岩土工程土工实验指导书教材.docx
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岩土工程土工实验指导书教材
土木工程学院
土工实验指导书
河南城建学院
2014年元月
目录
实验要求··············································2
实验1土的物理性质实验································3
实验2土的压缩实验····································6
实验3土的直接剪切实验································10
实验4土的击实实验····································13
实验5土的三轴剪切实验································15
实验要求
一土工实验是整个土力学教学课程中的一个教学环节，它不仅起着巩固课堂理论，增强对土的各种工程性质的理解等重要作用，而且是学习科学的实验方法和培养实验技能的重要实践途径。
因此要求学生必须严肃、认真地对待实验中的每一个环节，并作好实验前的预习准备工作。
二本实验指导书适用于土建类各专业。
对每个专业需要作的实验项目按教学计划确定。
三实验报告必须按教师规定时间完成。
图表和文字必须正确和整洁，必须用墨水笔写。
原始记录不得涂改，每个学生必须独立完成实验报告。
四严格遵守实验室的各项规章制度，除遵守课堂纪律外，还应特别注意以下几点：
（1）不得动用与本次实验无关的任何仪器设备；
（2）小心使用仪器设备，遵守“使用仪器注意事项”；
（3）实验结束后，必须将仪器擦洗干净，并将仪器放回原处；
（4）如有仪器设备损坏，应立即报告实验室工作人员，并按学校规定进行处理。
土木与材料工程系
岩土工程实验室
实验一土的物理性质试验
A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；
B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；
3参观原状土样。
C实验方法
一含水量实验（烘干法）
土的含水量是土在100℃～105℃下烘至恒重时所失去的水分质量与土颗粒质量的比值，用百分数表示。
本实验采用烘干法，此法为实验室内实验的标准方法。
（一）仪器准备：
1、电烘箱:
（或红外线烤箱）；
2、天平：
精度为0.01g；
3、烘土盒：
又称称量盒，将每一烘土盒的质量事先称好，并登记备用；
4、干燥器：
用无水CaCl2作干燥剂；
5、其它：
实验土样等。
（二）实验步骤：
1、选取有代表性的试样不少于15克，放入烘土盒内立即盖紧，称取烘土盒和湿土的总质量（m1），准确至0.01克，记录烘土盒号码，烘土盒质量（m3）（由实验室提供）和m1。
2、打开烘土盒盖，放入电烘箱中在100°～105℃温度下烘至恒重（烘干时间一般自温度达到100°～105℃时起算不少于6小时），然后取出烘土盒，加盖后放进干燥器中，冷却至室温。
3、从干燥器中取出烘土盒，称取烘土盒和烘干后干土的总质量（m2），准确至0.01克，并记录m2。
4、本实验须进行二次平行测定。
（三）成果整理：
按下式计算含水量
计算精确至0.1%
式中：
（m1–m2）——式样中所含水的质量；
（m2–m3）——式样中土颗粒的质量。
（四）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、本实验必须进行平行测定，每一学生须取两次试样进行同时测定含水量，最终含水量值应取两次结果的算术平均值，但两次实验的差值不得大于下列规定：
含水量
允许平行差值（%）
<40
1
≥40
2
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。
二、密度实验（环刀法）
土的密度为单位体积土的质量。
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）仪器准备：
1、环刀：
内径60～80mm，高20mm，壁厚1.5～2.0mm；
2、天平：
称量500g以上，精度0.1g；
3、切土刀，凡士林等。
（二）实验步骤：
1取原状土样或取按工程需要制备的扰动土，
用切土刀削平其上下两端，在环刀内壁涂抹一
层凡士林。
刃口向下放在土样整平的面上。
图1环刀剖面图
2、用切土刀将土样上部修切成略大于环刀口径的土柱，将环刀垂直下压，边压边削，将土样伸出环刀上口为止，削去环刀两端余土并修平土面使之与环刀口齐平。
3、擦净环刀外壁，称环刀和土的质量（m1）,准确至0.1g。
4、记录m1，环刀号数以及有实验室提供的环刀质量（m2），环刀体积（v）。
（三）成果整理：
式中ρ——土的密度g/cm³
m1——环刀和土的总质量g
m2——环刀质量g
v——环刀体积cm³
（m2和V可根据环刀号查实验室的数据得到）
（四）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。
D、实验建议
1、本次实验项目较多，事先必须作好预习。
2、从相对密度测定开始作，利用煮沸及放在恒温水槽内定温的时间作含水量和密度测定，必须充分安排好时间，同时，要注意保证实验质量。
3、实验数据必须当时立即填入表格，注意不要漏记仪器号及其它必要数据。
4计算及填写实验结果时，注意必要的单位和位数。
计算时要画三相草图，尽可能在图上将数值填入，不要死代公式。
E预习问题
1、密度、相对密度、含水量、空隙比、空隙率、饱和度、干密度、饱和密度的定义分别是什么？
2、什么时候必须测定土的密度、相对密度和含水量。
实验结果有什么用处。
实验二压缩试验
A实验目的
土的压缩是土体在荷载作用下产生变形的过程。
压缩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变形和压力的关系曲线。
并根据孔隙比与压力的关系曲线（е～р曲线）计算出压缩系数和压缩模量等土的压缩性指标，以便判断土的压缩性和计算基础沉降时用。
此外由饱和粘性土的压缩试验也可得到在某一压力下变形和时间的关系曲线，从而估算土的固结系数和渗透系数。
压缩试验通常只用于粘性土，由于砂土的压缩性较小，且压缩过程需时也很短，故一般不在实验室里进行砂土的压缩试验。
压缩试验可根据工程需要用原状土或制备成所需要状态的扰动土，可采用常速法或快速法。
本实验主要采用非饱和的扰动土样，并按常速法步骤进行，但为了能在试验课的规定时间内完成试验，所以要缩短加荷间隔（具体时间间隔由教师决定）。
B实验要求
（1）由实验室提供土样一块，要求学生在侧限压缩仪中测定出压缩性，并绘制该土的压缩曲线（е～р曲线）。
（2）求出a1-2，ES1-2，并判断该土的压缩性
（3）仔细观察土的变形与时间的关系。
可以绘制出每一级荷载作用下的ｓ～ｔ曲线。
C实验方法
粘性土的压缩试验
常速法
（一）仪器准备：
1、小型固结仪（见图7）；
2、百分表：
量程10mm，精度0.01mm（见图9）；
3、密度实验和含水量实验所需要的仪器；
4、秒表和仪器变形量校正表等。
（二）试验步骤
1、由实验室提供制备好的扰动土样一个；
2、从压缩仪器中取出环刀，按密度实验方法切取土样，并取土留作测含水量；如系原状土样，切土的方向应与天然地层中的上下方向一致。
然后称环刀和试样的总质量，扣除环刀质量后即得湿土样质量（m）并计算出土的密度。
3、用切取试样时修下的土测定含水量（ω），平行作两次试验，取其算术平均值；
4、在压缩仪容器底座内，放置一块略大于环刀的洁净而湿润的透水石，将切取的试样连同环刀一起（注意：
刀口向下）放在透水石上，再在试样上按图8依次放上护环以及与试样面积相同的洁净而湿润的透水石、传压活塞和钢珠，安装好后待用；
5、检查加压设备是否灵活。
然后平衡加压设备（此项工作由实验室代作）。
（平衡加
压部分的方法是转动上杠杆上的平衡锤，使下杠杆之弧形轮向上10°－15°之间，而上杠杆为水平时即平衡完毕，水平情况一般用目测）；
6、将安装好的压缩仪容器放在框架内横梁下，使横梁与球柱接触后，插入活塞杆，再安上百分表使其接触活塞杆顶面并调节其伸长距离不小于8mm（注意检查百分表是否灵活和垂直）。
读百分表读数（为初读数R0）后即可进行试验；
7、轻轻施加第一级荷载50千帕（其中托盘质量0.75kg,再加一质量为0.75kg的小砝码，土样面积30cm2）,并开动秒表，开始计时；
1底板 2 平衡锤 3 手轮 4 容器 5 表夹 6 百分表
7 容器座板 8 杠杆 9 水泡 10 砝码盘 11圆水泡
图7 轻便固结仪示意图
1 表夹 2 钢珠 3 小传压板 4 透水石 5 小导环
6 土样 7 小刀环 8 小护环 9 大护环 10 透水石 11 容器
图8压缩仪示意图
8、可按下列时间测计读数：
6"、15"、1´、2´15"、4´、6´15"、9´、12´15"、16´、20´15"、25´、30´15"、36´、42´15"、49´、64´、100´、200´、400´、23h、24h直至试样沉降稳定为止。
当不需要测定沉降速率时，则施加每级压力后2小时，认为土样已稳定，因时间关系可按教师指定的时间读数，读数精确到0.01mm；
9、记下稳定读数后，用同样的方法施加第二、三、四、五级荷载（分别为100、200、300、400千帕）。
记录各级压力下试样变形稳定后的百分表读数（R1、R2、R3、R4、R5）；
10、试验结束后，必须先卸除百分表，然后卸掉砝码，升起加压框，移出压缩仪器，取出试样并测定其含水量，最后将仪器擦洗干净。
（三）成果整理
按下式计算试验前孔隙比e0；
式中：
ds----土粒的相对密度；
ρw----水的重度，一般可取ρw＝1克/厘米3；
ω----试样开始时试样的含水量（％）；
ρ----试样开始时试样的密度（克/厘米3）。
2、计算试样在任一级压力p（千帕）作用下变形稳定后的试样总变形量，Si：
短针：
一小格＝1.0mm
长针：
一小格＝0.01mm
次图所示相应读数为3.37mm
图9百分表
Si＝R0－Ri－Sie
R0----试验前百分表初读数（mm）；
Ri----试样在在任一级压力pi（千帕）作用下变形稳定
后的百分表读数（mm）；
Sie----各级荷载作用下仪器变形量（mm）。
（由实验室提
供资料）。
3、按下式计算各级压力作用下试样变形稳定时的孔隙比ei:
4、以p为横坐标，e为纵坐标，绘制压缩曲线（е～р曲线）。
5、计算压缩系数av
6、计算压缩模量Es
7、计算体积压缩系数mv
（四）注意事项：
1、试样的土粒相对密度由实验室测定后提供；仪器本身的变形量，环刀的质量、面积、高度均可在实验室仪器资料表中查取；
2、试验前可参照图9练习百分表的读数方法，防止读数错误而无法获得试验结果；
3、含水量测定的烘干工作由实验室代作，24小时以后来实验室称取质量（或取结果）。
4、每组作一个试样，每人独立完成试验报告，不得抄袭，可以相互校核。
D实验建议
1、预习时建议到实验室详细了解侧限压缩仪和加力设备的构造；
2、不要忘记抄录仪器变形量。
3、试验24小时以后可以来实验室称取干土质量。
然后进行计算，完成报告；
4、绘制压缩曲线时，注意选用适当的比例尺（主要是纵坐标）。
E预习问题
1、联系工程实际问题，思考做压缩实验的目的是什麽？
2、a1-2，和ES1-2的物理意义是什么？
有什么用途？
注：
假定试样的压缩仅仅是由于孔隙体积的压缩。
土样是在侧限条件下压缩，则土样在pi作用下产生的应变ε为：
式中：
Si――在pi作用下的变形量
h0――土样原始高度。
在三相图中如令固体颗粒体积Vs=1，则孔隙体积体Vv＝e0，因应变
，故得
所以
图10三相图
图10三相图
实验三土的直接剪切实验
A实验目的
剪切试验的目的是土的抗剪强度指标，即土的内摩擦角Φ和粘聚力c。
目前常用的测定抗剪强度的方法为直接剪切试验（快剪法）：
直接剪切试验：
它是一种测定土抗剪强度的一种常用方法。
通常采用4个试样，在直接剪切仪上分别在不同的垂直压力p（不给压力一定的时间作用于土样上）下，施加水平剪切力，试样在规定的剪切面上进行剪切。
求得土样破坏时的剪应力τf，然后绘制剪应力τf和垂直压力p的关系曲线即抗剪强度曲线，直接剪切仪又分为应变控制式和应力控制式。
本次试验是采用应变控制式直剪仪进行快剪试验。
B实验要求
1、由实验室提供制备土样，要求学生用快剪法在直接剪切仪中测定该土的抗剪强度指标Φ和c的数值；
2、参观三轴仪。
C实验方法
应变控制式直剪仪快剪法
（一）仪器准备：
1、应变控制式直剪仪：
（见图11）；
2、百分表：
量程10mm；精度0.01mm；
3、秒表；
4、切试样的用具等。
应变控制式直剪仪如图11所示：
它的主要特点是剪切力（水平力）是通过转动手轮，使轴向前移动而推动底座施加给下盒，剪力的数值是利用量力环测出（量力环是一个钢环，事先已知每单位变形时所受的压力，故在试验时用百分表测得量力环径向变形数值即可算出所受的应力值）。
本仪器对粘性土和砂土均可适用。
（二）试验步骤：
1、根据工程需要，从原状土或制备状态的扰动土中用环刀取4个试样。
如系原状土样，切取试样方向应与土在天然地层中的上下方向一致。
1 轮轴 2 底座 3 透水石 4 百分表 5 活塞
6 上盒 7 土样 8 百分表 9 量力环 10 下盒
图11应变控制式直剪仪
2、在下盒内顺次放入透水石和蜡纸（或塑料纸），然后用插销将上、下剪切盒固定好。
3、将带试样的环刀刃口向上，对准剪切盒口，将试样从环刀内推入剪切盒中，顺次放入蜡纸和透水石各一，然后放上活塞、钢球，装上垂直加压设备（暂不加砝码）。
4、在量力环上安装百分表，百分表的测杆应平行于量力环受力的直径方向，调整百分表使其指针在某一整数（即长针指零，并作为起始零读数）。
5、慢慢转动手轮，至量力环中百分表指针刚开始触动为止。
6、在试样上施加垂直荷载。
按第一个试样上应加的垂直压力（100千帕）计算出应加荷载，扣除加压设备本身质量，即得应加砝码数。
（试样面积及加压设备质量可查试验时的资料表）。
7、拔出固定插销。
开动秒表，同时以每分钟0.8mm的剪切速度均匀地转动手轮，进行剪切。
当量力环中百分表指针不再前进而出现后退或剪切变形量达试样直径的1、15～1/10时，认为试样已经剪损，记录百分表指针最大读数（代表峰值抗剪强度），用0.01mm作单位估读至0.001mm。
（即以百分表上大度盘的“格”作单位，估读至0.1格）。
8、反转手轮，卸除垂直荷载和加压设备，取出已剪损的试样，刷净剪切盒，装入第二个试样。
9、第二、三、四个试样分别施加200、300、400KP垂直压力后按同步骤进行试验。
（三）成果整理：
1、计算每个试样在一定垂直压力下的抗剪强度（τf）：
τf＝C·R
式中：
R——该试件在剪损时的百分表最大读数（单位：
0.01mm）；
C——量力环校正系数，单位：
KPa/0.01mm（由实验室提供）；
τf——抗剪强度，KPa。
2、根据《建筑地基基础设计规范》规定，抗剪强度指标内摩擦角、粘聚力、相应的标准差、变异系数、统计修正系数的计算可按规范中规定的公式进行计算，具体公式可查规范。
3、为了同学们学习方便起见，本次试验可按下述方法绘抗剪强度曲线和确定抗剪强度指标（图12）。
以垂直压力p（KPa）为横坐标，抗剪强度τf为纵坐标，将4个实测点绘在图上，画一视测的平均直线，若各点不在一条近似的直线上，可按相邻的三点连成两个三角形，分别求出两个三角形的重心，然后将两重心连成一直线，即为抗剪强度曲线。
抗剪强度曲线在τf轴上的截距即为粘聚力c，精确至10千帕；其倾角为内摩擦角φ，精确至0.1度。
（四）注意事项：
1、开始剪切之前，切记必须先拔去插销。
否则，量力环被压断，仪器即损坏。
2、加砝码时，应将砝码上的缺口彼此错开，防止砝码一齐倒下压伤脚。
3、如时间允许，同学们可在4个试样中选定一个土样，在剪切过程中手轮每转一圈测计百分表读数一次，直至剪损（表格由实验室提供）。
由手轮转数和百分表读数计算出手轮每转一圈时的剪切变形和剪应力。
图12抗剪强度曲线图 13λ～τ关系曲线
剪变形λ（mm）=0.2-R
剪应力τ（KPa）=C·R
式中：
n――手轮转数；
0.2----手轮每转一圈推动轴前进距离为0.2mm；
C、R――意义同前。
以τ为纵坐标，λ为横坐标，绘制λ～τ关系曲线。
图13表示其典型的变化规律。
4、每组作4个试样，每人交试验结果一份。
D实验建议
1、预习时建议到实验室参观仪器构造，注意加力杠杆的比例和加压设备本身质量，预先算好施加100千帕、200千帕、300千帕、400千帕的垂直压力应加的砝码数。
2、切取试样和推试样入盒时都要特别细心。
3、必须事先记住试验步骤，试验时分好工，各人严守岗位，互相配合，动作应迅速准确，不允许临时一边看指示一边慢慢进行操作。
E预习问题
1、什么情况下要作剪切试验并求出Φ和c值？
2、Φ和c的来源是什么？
土的抗剪强度与哪些因素有关？
实验四土的击实实验
A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。
B试验仪器设备
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。
C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。
D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——试图质量，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。
图的形式见教材。
实验五土的三轴剪切试验
A试验目的
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（σ3）下，施加轴向压力，即主应力差（σ1-σ3），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。
B试验仪器设备
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
2．附属设备：
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1／100，不得有漏气孔。
C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1／3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
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