土力学基础实验指导书.docx
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土力学基础实验指导书
福州大学土木工程学院本科实验教学中心
学生实验指导书
土力学基础实验
实验指导书
岩土与地下工程实验中心土力学基础实验室编
2007年7月21日
1土的物性指标实验
2侧限压缩实验
3直接剪切实验
4常规三轴实验
5土压实性试验
6粘性土强度及压缩性的试验
7土压力的模型试验研究
前言
土力学基础试验是土木工程专业的一门技术基础科学。
做为一门课程其任务是通过介绍土力学基础试验的基本测试技术和试验方法，使学生获得专业所必需的试验基本技能，具备解决一般土工问题的能力，并对学生进行科学研究试验能力的培养，是土木工程专业高级技术人材所必需的基本训练的一部分。
为了达到预期目的，试验课必须注意以下几方面问题：
一、试验前认真预习指导书和课本有关内容，同时应复习其它已学有关课程的有关章节，充分了解各个试验的目的要求、试验原理、方法和步骤，并进行一些必要的理论计算。
一些控制值的计算工作，试验前必须做好。
二、较大的小组试验，应选出一名小组长，负责组织和指挥整个试验过程，直至全组试验报告都上交后卸任，小组各成员必须服从小组长和指导教师的指挥，要明确分工，直辖市工作，不得撤离各自的岗位。
三、试验开始前，必须仔细检查试件和各种仪器仪表是否安装稳妥，荷载是否为零，安全措施是否有效，各项准备工作是否完成，准备工作完成，要经指导教师检查通过后，试验才能开始。
四、试验时应严肃认真，密切注意观察试验现象，及时加以分析和记录，要以严谨的科学态度对待试验的每一步骤和每一个数据。
五、严格遵守实验室的规章制度，非试验中仪器设备不要乱动；试验用仪器、仪表、设备，要严格按规程进行操作，遇有总是及时向指导教师报告。
六、试验中要小心谨慎，不要碰撞仪器、仪表、试件和仪表架等。
七、试验结束后，要及时卸下荷载，使仪器、设备恢复原始状态，以后小心卸下仪器仪表、擦净、放妥、清点归还，经教师认可并把试验记录交教师签字后离开。
八、试验资料应及时整理，按时独立完成试验报告，除小组分工由别人记录的原始数据外，严禁抄袭。
九、试验报告要求原始记录齐全、计算分析正确、数据图表清楚、心得体会深刻。
十、经教师认可，试验也允许采用另外方案进行。
实验项目1土的物性指标实验
含水率试验
SL237—003—1999
1定义和适用范围
1.0.1土的含水率是试样在105～110℃下烘到恒量时所失去的水质量和达恒量后干土质量的比值，以百分数表示。
1.0.2本试验以烘干法为室内试验的标准方法。
在野外如无烘箱设备和要求快速测定含水率时，可依土的性质和工程情况分别采用下列方法。
1酒精燃烧法。
适用于简易测定细粒土含水率。
2比重法。
适用于砂类土。
1.0.3本规程适用于有机质（泥炭、腐植质及其他）含量不超过干质量5%的土，当土中有机质含量在5%～10%之间，仍允许采用本规程进行试验，但需注明有机质含量。
2烘干法
2.1仪器设备
2.1.1烘箱：
可采用电热烘箱或温度能保持
2.1.2天平：
称量200g，分度值0.01g。
2.1.3其他：
干燥器、称量盒（为简化计算手续可用恒质量盒）。
2.2仪器设备的检定和校准
2.2.1天平应按相应的检定规程进行检定
2.3操作步骤
2.3.1取代表性试样15～30g，放入称量盒内，立即盖好盒盖，称量。
称量时，可在天平一端放上等质量的称量盒或与盒等质量量的砝码。
称量结果即为湿土质量。
2.3.2揭天盒盖，将试样和盒放入烘箱，在温度105～110℃下烘到恒量。
烘干时间对粘质土不少于8h；砂类土不少于6h；对含有机质超过10%的土，应将温度控制在65～70℃的恒量下烘至恒量。
2.3.3将烘干后的试样和盒取出，盖好盒盖放入干燥器内冷却至室温，称干土质量。
2.3.4本试验称量应准确至0.01g。
2.3.5按式（2.3.5）计算含水率：
ω=
×100（2.3.5）
表2.3.6含水率测定
的允许平行差值
含水率
（%）
允许平行差值
（%）
＜10
10～40
＞40
0.5
1.0
2.0
式中ω——含水率，%；
m——混土质量，g；
m4——干土质量，g。
计算至0.1%。
2.3.6本试验需进行2次平行测定，取其算术平均值，允许平行差值应符合表2.3.6规定。
2.4记录
2.4.1本试验记录格式如表2.4.1。
表2.4.1含水率试验记录
工程名称试验者
试验方法计算者
试验日期校核者
试样
编号
土样
说明
盒
号
盒质量
（g）
盒加湿
土质量
（g）
盒加干
土质量
（g）
水分
质量
（g）
干土
质量
（g）
含水率
（%）
平均
含水率
（%）
（1）
（2）
（3）
（4）=
（2）-（3）
（5）=（3）-
（1）
（6）=
（7）
表4.4.1含水率试验记录（比重法）
工程名称试验者
试验方法计算者
试验日期校核者
土样
编号
盒
号
湿土
质量
（g）
瓶、水、
土、玻璃
片总重量
（g）
瓶、水、
玻璃片总
重量
（g）
土粒
比重
（g）
含水率
（%）
平均
含水率
（%）
备注
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）=
-1
（6）
密度试验
SL237—004—1999
1定义和适用范围
1.0.1土的密度是土的单位体积质量。
1.0.2本试验对一般粘质土，宜采用环刀法。
土样易碎裂，难以切削，可用蜡封法。
2引用标准
GB/T15406—94《土工仪器的基本参数及通用技术条件》经一篇：
室内土工仪器。
SD191—86《切土环刀》。
SL110—95《切土环刀校验方法》。
3环刀法
3.1仪器设备
3.1.1环刀：
尺寸参数应符合GB/T15406—94的4.1.1.1规定。
3.1.2天平：
称量500g，分度值0.1g；称量200g，分度值0.01g。
3.1.3其他：
切土刀、钢丝锯、凡士林等。
3.2仪器设备的检定和校验
3.2.1天平应按相应的检定规程进行检定。
3.2.2环刀应按SL110—95规定进行校验。
3.3操作步骤
3.3.1按工程需要取原状土或制备所需状态的扰动土样，整平其两端，将环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上。
3.3.2用切土刀（或钢丝锯）将土样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，至土样伸出环刀为止。
将两端余土削去修平，取剩余的代表性土样测定含水率。
3.3.3擦净环刀外壁称量。
在天平放砝码一端放一等量环刀，可直接称出湿土质量。
准确至0.1g。
3.3.4按式（3.3.4-1）、式（3.3.4-2）计算密度及干密度：
ρ=
（3.3.4-1）
ρ=
（3.3.4-2）
式中ρ——密度，g/㎝3；
ρd——干密度，g/㎝3；
m——湿土质量，g；
V——环刀容积，㎝3；
ω——含水率，%。
计算至0.01g/cm3
3.3.5本试验需进行2次平行测定，其平行差值不得大于0.03g/cm3。
取其算术平均值。
3.4记录
3.4.1本本试验记录格式如表3.4.1。
表3.4.1密度试验记录表（环刀法）
工程名称试验者
计算者
钻孔编号
土样说明
试验日期校核者
试样
编号
土样
类别
环刀
号
湿土
质量
（g）
体积
（cm3）
湿密度
（g/cm3）
含水率
（%）
干密度
（g/cm3）
平均
干密度
（g/cm3）
（1）
（2）
（3）=
（4）
5=
（6）
4蜡封法
4.1仪器设备
4.1.1天平：
称量500g，分度值0.1g。
4.1.2其他：
切土刀、蜡、烧杯、细线、针等。
4.2仪器设备的检定和校核。
4.2.1.天平应按相应的检定规程进行检定。
4.3操作步骤
4.3.1切取约30cm3的试样，消去松浮表土及尖锐棱角后，系于细线上称量，准确至0.1g，取代表性试样测定含水率。
4.3.2持线将试样徐徐浸入刚过熔点的蜡中，待全部沉浸后，立即将试样提出。
检查涂在试样四周的蜡中有无气泡存在。
若有，则应用热针刺破，并涂平孔口。
冷却后，称土加蜡质量，准确至0.1g。
4.3.3用线将试样吊在天平一端，并使试样浸没于纯水中称量，准确至0.1g，见图4.3.3。
测记纯水的温度。
4.3.4取出试样，擦干蜡表面的水分后再称量1次，检查试样中是否有水浸入，如有水浸入，应重做。
4.3.5按式（4.3.5-1）和式（4.3.5-2）计算湿密度及干密度：
图4.3.3天平
1—水杯；2—蜡封试样；
3—细线；4—砝码
ρ=
（4.3.5-1）
ρd=
（4.3.5-2）
式中ρ——密度，g/㎝3；
ρd——干密度，g/㎝3；
界限含水率试验
SL237—007—1999
1目的和适用范围
1.0.1细粒土由于含水率不同，分别处于流动状态、可塑状态、半固体状态和固体状态。
液限是细粒土呈可塑状态的上限含水率；塑限是细粒土呈可塑状态的下限含水率；缩限是细粒土从半固体状态继续蒸发水分过渡到固体状态时体积不再收缩的界限含水率。
1.0.2本试验的目的是测定细粒上的液限、塑限和缩限，划分土类、计算塑性指数，供设计、施工使用。
各项含水率的测定按SL237—003—1999《含水率试验》的烘干法进行。
1.0.3本规程适用于粒径小于0.5mm颗粒组成及有机质含量不朋于干土质量5%的土。
2引用范围
GB/T15406—94《土工仪器的基本参数及通用技术条件》第一篇：
室内土工仪器。
一扁：
室内土工仪器。
GB7961—87《碟式液限仪》。
SL113—95《光电式液塑限联合测定仪校验方法》。
SL237—003—1999《含水率试验》。
SL237—004—1999《密度试验》。
3液限塑限联合测定法
3.1仪器设备
3.1.1液塑限联合测定仪。
1圆锥仪：
锥质量为76g，锥角300。
2读数显示：
宜采用光电式、游标式，百分表式。
光电式液塑限联合测定仪如图3.1.3。
3测定仪的基本参数应符合GB/T15406—944.1.1.2的规定。
3.1.2试样杯：
直径40～50mm；高30～40mm。
3.1.3天平：
称量200g，分度值0.01g。
3.1.4其他：
烘箱、干燥缸、铝盘、调土刀、筛（孔径0.5mm），
凡士林等。
3.2仪器设备的检定和标准
3.2.1液、塑限联合测定仪的标准应按SL113—95规定的校验方法
图3.1.1光电式液塑限联合
测定仪示意图
1-水平调节螺丝；2-控制开关；3-指示灯；4-零线调节螺丝；5-反光镜调节螺丝；6-屏幕；7-机壳；8-物镜调节螺丝；9-电磁装置；10-光源调节螺丝；11-光源；12-圆锥仪；13-升降台；14-水平泡
进行。
3.2.2天平应按相应的检定规程进行检定。
3.3操作步骤
3.3.1液限、塑限联合试验，原则上采用天然含水率的土样制备试样，但也允许用风干土制备试样。
3.3.2当采用天然含水率的土样时，应剔除大于0.5mm的颗粒，然后分别按接近液限、塑限和二者的中间状态制备不同稠度的土膏，静置湿润。
静置时间可视原含水率的大小而定。
3.3.3当采用风干土样时，取过0.5mm筛的代表性土样约200g，分成3份，分别放入3个盛土皿中，加入不同数量的纯水，使分别达到本规程3.3.2中所述的含水率，调成均匀土膏，然后放入密封的保温缸中，静置24h。
3.3.4将制备好的土膏用调土刀充分调拌均匀，密实地填入试样杯中，应使空气逸出。
高出试样杯的余土用刮土刀刮平，随即将试样杯放在仪器底座上。
3.3.5取圆锥仪，在锥体上涂以薄层润滑油脂，接通电源，使电磁铁吸稳圆锥仪（对于游标式或百分表式，提起锥杆，用旋钮固定）。
3.3.6调节屏幕准线，使初读数为零（游标尺或百分表读数调零）。
调节升降座，使圆锥仪锥角接触试样面，指示灯亮时圆锥在自重下沉入试样内（游标式或百分表式用手扭动旋钮，松开锥杆），经5s后立即测读圆锥下沉深度。
然后取出试样杯，取10g以上的试样2个，测定含水率。
3.3.7按本规程3.3.4～3.3.6的规定，测试其余2个试样的圆锥下沉深度和含水率。
3.4计算和制图
3.4.1按式（3.4.1）计算含水率：
ω=
×100（3.4.1）
式中ω——含水率，%；
m——湿土质量，g；
md——干土质量，g。
计算至0.1%。
3.4.2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，如图3.4.2中的A线。
当三点不在一直线上，通过高含水率的一点与其余两点连成两条直线，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小于2%时，应以该两点含水率的平均值与高含水率的点连成一线，如图3.4.2中的B线。
当两个含水率的差值大于、等于2%时，应补做试验。
3.4.3在圆锥下沉深度与含水率关系图上，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，以百分数表示，取整数。
3.4.4按式（3.4.4-1）计算塑性指数和液性指数：
Ip=ωL-ωp（3.4.4.-1
IL=
（3.4.4-2）
式中Ip——塑性指数；
ωL——液限，%；
ωp——塑限，%；
ω——天然含水率，%；
IL——液性指数，计算至0.01。
图3.4.2圆锥下沉深度
与含水率关系图
3.5记录
3.5.1本试验记录格式如表
表3.5.1液塑限联合试验记录表
工程名称试验者
土样说明计算者
试验日期校核者
试样
编号
圆锥下
沉深度
h
（mm）
盒
号
湿土
质量
m
（g）
干土
质量
（md）
（g）
含水率
（ω）
（%）
液限
ωL
（%）
塑限
ωp
（%）
塑性
指数
Ip
液性
指数
IL
（1）
（2）
（3）=
×100
（4）
（5）
（6）=
（4）-（5）
（7）=
实验项目2：
侧限压缩实验
SL237—015—1999
1目的和适用范围
1.0.1本试验的目的是测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力，或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av、压缩指数Cc、回弹指数Cs、压缩模量Es、固结系数Cv及原状土的先期固结压力Pc等。
测定项目视工程需要而定。
1.0.2本规程适用于饱和的粘质土。
当只进行压缩试验时，允许用于非饱和土。
2引用标准
SD191—86《切土环刀》。
SL110—95《切土环刀校验方法》。
GB4935—85《单杠杆固结》。
SL114—95《杠杆式固结仪校验方法》。
SL237—002—1999《土样和试样制备》。
SL237—003—1999《含水率试验》。
SL237—004—1999《密度试验》。
GB/T15406—94《土工仪器的基本参数及通用技术条件》第一篇：
室内土工仪器。
3标准固结试验
3.1仪器设备
3.1.1固结容器：
由环刀、护环、透水板、加压上盖和量表架等组成。
环刀、透水板的技术性能和尺寸参数应符合SD191—86切土环刀及相关标准的规定。
见图3.1.1。
3.1.2加压设备：
可采用量程为5～10kN的杠杆式、磅秤式或其他加压设备，其准确度应符合GB4935—85及GB/T15406—94的规定。
图3.1.1固结容器示意图
1—水槽；2—护环；3—环刀；4—加压上盖；5—透水板；6—量表导杆；7—量表架
3.1.3变形测量设备：
百分表量程10mm，分度值为0.01mm，或准确度为全量程的0.2%的位移传感器。
3.1.4其他：
刮土刀、钢丝锯、天平、秒表等。
3.2仪器设备的检定和校准
3.2.1环刀：
应按SL110—95规定的方法进行校验。
3.2.2透水板：
应按SL111—95规定的方法进行校验。
3.2.3加荷设备：
参照SL114—95的方法进行校验。
3.2.4百分表：
应按JJG34—84《百分表检定规程》进行检定。
3.2.5固结仪变形校正京戏按SL114—95的附《固结仪变形校正》方法进行。
3.3试验步骤
3.3.1根据工程需要，切取原状土试样或制备给定密度与含水率的扰动土试样。
制备方法参照SL237—002—1999规定进行。
3.3.2如系冲填土，先将土样调成液限或1.2～1.3倍液限的土膏，拌合均匀，在保湿器内静置2h。
然后把环刀倒置于小玻璃板上，用调土刀把土膏填入环刀，排除气泡刮平，称量。
3.3.3按SL237—003—1999及SL237—004—1999规定，测定试样的含水率及密度。
对于扰动试样需要饱和时，按SL237—002—1999规定的方法将试样进行抽气饱和。
3.3.4在固结容器内放置护环、透水板和薄滤纸，将带有环刀的试样，小心装入护环，然后在试样上放薄滤纸、透水板和加压盖板，置于加压框架下，对准加压框架的正中，安装量表。
注：
如试样为饱和土，上、下透水板应事先浸水饱和；对非饱和状态的试样，透水板的湿度应尽量与试样，透水板的湿度应尽量与试样湿度接近。
3.3.5为保证试样与仪器上下各部件之间接触良好，应施加1kPa的预压压力，然后调整量表，使指针读数为零。
3.3.6确定需要施加的各级压力。
加压等级一般为12.5、25.0、50.0、100、200、400、800、1600、3200kPa。
最后一级的压力应大于上覆土层的计算压力100~200kPa。
3.3.7需要确定原状土的先期固结压力时，加压率宜小于1，可采用0.5或0.25倍。
最后一级压力使e~lgp曲线下段出现较长的直线段。
3.3.8第1级压力的大小视土的软硬程度分别采用12.5、25.0kPa或50.0kPa（第1级实加压力应减去预压压力）。
3.3.9如系饱和试样，则在施加第1级压力后，立即向水槽中注水至满。
如系非饱和试样，须用湿棉转住加压盖板四周，避免水分蒸发。
3.3.10需测定沉降速率时，加压后按下列时顺序测记量表读数：
0.10、0.25、1.00、2.25、4.00、6.25、9.00、12.25、16.00、20.25、25.00、30.25、36.00、42.25、49.00、64.00、100.00、200.00min和400.00min及23h和24h至稳定为止。
3.3.11当不需要测定沉降速率时，稳定标准规定为每级压力下固结24h。
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。
注：
当试样的渗透系数大于10-5cm/s时，允许以主固结完成作为相对稳定标准；对某些高液限土，24h以后尚有较大的压缩变形时，以试样变形每小明变化不大于0.005mm认为稳定。
3.3.12需要作回弹试验时，可在某级压力（大于上覆压力）下固结稳定后卸压，直至卸至第1级压力。
每次卸压后的回弹稳定标准与加压相同，并测记每级压力及最后一级压力时的回弹量。
3.3.13试验结束后，迅速拆除仪器各部件，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，测定试验后的含水率。
3.4计算及制图
3.4.1按式（3.4.1）计算试样的初发孔隙比eo；
eo=
-1（3.4.1）
式中GS——土粒比重；
ρω——水的密度，g/cm3；
ρ0——试样初始密度，g/cm3；
ω0——试样的初始含水率，%。
3.4.2按式（3.4.2）计算各级压力下固结稳定后的孔隙比ei：
ei=eo-（1+eo）
（3.4.2）
式中ei——某级压力上的孔隙比；
△hi——某级压力下试样高度变化，cm；
h0——试样初始高度，cm。
3.4.3按式（3.4.3）计算某一压力范围内的压缩系数av：
av=
（3.4.3）
式中pi——某一压力值，kPa；
其余符号见本规程式（3.4.2）。
3.4.4按下列公式计算某一压力范围内的压缩模量Es和体积压缩系数mυ：
Es=
（3.4.4-1）
mv=
=
（3.4.4-2）
式中符号见本规模式（3.4.1）、式（3.4.3）。
3.4.5以孔隙比为e为纵坐标，压力p为横坐标，绘制孔隙比与压力的关系曲线，如图3.4.5所示。
3.4.6原状土的先期固结压力pc的确定方法见图3.4.6，用适当比例的纵横坐标作e～lgp曲线，在曲线上找出最小曲率半径Rmin点O。
过O点作水平经OA、切线OB及角AOB的平分线OD，OD与曲线的直线段C的延长线交于点E，则对应于E点的压力值即为该原状土的先期固结压力pc。
3.4.7按式（3.4.7）计算压缩指数Cc及回弹指数Cs：
Cc或Cs=
（3.4.7）
式中符号见本规程式（3.4.3）。
Cc即e～lgp曲线直线段的斜率。
用同法在回弹支上求其平均斜
率，即Cs。
3.4.8按下列方法求算固结系数Cυ。
图3.4.5e～p关系曲线
1时间平方根法。
对于某一压力，以量表读数d（mm）为纵坐标，时
图3.4.6e～1gp曲线和求pc示意图
图3.4.8-1时间平方根法求t90
间平方根
（min）为横坐标，绘d～
曲线开始段的直线，交纵坐标轴于ds（ds称理论零点）。
过ds绘制另一直线，令其横坐标为前一直线横坐标1.15倍，则后一直线与d～
曲线交点所对应的时间的平方即为试样固结度在90%所需的时间t90。
按式（3.4.8-1）计算该压力下的固结系数Cυ：
Cv=
（3.4.8-1）
式中
——最大排水距离，等于某一压力下试样初始与终了高度的平均值之半，cm；
t90——固结度达90%所需的时间，s。
2时间对数法。
对于某一压力，以量表读
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