土力学实验指导书.docx
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土力学实验指导书
实验一土的三项基本物理性指标的测定
一、实验目的
土的三项基本物理性指标是指土粒比重ds、土的含水量w和密度ρ，一般由实验室直接测定其数值。
在测定这三个基本指标后，可以换算出其余各个指标。
二、实验原理和方法
1．土粒相对密度ds
土粒质量与同体积的4℃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
式中ρs——土粒密度，即土粒单位体积的质量，g/cm3；
ρw1——4℃时纯水的密度，等于1g/cm3或1t/m3。
一般情况下，土粒相对密度在数值上就等于土粒密度，但两者的含义不同。
土粒比重决定于土的矿物成分，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。
通常也可按经验数值选用，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
土的名称
砂类土
粉性土
粘性土
粉质粘土
粘土
土粒比重
2.65～2.69
2.70～2.71
2.72～2.73
2.74～2.76
2．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
含水量w是标志土含水程度（湿度）的一个重要物理指标。
天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。
土的含水量通常采用“烘干法”测定。
从含水量的定义可知，实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实验方法。
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：
式中：
W——含水量（%）
m1——盒加湿土质量（g）
m2——盒加干土质量（g）
m0——铝盒的质量（g），按盒号查表可得，由实验室提供。
3．土的密度ρ
土单位体积的质量称为土的密度，g/cm3。
在天然含水量情况下的密度称为天然密度，即
测定密度的目的是为了了解土体内部结构的密实情况。
工程中需要以容重值表示时，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”，用一个圆环刀放在削平的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的土，边削边压，使保持天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：
式中：
ρ——土的天然密度g/cm3
m1——环刀与土盒质量g
m2——环刀质量g
V——环刀体积cm3
土单位体积中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度ρd，即
测定土的天然密度ρ后，可换算土的干密度ρd，可按公式：
式中：
ρ——土的天然密度g/cm3
ρd——土的干密度g/cm3
W——土的含水量
三、实验的仪器
1．红外线烘干设备——烘箱（温度105℃）
2．环刀，内径为61.8±0.15mm或79.8±0.15mm，高度为20±0.016mm
3．铝盒：
盒盖和盒身皆刻有号码，实验时务必对号
4．天平：
感量0.01g
5．其他：
切土刀、修土刀、钢丝锯、凡士林等。
四、实验的内容和步骤
（一）土的含水量实验
1．从密度实验切下的土样中取有代表性的土样15~30g，放入铝盒之中，并用刀切碎（以利烘干），立即盖上盒盖，以防水分蒸发。
2．至感量0.01g的天平上称盒加湿土质量m1
3．称完后，打开铝盒盖，拿到烘箱中烘烤40分钟。
4．然后，取出铝盒，盖上盒盖,放入干燥容器内冷却至室温，称盒加干土质量m2精确至0.01g。
（二）土的密度实验
1．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。
2．修土刀（或钢丝锯）将土样上部削成略大于环刀直径的土柱。
3．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。
4．擦净环刀外壁，称环刀与土的质量m1,准确至0.1g。
五、预习要求
本实验是关于土的基本物理指标测定方法的实验，首先要明确该实验的重要性。
做实验以前，应先认真学习教材和实验指导书，完成实验预习报告。
六、实验要求
实验均须进行两次平行测定，其平行差值要求：
土的含水量实验不得大于1％，土的密度实验不得大于0.03g/cm3。
七、实验记录与报告
完成实验记录和实验报告。
A、含水量实验记录
实验者：
姓名___________学号_______________班级____________
实验日期：
_________年_____月_____日
土样编号
铝盒号码
盒加湿土质量
（g）
盒加干土质量
（g）
盒质量
（g）
水质量
（g）
干土
质量
（g）
含水量
W（%）
平均值（%）
m1
m2
m0
m1-m2
m2-m0
1
2
3
4
B、密度实验记录
实验者：
姓名___________学号_______________班级____________
实验日期：
_________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）
④
③—②
天然密度（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
1．土的三个基本物理性指标指哪几个指标？
为什么称它们为基本物理指标？
2．测定土的含水量的关键是取得哪两个数据？
3．测定土的含水量时，为什么要求烘干温度须达１０５℃左右？
4．何为土的天然密度？
5．土的密度有哪几种？
6．土的质量密度（密度）与土的重量密度（重度）有何区别和联系？
7．土的干密度ρd的定义？
它有何工程意义？
8．土粒相对密度与土粒密度有何区别和联系？
9．粘性土土粒相对密度值范围为多少？
实验二界限含水量实验
（液限含水量和塑限含水量的测定）
一、实验目的：
本实验的目的是测定土的液限含水量WL和塑限含水量WP，据此计算出塑性指数IP和液性指数IL，根据塑性指数IP和液性指数IL对黏性土进行分类并确定土的软硬状态。
二、指标的定义
如下图所示，粘性土的物理状态（软硬状态）随着含水量的变化而变化。
所谓液限WL，是粘性土从塑性状态转入流动状态的界限含水量。
所谓塑限WP，是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：
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。
1）反映吸附结合水的能力，即粘性大小
2）大致反映粘土颗粒含量
3）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、实验的方法和步骤
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判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：
a）用锥式液限仪法来测定液限，并规定了共同标准——即圆锥锥体经5s正好沉入土样中10mm，此时土样的含水量作为液限。
b）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：
液限实验
（一）实验仪器：
1、锥式液限仪（见图2－1）
图2－1锥式液限仪示意图
2、天平（感量0.01g）
3、铝盒。
（铝盒重量由实验室提供，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）实验步骤：
1、准备土试样：
取过0.5mm筛风干土样180g，加蒸馏水调拌均匀，静置一昼夜（此步骤由实验室完成）。
2、试样调制：
Ⅰ）取实验室制备好的土样，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，以使土样含水量接近或等于液限。
（那么究竟怎样掌握加水的多少？
回答是只能逐步趋近，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）。
但不宜多次往复涂抹。
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，使锥尖处于土面中央，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，若经过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，立即测定其含水量，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线为准，如图所示。
Ⅱ）如果经过5秒后，沉入深度小于10mm，则说明此时土样含水量小于液限，应重新加水调制和测试。
反之，则含水量大于液限，必须晾干，使土样蒸发水份，再重新测试。
（三）实验要求
本实验要求作两次平行实验，平行差值不得大于2%。
（四）计算方法
计算液限，精确至0.1%
式中:
WL——液限（%）
m1——盒加湿土质量（g）
m2——盒加干土质量（g）
m0——铝盒质量（g）；可按铝盒号码查表而得
（五）液限实验记录
实验者：
姓名___________学号_______________班级____________
实验日期：
_________年_____月_____日
土样编号
铝盒号码
盒加湿土质量（g）
盒加干土质量（g）
盒质量（g）
水质量（g）
干土质量（g）
液限含水量（%）
平均值（%）
m1
m2
m0
m1—m2
m2—m0
1
2
3
4
B、塑限实验（滚搓法）
（一）仪器设备
1、毛玻璃板
2、天平：
感量0.01g
3、其他：
烘箱、干燥器、称量盒、调土器、直径3mm的铁丝等。
（二）操作步骤
1、取0.5mm筛下的代表性试样100g，放在盛土器中加纯水拌匀，湿润过夜。
2、将制备好的试样在手中揉捏至不粘手，捏扁，当出现裂缝时，表示含水量接近塑限。
3、取接近塑限含水量的试样8~10g，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、继续滚搓土条，直至土条直径达到3mm时，产生裂缝并开始断裂为止。
若土条搓至3mm时仍未产生裂缝及断裂，表示这时成样的含水量高于塑限，则将其重新捏成一团，重新滚搓，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，重新取土加适量水调匀后再搓，直至合格。
若土条在任何含水量下始终搓不到3mm即开始断裂，则认为该土无塑性。
5、收集约3~5g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）实验要求
滚搓法塑性实验应进行两次平行测定，两次测值的差值，当Wp小于40%时，不得大于1%，Wp大于或等于40%时，不得大于2%。
（四）计算方法
计算塑限，精确至0.1%
式中：
WP——塑限%
m0——湿土质量g
md——干土质量g
（五）塑限实验记录（滚搓法）
实验者：
姓名___________学号_______________班级____________
实验日期：
_________年_____月_____日
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%
（6）=（4）/（5）×100%
平均含水量%
（7）
四、预习要求
本实验是关于土的界限含水量（液限含水量和塑限含水量）测定方法的实验，首先要明确该实验的重要性。
做实验以前，应先认真学习教材和实验指导书，完成实验预习报告。
五、思考题
1．所谓液限是指粘性土哪种状态的分界含水量？
2．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？
3．用什么方法和用什么标准来判断土正处于液限含水量或塑限含水量？
4．何为塑性指数？
何为液性指数？
5．塑性指数和液性指数有何工程应用？
实验三、土的压缩实验
一、实验目的
本实验是使土样在侧限条件下（即无侧向膨胀下）压缩实验，其目的是通过测定土样在各级载荷下的变形量，以便取得如下实验成果：
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a1—2，并计算压缩模量Es。
二、实验原理和方法
从实验目的可知，压缩实验的核心问题是要取得对应于各级载荷Pi的孔隙比ei。
但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e0。
Ⅱ）再测定侧限条件下，土样在某级载荷Pi下的竖向变形量Si，因为有了这两方面的数据，便可通过计算求得与各级荷载对应的孔隙比ei。
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：
2、在进行压缩实验时，可利用上式反求ei
先将其改写为：
因在压缩实验时，式中H，e0，si为已知，或为测得，故须将其改写为下式，可计算ei
式中H——土样原始高度，即压缩仪环刀的高度=20mm
e0——土样的初始孔隙比，可通过测定土的密度ρ、含水量w和土粒比重Gs
三个基本物理指标而算得
式中Si——土样在某级荷载Pi（Kpa）作用下的总变形量。
它等于百分表初读数与该级荷载下压缩稳定后的终读数之差。
ei——所求对应于某级荷载Pi的孔隙比ei
三、实验仪器
1、压缩仪：
见图3－2。
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
图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、实验的内容和步骤
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，并立即盖上玻璃板，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e0
Ⅰ）土的密度ρ和土的含水量w由土的三项基本物理性指标实验取得；
Ⅱ）测定土的土粒比重Gs（此值由实验室提供,Gs=2.75）
则：
其中：
ρw－纯水的密度，取1g/cm3
3、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，小心的装入护环之中。
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、土样互相对中
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
可用实验室所给的小砝码，挂于杠杆上，若量表指针微动，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
加荷前应先记录百分表初读数。
然后加上第一级荷载，并压缩稳定，记录此时百分表读数，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，使荷重达到第二级载荷，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，进行以下各级荷载的测试。
总之，压缩实验虽对土样分级加载，但荷重是累加的，Si是累计的。
实验时涉及如下几个问题：
（1）第一级荷载的大小——可视土样的软硬采用12.5、25.0或50.0kpa。
学生实验时可取50.0kpa。
（2）荷载等级——一般为12.5、25.0、50.0、100、200、400、800……kpa，最后一级荷载应大于土层的计算压力100~200kpa。
学生实验时，可分50、100、200、400kpa四个等级。
（实验时应根据荷载值，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）压缩稳定标准——一般规定每级荷载下压缩24小时，对于高压缩性，24小时后尚有较大的压缩变形比时，应以每小时压缩量不大于0.005mm作为稳定标准。
学生实验时，因时间有限，每级荷载下只要求压缩20分钟
五、预习要求
本实验是使土样在侧限条件下（即无侧向膨胀下）压缩实验，首先要明确该实验的重要性。
该实验过程较复杂，做实验以前，应先认真学习教材和实验指导书，熟悉实验内容和步骤，完成实验预习报告。
六、实验要求
该实验过程较复杂，应注意指导教师的演示和讲解，同组学生应密切合作，在规定的时间内完成实验。
七、实验记录与报告
完成实验记录和实验报告。
1、实验数据记录及孔隙比ei的计算
实验者：
姓名___________学号_______________班级____________
实验日期：
_________年_____月_____日
土的密度ρ=（g/cm3）土粒比重Gs=2.75含水量W0=%
压力（kPa）
测微表读数Si
试样总变形量S=S0-Si
孔隙比e
0
50
100
200
400
百分表初读数：
S0=_________（mm）
试样原始高度：
H=＿＿＿＿＿（mm）
试样初始孔隙比：
压缩系数：
a1—2=（e1—e2）／（p2—p1）=
其中：
p1=100kpa=0.1Mpa，p2=200kpa=0.2Mpa，e1、e2为对应p1、p2的孔隙比
压缩模量：
Es=（1+e1）/a1—2=
2、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eo？
5．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si？
怎样计算相应的ei？
实验四、土的直接剪切实验
一、实验目的
通过实验测定土样的抗剪强度，绘制粘性土τf—σ关系曲线，确定土的内摩擦角φ和粘聚力c，做为计算地基强度和稳定性的基本指标。
二、实验原理和方法
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：
式中τf——土样抗剪强度，Kpa
K——量力环系数，Kpa/0.01mm
R——量力环终读数与初始读数之差
图4－1应变控制式直剪仪
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
该实验的特点是：
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实验。
测定破坏值（即土试样剪切破坏时读数）的方法：
当百分表读数出现峰值（即增加至此值后指针出现回退）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个重度和含水量相同的的试样，分别在不同垂直压力下剪切破坏，一般可取垂直压力为100、200、300、400kpa，将试验结果绘制成如图4－2所示的抗剪强度τf和垂直压力σ之间关系曲线。
试验结果表明，对于粘性土τf—σ关系曲线基本成直线关系，该直线与横轴的夹角为内摩擦角φ，在纵轴上的截距为粘聚力c；对于无粘性土，τf与σ之间关系则是通过原点的一条直线。
图4－2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，立即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。
学生实验一般采用快剪法。
三、实验仪器
1、直接剪切仪：
见图4－1。
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、实验的内容和步骤
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，并立即盖上玻璃板。
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。
Ⅲ）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。
然后将试样徐徐推入剪切盒中，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，并调节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
Ⅰ）先拔掉穿连上下盒的销钉（此步骤切勿疏忽，否则施加剪力后将导致试验仪器报废）。
Ⅱ）施加法向应力——将一定重量砝码悬挂于加力杠杠上。
砝码重量视计划施加法向应力值而定。
Ⅲ）在试样施加法向应力后，立即摇动手轮（12转/min），均匀地给试样施加水平剪应力。
Ⅳ）同时观测应变圈中的百分表读数的变化和测定破坏值（即土试样剪切破坏时读数）。
5、按照上述步骤，取法向应力σ为100、200、300、400kpa，分别进行四组试样的测试。
五、预习要求
本实验是土的直接剪切实验，首先要明确该实验的重要性。
该实验过程较复杂，做实验以前，应先认真学习教材和实验指导书，熟悉实验内容和步骤，了解注意事项，完成实验预习报告。
六、实验要求
该实验过程较复杂，应注意指导教师的演示和讲解，同组学生应密切合作，在规定的时间
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