土木工程 土力学试验指导书.docx
《土木工程 土力学试验指导书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土木工程 土力学试验指导书.docx（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
土木工程土力学试验指导书
土力学试验指导书
适用2013级土木工程专业
土木工程与建筑系
试验一土的物理性质实验
一、实验目的
通过测定土样的含水量ω、密度ρ、相对密度ds，确定土的三相比例指标；
二、实验要求
1由实验室提供一组扰动土样，要求学生测定该土样的含水量、密度和土的相对密度；
2根据实验结果要求学生确定该土的孔隙比e、孔隙率n、饱和度Sr、干土密度ρd、和饱和密度ρsat等物理指标；
项目一、含水量实验（烘干法）
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重后干土质量的比值，以百分数表示。
本实验采用烘干法，此法为实验室内实验的标准方法。
一、仪器设备
（1）电热烘箱：
温度能保持在105～110℃。
（2）天平：
称量200g，感量0.01g；
（3）其它：
干燥器、称量盒等。
二、操作步骤
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℃恒温下烘至恒重。
试样烘至恒重的时间，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。
三、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。
四、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%
五、注意事项
1、试验时打开土样应立即进行测定，以免改变土样中的水份散失，影响实验结果。
2、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10
10—40
大于40
允许平行差值（%）
0.5
1.0
2.0
3、烘干盒中的湿试样质量称取以后由实验员负责烘干，同学们在12小时后抽时间来实验室称干试样的质量。
项目二、密度实验（环刀法）
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。
密度的测定，对一般粘性土采用环刀法。
如试样易碎或难以切削成有规则的形状时，可以采用蜡封法。
本实验采用环刀法
一、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。
二、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。
三、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/cm3
m－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0.01g/cm3。
－含水量
四、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）
五、注意事项
1．用环刀切试样时，为了防止环刀内试样结构被扰动，环刀应垂直均匀缓慢下压。
2、试验时为了防止称质量时试样中水分被蒸发，影响试验结果，宜用两块玻璃片盖住环刀上下面称取质量，但计算时必须扣除玻璃片的质量。
3、每次作两次平行测定，两次实验差值不得大于0.03g/cm³,取算术平均值作为最后结果。
项目三、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
。
界限含水量试验要求土的颗粒粒径小于0.5mm，有机质含量不超过5%，宜采用天然含水量的试样，但也可采用风干试样。
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
（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。
（2）天平：
称量200g，分度值0.01g。
（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
1．计算含水量：
式中：
－含水量（％），精确至0.1%
－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
五、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=
项目四、颗粒分析实验
一、实验目的
筛分法是利用孔径不同的标准筛来分离一定量的砂土中与筛孔径相应的粒组，而后称量，计算各粒组的相对含量，确定土的粒度成分。
二、实验方法
筛分法密度计法。
本次实验采用筛分法
三、实验原理
筛分法是利用孔径不同的标准筛来分离一定量的砂土中与筛孔径相应的粒组，而后称量，计算各粒组的相对含量，确定土的粒度成分。
此法只适用于分离粒径大于0.075mm的粒组。
四、仪器设备
1、粗筛：
孔径为60、40、20、10、5、2mm。
2、细筛：
孔径为2.0、0.5、0.25、0.075mm。
3、天平：
称量5000g，感量1g，称量1000g，感量0.1g，称量200g，感量0.01g。
4、摇筛机：
筛析过程中应能上下震动。
5、其它：
烘箱、搪磁盘、筛刷、木碾、研钵和带橡皮头的研杵等。
五、操作步骤
1砂性土筛析法实验，应按下列步骤进行：
（1）按规定称取试样质量，应准确至O．1g，试样数量超过500g时，应准确至1g.
（2）将试样过2mm筛，称筛上和筛下的试样质量。
当筛下的试样质量小于试样总质量的10％时，不作细筛分析；筛上的试样质量小于试样总质量的10％时，不作粗筛分析。
（3）取筛上的试样倒入依次叠好的粗筛中，筛下的试样倒入依次叠好的细筛中，进行筛析。
细筛宜置于振筛机上震筛，振筛时间宜为10～15min。
再按由上而下的顺序将各筛取下，称各级筛上及底盘内试样的质量，应准确至0．1g。
（4）筛后各级筛上和筛底上试样质量的总和与筛前试样总质量的差值，不得大于试样总质量的1％。
注：
根据土的性质和工程要求可适当增减不同筛径的分析筛。
2含有细粒土颗粒的砂土的筛析法实验，应按下列步骤进行：
（1）按规定称取代表性试样，置于盛水容器中充分搅拌，使试样的粗细颗粒完全分离。
（2）将容器中的试样悬液通过2mm筛，取筛上的试样烘至恒量，称烘干试样质量，应准确到0．1g，并按第4条（3）、（4）款的步骤进行粗筛分析，取筛下的试样悬液，用带橡皮头的研杆研磨，再过0．075mm筛，并将筛上试样烘至恒量，称烘干试样质量，应准确至0．1g，然后按第4条（3）、（4）款的步骤进行细筛分析。
（3）当粒径小于O．075mm的试样质量大于试样总质量的10％时，应按密度计法或移液管法测定小于0．075mm的颗粒组成。
六、实验记录
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
0.075
底盘总计
备注
试验二击实实验
一、试验目的
本试验的目的是用标准的击实方法，测定土的密度与含水率的关系，从而确定土的最大干密度与最优含水率。
轻型击实试验适用于粒径小于5mm的粘性土，重型击实试验适用于粒径小于20mm的土。
二、仪器设备
1、击实仪：
由击实筒、击锤和护筒组成。
2、天平：
称量200g，分度值0.1g。
3、台秤：
称量10kg，分度值5g。
4、孔径为5mm的标准筛。
5、试样推出器：
宜用螺旋式千斤顶。
6、其他：
烘箱、喷水设备、碾土设备、盛土器、修土刀和保湿设备等。
三、操作步骤
1、试样制备：
分为干法制备和湿法制备。
干法制备：
（1）取一定数量的代表性风干土样（轻型约为20kg），放在橡皮板上碾散。
（2）轻型击实试验过5mm筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的风干含水率。
（3）根据土的塑限预估最优含水率，按依次相差约2%的含水率制备一组（不少于5个）试样，其中应有2个含水率大于塑限，2个含水率小于塑限，1个含水率接近塑限。
并按下式计算应加的水量：
式中：
mw——土样所需加水质量，g；
m——风干含水率时的土样质量，g；
wo——风干含水率，%；
w——土样所要求的含水率，%。
（4）将一定量的土样平铺于不吸水的盛土盘内（轻型击实取土约2.5kg），按预定含水率用喷水设备往土样上均匀喷洒所需加水量，拌匀并装入塑料袋内或密封于盛土器内静置备用。
静置的时间分别为：
高液限粘土不得少于24小时，低液限粘土可酌情缩短，但不应少于12小时。
湿法制备：
取天然含水率的代表性土样（轻型为20kg）碾散，过筛，将筛下土样拌匀，分别风干或加水到所要求的不同含水率。
注意：
制备试样时必须使土样中含水率分别均匀。
2、试样击实
（1）、将击实仪放在坚实的地面上，击实筒内壁和底板涂一薄层润滑油，连接好击实筒与底板，安装好护筒。
检查仪器各部件及配套设备的性能是否正常，并做好记录。
（2）、从制备好的一份试样中称取一定量土样，分3层倒入击实筒内并将土面整平分层击实。
每层25击。
注意：
①轻型击实法，每层土料的质量为600——800g，即其量应使击实后的试样高度略高于击实筒的1/3；②两层交接面处的土应刨毛；③击实完成后，超出击实筒顶的试样高度应小于6mm。
（3）、用修土刀沿护筒内壁削挖后，扭动并取下护筒，测出超高（应取多个测值平均，准确至0.1g）。
沿击实筒顶细心修平试样，拆除底板。
如试样底面超出筒外，亦应修平。
擦净筒外壁，称量，准确至1g。
（4）、用推土器从击实筒内推出试样，从试样中心取2个一定量土样（轻型为15——30g），平行测定土的含水率，称量准确至0.01g，含水率的平行差值不得大于1%。
（5）、按上述
（1）——（4）的操作步骤对其其他含水率的土样进行击实，一般不得重复使用土样。
四、计算与制图
1、计算
（1）计算击实后的试样的含水率：
式中：
w——含水率，%；
m——湿土质量，g；
md——干土质量，g。
（2）计算击实后各试样的干密度：
式中：
——湿密度，g/cm3。
计算至0.01g/cm3。
（3）计算土的饱和含水率：
2、制图
以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度与含水率的关系曲线，即为击实曲线。
曲线峰值点的纵、横坐标分别代表土的最大干密度和最优含水率。
如果曲线不能得出峰值点，应进行补点试验。
计算数个干密度下的饱和含水率。
以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，在击实曲线的图中绘制出饱和曲线，用以校正击实曲线。
五、实验记录
试验序号
预估最优含水率%风干含水率%试验类别
筒加试样质量
（g）
筒质
量
（g）
试样
质量
（g）
筒体积
（cm3）
湿密度
（g/cm）
干密度
（g/cm）
盒号
湿土
质量
（g）
干土
质量
（g）
含水率
（%）
平均含水率（%）
1
2
3=1-2
4
5=3/4
6=5/（1+10）
7
8
9=7/8-1
10
试验三固结（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
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。
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。
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
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的比值由图1-6可以得到：
（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
升级会员 