口面齐平，并用剩余土样测定含水量。擦净环刀外壁，称环刀与土的质量m1

,0.1g。五、预习要求本试验是关于土的根本物理指标测定方法的试验，首先要明确该试验的重要性。做试验以前，应先认真学习教材和试验指导书，完成试验预习报告。六、试验要求1％，土的0.03g/cm3。七、试验记录与报告完成试验记录和试验报告。A试验者：姓名 学号 班级 试验日期： 年 月 日盒加盒加湿土质量(g)盒加干土质量(g)盒质量水质量(g)(g)(g)含水量土样编号铝盒号码W(%)m1m2m0m1- 2mm-m20mmmm1平均值〔%〕201234B、密度试验记录试验者：姓名 学号 班级 试验日期： 年 月 日土样编号1 2 3 4环刀容积〔cm3〕①环刀质量〔g〕②土+环刀质量〔g〕③土样质量〔g〕④③—②自然密度〔g/cm3〕⑤含水量〔%〕⑥干密度〔g/cm3〕⑦平均干密度〔g/cm3〕⑧八、思考题土的三个根本物理性指标指哪几个指标？为什么称它们为根本物理指标？测定土的含水量的关键是取得哪两个数据？测定土的含水量时，为什么要求烘干温度须达１０５℃左右？何为土的自然密度？土的密度有哪几种？土的质量密度〔密度〕与土的重量密度〔重度〕有何区分和联系？土的干密度ρd的定义？它有何工程意义？土粒相对密度与土粒密度有何区分和联系？粘性土土粒相对密度值范围为多少？试验二界限含水量试验〕一、试验目的：本试验的目的是测定土的液限含水量WW，据此计算出塑性指数IL P P和液性指数I，依据塑性指数I和液性指数I

对黏性土进展分类并确定土的软硬状态。L P L二、指标的定义如以以下图所示，粘性土的物理状态〔软硬状态〕随着含水量的变化而变化。WpWpWL0固态、半固态可塑状态〔塑性状态〕流态〔流淌状态〕W〔含水量〕W，是粘性土从塑性状态转入流淌状态的界限含水量。所谓塑限W，是L P粘性土从半固态转入塑性状态的界限含水量。塑性指数定义：I w wp L p土处在可塑状态的含水量变化范围大体上表示土的弱结合水含量。反映吸附结合水的力气，即粘性大小大致反映粘土颗粒含量常作为细粒土工程分类的依据液性指数液性指数表示土的软硬状态。三、试验的方法和步骤从指标定义可知，测量液限和塑限的关键问题是用什么方法和用什么标准来推断土正处于液限含水量或塑限含水量。国内工程界已就此问题作出了如下规定：5s正好沉入10mm，此时土样的含水量作为液限。用滚搓法来测定塑限，规定在毛玻璃板上将土样搓成3mm粗的土条，并产生裂纹或断裂，此时土条的含水量为塑限。A：液限试验〔一〕试验仪器：1、锥式液限仪〔2－1〕手柄手柄10mm刻线试杯试样底座平衡球图2－1 锥式液限仪示意图2、天平〔0.01g〕3〔铝盒重量由试验室供给，可按铝盒号码查表而得〕4、红外线烘干设备〔也可用烘箱〕5、调土皿、调土刀、刮土刀、滴管、凡士林。6、秒表〔二〕试验步骤：1、预备土试样：取过0.5mm筛风干土样180g，加蒸馏水调拌均匀，静置一昼夜〔此步骤由试验室完成。2、试样调制：Ⅰ〕取试验室制备好的土样，切取一半，放入调土皿内；Ⅱ〕用滴管滴上少许蒸馏水，然后用调土刀拌匀，直到土样成浓浆糊状，以使土〔那么到底怎样把握加水的多少？答复是只能逐步趋近，反复测试，切忌一次加水过多，超过液限。3、填装土样：Ⅰ〕将调制好的土样，用调土刀分层装入试杯，不许留有气泡及空缝。Ⅱ〕用刮刀刮平土面〔与杯口平齐。但不宜屡次往复涂抹。然后将试杯置于杯座上。4、用锥式液限仪测试Ⅰ〕先给锥体锥尖涂一层薄油；Ⅱ〕提起液限仪手柄，使锥尖处于土面中心，当锥尖恰要接触土面时，松手指，使锥体靠自重沉入土中〔不许产生人为冲击力；Ⅲ〕在松开手指的同时，开动秒表，假设经过5秒，锥体正好沉入10mm〔锥体上有刻度线，则此时土样含水量正好是液限含水量；Ⅳ〕取下锥体，挖去含油土样，然后自杯里取15~30g土样放入铝盒，按测定含水量的方法，马上测定其含水量，即为该土的液限含水量WL。5、几点说明Ⅰ〕锥体沉入深度以锥体与土面交界限为准，如以下图。Ⅱ〕510mm，则说明此时土样含水量小于液限，再重测试。〔三〕试验要求本试验要求作两次平行试验，平行差值不得大于2%。〔四〕计算方法0.1%m 1L m1

mm2100%0式中: W——液限〔%〕Lm ——盒加湿土质量〔g〕1m ——盒加干土质量〔g〕2m ——铝盒质量g；可按铝盒号码查表而得0〔五〕液限试验记录试验者：姓名 学号 班级 试验日期： 年 月 日土样编号土样编号铝盒号码盒加湿土质量〔g〕盒加干土质量〔g〕盒质 水质量量〔g〕〔g〕干土质 液限含水量量〔g〕 〔%〕平均值〔%〕mmmm2m0m—m12m—mL120mm11201234B、塑限试验〔滚搓法〕〔一〕仪器设备1、毛玻璃板20.01g3、其他：烘箱、枯燥器、称量盒、调土器、直径3mm的铁丝等。〔二〕操作步骤10.5mm100g，放在盛土器中加纯水拌匀，潮湿过夜。2、将制备好的试样在手中揉捏至不粘手，捏扁，当消灭裂缝时，表示含水量接近塑限。38~10g，用手搓成椭圆形，放在毛玻璃板上用手掌滚搓，手掌的压力要均匀地施加在土条上，不得使土条在毛玻璃上无压滚动，土条不得有空心现象，土条的长度不宜大于手掌的宽度。4、连续滚搓土条，直至土条直径到达3mm时，产生裂缝并开头断裂为止。假设土条搓至3mm重捏成一团，重滚搓，如土条直径大于3mm时即行断裂，表示试样的含水量小于塑限，应弃去，重取土加适量水调匀后再搓，直至合格。假设土条在任3mm即开头断裂，则认为该土无塑性。53~5g合格的断裂土条，放入称量盒内，随即盖紧盒盖，测定其含水量。即为该土之塑性含水量WP〔三〕试验要求W40%p1%，W40%2%。p〔四〕计算方法0.1%m (p

01)100%md式中：W——塑限%Pm——湿土质量g0m——干土质量gd〔五〕塑限试验记录〔滚搓法〕试验者：姓名 学号 班级 试验日期： 年 月 日盒号盒号盒质量g 〔1〕盒+湿土质量g〔2〕盒+干土质量g〔3〕水分质量g 〔4〕=〔2〕—〔3〕干土质量g 〔5〕=〔3〕—〔1〕塑限含水量% 平均含水量% 〔7〕四、预习要求本试验是关于土的界限含水量〔液限含水量和塑限含水量〕测定方法的试验，首先要明确该试验的重要性。做试验以前，应先认真学习教材和试验指导书，完成试验预习报告。五、思考题所谓液限是指粘性土哪种状态的分界含水量？所谓塑限是指粘性土的哪种状态下的分界含水量？测定液限的目的是什么？用什么方法和用什么标准来推断土正处于液限含水量或塑限含水量？何为塑性指数？何为液性指数？塑性指数和液性指数有何工程应用？试验三、土的压缩试验一、试验目的本试验是使土样在侧限条件下〔即无侧向膨胀下〕压缩试验，其目的是通过测定土样在各级载荷下的变形量，以便取得如下试验成果：1、计算与各级载荷相应孔隙比，并据此绘制土的压缩曲线〔 e—p关系曲线。图3－1 土的压缩曲线〔e—p关系曲线〕2、测定和计算土的压缩系数a ，并计算压缩模量E。12 s二、试验原理和方法从试验目的可知，压缩试验的核心问题是要取得对应于各级载荷Pi就具体测试方法而言，其关键是测定如下两方面数据，即：Ⅰ〕先测定土样压缩前〔加荷前〕的初始孔隙比e。0

的孔隙比e。但iⅡ〕Pi

下的竖向变形量S，由于有了这两方i面的数据，便可通过计算求得与各级荷载对应的孔隙比e。i现将其计算原理及公式介绍如下1、正如教科书上所述，土在侧限条件下的压缩量可用下式计算：e es 1 2H1e12、在进展压缩试验时，可利用上式反求ei先将其改写为：s

e e0 iHi 1e0ei

因在压缩试验时，式中H，e0

，s 为，或为测得，故须将其改写为下式，可i式中H——土样原始高度，即压缩仪环刀的高度=20mme——土样的初始孔隙比，可通过测定土的密度ρw和土粒比重G0 s三个根本物理指标而算得e e

sii 0 0 HS——土样在某级荷载P〔Kpa〕作用下的总变形量。它等于百分表初读数i i与该级荷载下压缩稳定后的终读数之差。e——所求对应于某级荷载Pi

的孔隙比ei三、试验仪器13－2。2、砝码：供加荷载用，其上刻有重量。3、百分表、秒表、天平、环刀、调土刀、钢丝锯、玻璃片、铝盒等3－2固结仪示意图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－试样四、试验的内容和步骤1、用环刀切取土样将环刀刀口向下，置于土样上，然后垂下压，直至土露出环刀顶面为止。用切土刀切去环刀外围的土，再用钢丝锯修平环刀两端土面，并马上盖上玻璃板，用棉纱擦净环刀外壁及玻璃片。2、测定和计算土的初始孔隙比e0Ⅰ〕土的密度ρ和土的含水量w由土的三项根本物理性指标试验取得；Ⅱ〕测定土的土粒比重G〔此值由试验室供给,G=2.75〕s s则：se Gs0

(1)w1其中：ρw1g/cm33、安装试样Ⅰ〕先将护环固定在压缩底座上〔护环是一个厚壁钢环，使土样在侧限条件下压缩。Ⅱ〕将两块透水石浸润，取其中直径稍大者量入护环底部，并在其上再放一张潮湿的滤纸。Ⅲ〕将带有环刀的土样，留神的装入护环之中。Ⅳ〕再顺次加上滤纸、透水石和加压盖板。4、安装量表〔百分表〕Ⅰ〕先将量表导杆穿过加压杠杆上的圆孔，再插紧在土样加压盖板里。Ⅱ〕将百分表装在表架上。Ⅲ〕再移动压缩仪和左右转动表架，使量表、量表导杆、加压盖板、透水石、土样相互对中Ⅳ〕上下移动表架，使百分表小针读数在4~5mm之间，然后用拧紧螺栓固定表架。5、查仪器各种部件接触是否良好可用试验室所给的小砝码，挂于杠杆上，假设量表指针微动，说明接触良好，然后将小砝码卸下。6、加荷及量测土样的竖向变形量Si分表读数，它与初读数之差即为第一级载荷之竖向变形量S1，接着累加砝码，使荷重到达其次级载荷，其压缩稳定时百分表读数与初读数之差，即为该级荷重之S2，同理，进展以下各级荷载的测试。总之，压缩试验虽对土样分级加载，但荷重是累加的，Si是累计的。试验时涉及如下几个问题：〔1〕12.525.0或50.0kpa50.0kpa。〔2〕12.525.0、50.0100200、400、800……kpa，最终一级荷载应大于土层的计算压力100~200kpa。学生试验时，可分50、100、200、400kpa〔试验时应依据荷载值，土样面积及加力杠杆的力臂比例，确定所应施加的砝码重量。〔3〕24小时，对于高压缩性，24小时后尚有较大的压缩变形比时0.005mm作为稳定标准。学生试验时，因时间有限，每级荷载下只要求压缩20分钟五、预习要求本试验是使土样在侧限条件下〔即无侧向膨胀下〕压缩试验，首先要明确该试验的重要性。该试验过程较简洁，做试验以前，应先认真学习教材和试验指导书，生疏试验内容和步骤，完成试验预习报告。六、试验要求该试验过程较简洁，应留意指导教师的演示和讲解，同组学生应亲热合作，在规定的时间内完成试验。七、试验记录与报告完成试验记录和试验报告。1、试验数据记录及孔隙比ei

的计算试验者：姓名 学号 班级 试验日期： 年 月 日土的密度土的密度ρ=压力〔kPa〕〔g/cm3〕土粒比重Gs=2.75含水量W=0测微表读数S试样总变形量iS=S-S%孔隙比e0 i050100200400百分表初读数：S= 〔mm〕0试样原始高度：H=＿＿＿＿＿〔mm〕试样初始孔隙比：we Gs(1)w0

1压缩系数：a =〔e—e〕／〔p—p〕=1—2 1 2 2 1其中：p=100kpa=0.1Mpa，p=200kpa=0.2Mpa，e、e为对应p、p的孔隙比1 2 1 2 1 2压缩模量：E=〔1+e〕/a =s 1 1—22、数据整理用方格纸绘制e—p曲线八、思考题１．压缩试验，土样是在什么条件下压缩的？２．压缩试验的目的是什么？３．为了测定e－p对应关系，其关键应测得哪两个数据？４．怎样测得土样的初始孔隙比e？o５．压缩试验时荷载等级为多少？６．为什么要测某级荷载pi

的总变形量s？怎样计算相应的e？i i试验四、土的直接剪切试验一、试验目的τf—σφ和粘聚力c，做为计算地基强度和稳定性的根本指标。二、试验原理和方法直接剪切仪如图4－1所示，该仪器的主要部件由固定的上盒和活动的下盒组成，试样放在上下盒内上下两块透水石之间。试验时，由杠杠系统通过加压活塞盒上透水石对试件施加某一垂直压力σ，然后等速转动手轮对下盒施加水平推力，使试样在上下盒之间的水平接触面上产生剪切变形，直至破坏，剪应力的大小可借助于上盒接触的量力环的变形值计算确定。按下式计算每一试样的抗剪强度： KRf式中τf——土样抗剪强度，KpaK——量力环系数，Kpa/0.01mmR——量力环终读数与初始读数之差4－1应变把握式直剪仪1－轮轴；2－底座；3－透水石；4－量表；5－活塞；6－上盒；7－土样；8－量表；9－量力环；10－下盒该试验的特点是：剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏，故称之为土的直接剪切试验。测定破坏值〔即土试样剪切破坏时读数〕的方法：当百分表读数消灭峰值〔即增加至此值后指针消灭回退〕或稳定值〔百分表读数增至此值后不再增加，则可记此峰值或稳定值为终读数，再通过上式计算得到抗剪强度。对同一种土至少取4个重度和含水量一样的的试样，分别在不同垂直压力下剪切破100、200、300、400kpa4－2所示的抗剪强度τf和垂直压力σ之间关系曲线。试验结果说明，对于粘性土τf—σ关系曲线φc；对于无粘性土，τf与σ之间关系则是通过原点的一条直线。1818τfφσ4－2粘性土τf—σ关系曲线为了近似模拟土体在现场受剪的排水条件，直接剪切试验可分为快剪、固结快剪和慢剪三种方法。快剪试验是在试样施加竖向压力后，马上快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。固结快剪是允许试样在竖向压力下排水，待固结稳定后，再快速施加水平剪应力使试样剪切破坏。慢剪则是允许试样在竖向压力下排水，待固结稳定后，以缓慢的速率施加水平剪应力使试样剪切破坏。学生试验一般承受快剪法。三、试验仪器14－1。2、砝码：供加荷载用，其上刻有重量。3、百分表、环刀、调土刀、天平、钢丝锯、玻璃片、铝盒等四、试验的内容和步骤1、切取土试样将环刀刀口向下，置于土样上，然后垂下压，直至土露出环刀顶面为止。用切土刀切去环刀外围的土，再用钢丝锯修平环刀两端土面，并马上盖上玻璃板。用棉纱擦净环刀外壁及玻璃片。2、安装试样Ⅰ〕先将剪切盒的上盒和下盒对准，用销钉串连固定。Ⅱ〕将一张滤纸放入剪切盒底部，然后放入一张一块透水石，再放入一张滤纸。1919Ⅲ〕再将盛有土样的环刀刀口朝下，对准剪切盒，在试样上放一张滤纸及一块透水石。然后将试样缓缓推入剪切盒中，然后顺次加上加压盖板〔活塞、钢珠和加压框架。3、摇动手轮，使施加水平力的顶杆〔或传力滚珠〕恰与剪切盒底座相接触，并调整应变圈中的百分表初始读数为零。4、施加法向应力和水平剪力及测定土的抗剪强度