土工实验指导书新.docx
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土工实验指导书新
1．土的含水率实验………………………………………1
2．土的密度实验…………………………………………3
3．土的液、塑限联合测定实验…………………………5
4．土体固结实验…………………………………………9
5．土的直接剪切实验…………………………………15
6．土的击实试验………………………………………24
1．土的含水率实验
1.1定义土中水的质量与土粒质量的比值称为土的含水率，以百分数表示。
即
w=
×100%
1.2目的含水率是土的基本物理指标之一，反映土的状态，是计算土的干密度、孔隙比、饱和度等非实测指标的依据。
1.3试验方法及适用范围简介
国标《土工试验方法标准》GB/T50123—1999中，只规定了烘干法测定土的含水率。
1烘干法：
为标准方法。
适用于测粗粒土、细粒土、有机质土和冻土类的含水率。
有机质含量超过5%的土；应在60~70℃的恒温下烘干。
在实践中还可能采用一些其他方法，如：
2酒精燃烧法：
适用于快速简易测定细粒土（含有机质的土除外）或砂类土。
国标中未列入。
一般在野外工程中没有烘箱时采用此法。
3比重法：
仅适用于砂类土。
4红外线照射法：
将土样置于红外线灯光5~15cm内照射约1h即可干燥。
试验证明，其结果较烘干法略大1%左右。
红外干燥箱体积小，有商业产品。
5炒干法：
用锅将试样炒干，适用于砂土及含砾较多的土。
6实容积法：
采用土壤水分速测仪，通过土中固相、液相的体积，按土的经验比重值换算出土的含水率，适用于黏性土。
对于少量试样测试快，而对批量试样则操作过于烦琐。
7微波加热法：
一般几分钟就可烘干。
经试验对比，多数土的测试结果与标准烘干法相对误差小于1.5%。
但不适用一些含金属矿物质的土。
8真空干燥法：
适用于有机质大于5%的土。
9应用放射技术即中子放射，测定土的含水率。
如用核子密度湿度仪。
1.4烘干法
1.4.1仪器设备
1烘箱：
可用电热烘箱或温度能保持100~105℃的其它能源烘箱。
2天平：
称量200g，感量0.01g；称量1000g，感量0.1g。
3干燥器：
附干燥剂（为氯化钙）。
4称量盒：
为简化操作手续，可将盒质量m0称出，3~6个月校正一次。
1.4.2实验步骤
1取具有代表性试样，细粒土15~30g，砂类土、有机质土为50g，放入称量盒内，立即盖好盒盖，称盒加湿土质量m1。
（称量时，应在天平右端放上与该称量盒等质量的砝码，移动天平游码，平衡后称量得m1，准确至0.01g。
）
2打开盒盖放在称量盒下，一并放入烘箱内，在温度105~110℃恒温下烘干。
烘干时间对黏土、粉土不得少于8h，对砂类土不得少于6h。
对含有机质超过5%的土或含石膏的土，应将温度控制在65~70℃的恒温下烘干。
3将烘干后的试样与盒取出，盖好盒盖，放入干燥器内冷却至室温（一般只需0.5~1h即可）。
从干燥器内取出土样盒，称盒加干土质量m2，准确至0.01g。
1.4.3结果整理
1计算土的含水率（%），计算至0.1%。
w=
×100%式中：
w—含水率，%
m1—盒+湿土质量，g
m2—盒+干土质量，g
m0—盒的质量，g
2精密度和允许差
本试验须进行两次平行测定，允许平行差值符合表1-1的规定，取其算术平均值。
表1-1含水率测定的允许平行差值
含水率（%）
允许平行差值（%）
<40
≤1
≥40
≤2
对层状和网状构造的冻土
<3
1.4.4本试验记录格式如表1-2。
表1-2含水率试验记录（烘干法、酒精燃烧法）
工程名称13号住宅楼试验者马贵
土样说明扰动土计算者马贵
试验日期2010年07月18日校核者李玉
土样编号
05
06
07
盒号
1-1
1-2
1-3
1-1
1-2
1-3
盒质量（g）
20.00
20.00
20.00
20.00
20.00
20.00
盒+湿土质量（g）
38.87
40.54
40.65
38.87
40.54
40.65
盒+干土质量（g）
35.45
36.76
36.16
35.45
36.76
36.16
水分质量（g）
=
—
3.42
3.78
4.49
3.42
3.78
4.49
干土质量（g）
=
—
15.45
16.76
16.16
15.45
16.76
16.16
含水率（%）
=
/
22.1
22.6
27.8
22.1
22.6
27.8
平均含水率（%）
22.4
28.0
30.2
1.5酒精燃烧法
1.5.1仪器设备
称量盒（定期称量）、天平（感量0.01g）、酒精（纯度95%）、其它（滴管、火柴）
1.5.2实验步骤
1取代表性土样（黏质土5~10g，砂类土20~30g）放入称量盒内，立即盖好盒盖称盒加湿土质量m1，准确至0.01g。
2打开盒盖，用滴管将酒精注入放有试样的称量盒中，直至盒中出现自由液面为止。
为使酒精在试样中充分混合均匀，可将盒底在桌面上轻轻敲击。
3将土盒放在非易燃物上（如水泥台面），点燃酒精，燃烧至火焰熄灭。
4将试样冷却数分钟，按2、3步骤的方法再滴入酒精，再燃烧。
一般黏土需燃烧三次，砂土两次。
（注意：
火焰未熄灭，切勿再加酒精，以免烧起伤手。
）
5第三次火焰熄灭后，立即盖好盒盖，冷却后称干土加盒质量m2,准确至0.01g。
其余同烘干法。
说明：
含水率试验可在土的液塑限实验中进行。
2．土的密度实验
2.1定义
土的单位体积的质量称为土的密度，即ρ=
式中：
m—土的质量，g
V—与m相应的土体积，cm3
2.2目的
密度是土的基本物理性质指标之一，通过它可以基本了解土体的内部结构及密实情况，可以换算土的干密度、孔隙比、孔隙率、饱和度等指标。
另外，在勘测，设计和施工中也常用到它。
无论室内试验或野外勘查及施工质量的控制均需要测定土的天然密度。
2.3试验方法及其适用范围简介
国标《土工试验方法标准》GB/T50123—1999中，规定了4种密度试验方法：
环刀法、蜡封法、灌水法及灌砂法。
1环刀法：
适用于不含砾石颗粒的均质细粒土，在室内、工地、野外均可普遍采用。
因其操作简便，所以被列为天然密度试验的标准方法。
2蜡封法：
适用于易破裂土和形状不规则的坚硬土。
3灌水法：
适用于现场测定粗粒土和巨粒土的密度。
4灌砂法：
适用于现场测定细粒土、砂类土和砾类土的密度，试样的最大粒径不得超过15mm，测定密度层的厚度为150~200mm。
除以上方法外，还有以下其它方法：
5电动取土法：
适用于硬塑土密度的快速测定。
6水袋法、水银排开法（国标中未列入）
7对于饱和松散砂、淤泥、饱和软黏土，近年来采用放射性同位素法在现场测定天然密度已基本成功，如核子密度湿度仪法，国外则应用γ射线传导加以测定。
2.4环刀法
2.4.1仪器设备
1环刀：
内径6~8cm，高2~5.4cm，壁厚1.5~2.2mm。
可结合试验及仪器设备情况，选用剪切、固结环刀。
规定室内环刀容积为60~150cm3。
施工现场检查填土压实密度时，由于每层土压实度上下不均匀，为提高试验结果的精度，一般采用的环刀容积为200~500cm3。
2天平：
感量0.1g。
3其它：
卡尺（1/50mm）、修土刀、钢丝锯、凡士林、地质锤等。
2.4.2实验步骤
1用卡尺测量环刀的内径及高，计算出环刀内部体积V（0.01cm3）。
用天平称环刀质量m2，准确至0.1g。
2按工程需要取原状土或制备所需状态的扰动土样，整平两端，环刀内壁涂一薄层凡士林，刀口向下放在土样上。
3用修土刀或钢丝锯将土样上部削成略大于环刀直径的土柱，然后将环刀慢慢垂直下压，边压边削，至土样伸出环刀上部为止。
削去两端余土，使与环刀口面齐平，若两面的土有剥落现象，可用切下的碎土补上。
剩余土样测定含水率w0。
4擦净环刀外壁，称环刀与土的合质量m1，准确至0.1g。
2.4.3结果整理
1计算湿密度ρ=
式中：
ρ—湿密度，g/cm3
2计算干密度ρd=
m1—环刀与土的合质量，g
m2—环刀质量，g
V—环刀体积，cm3
ρd—干密度，g/cm3
ω0—含水率，%
23精密度和允许差
本试验须进行两次平行测定，取其算术平均值，其平行差值不得大于0.03g/cm3。
2.4.4本试验记录表格如表2-1。
表2-1密度试验记录（环刀法）
工程名称×××国道试验者杨惠
土样说明原状土计算者杨惠
试验日期2010年7月10日校核者李玉
土样编号
03
04
环刀号
1-2
1-3
1-4
1-6
环刀容积V
cm3
64.34
64.34
200.00
200.00
环刀质量m2
g
63.5
63.5
143.3
144.6
土+环刀质量m1
g
156.2
156.6
465.4
468.9
土样质量
g
=
-
92.7
93.0
322.1
324.3
湿密度ρ
g/cm3
=
/
1.44
1.45
1.61
1.62
含水率w0
%
9.3
9.4
干密度ρd
g/cm3
=
/（1+0.01
）
1.47
1.48
平均干密度
g/cm3
湿：
1.45
干：
1.48
说明：
密度实验可在土的固结实验中进行。
3．土的液、塑限联合测定实验
3.1定义
黏性土随着含水率的不同，分别处于不同的稠密状态，可分为流动状态、可塑状态、半固体状态、固体状态。
为了确定土的稠密状态，就必须首先确定土从某一状态过渡到另一状态的含水率，以便划分其界限，此种含水率称为界限含水率。
液限和塑限是在工程上经常遇到的两种界限含水率，定义如下：
塑限（wP）：
土由塑性状态过渡到半固体状态时的界限含水率。
液限（wL）：
土由流动状态转向塑性状态时的界限含水率。
3.2目的
联合测定土的液限和塑限，用于划分土类、计算天然稠度、塑性指数、液性指数等，评价地基承载力，供工程设计和施工之用。
3.3适用范围：
本试验适用于粒径不大于0.5mm、有机质含量不大于试样总质量5%的土。
3.4仪器设备
1液塑限联合测定仪：
端部带标尺的圆锥（锥质量为76g，锥角为30º）、显示屏、控制开关和盛土杯。
液塑限仪如图3-1所示。
2天平：
称量200g，感量0.01g。
3其它：
筛（孔径0.5mm）、调土刀、调土皿、称量盒、研钵（附带橡皮头的研杵或橡皮板、木棒）、干燥器、吸管、凡士林等。
1．水平调节螺丝11．光源装置
2．电源开关12．圆锥仪
3．电源指示灯13．升降台
4．零线调节旋钮14．底座水平气泡
5．反射镜调节螺丝15．手动/自动选择开关
6．屏幕（读数窗）16．接触指示灯
7．机壳17．手动测量复位按钮
8．物镜调节螺丝18．计时指示灯
9．电磁装置19．读数指示灯
10．光源调节螺丝
图3-1WX-2/SYS-2型光电液塑限联合测定仪
3.5原理
用液塑限联合测定仪测定土在不同含水率w时圆锥入土的深度h，在双对数坐标纸上绘出h—w的关系直线。
在h—w直线上，查得圆锥入土深度h=17mm时的对应含水率为液限wL；查得圆锥入土深度h=2mm时的相应含水率为塑限wP；查得圆锥入土深度h=10时的相应含水率为10mm液限。
3.6实验步骤
1、取有代表性的天然含水率或风干土样进行试验。
如土中含大于0.5mm的土粒或杂物时，应将风干土样用带橡皮头的研杵研碎或用木棒在橡皮板上压碎，过0.5mm的筛。
取0.5mm筛下的代表性土样250g，用少量纯水将土样调成均匀膏状，使其h在3~4mm之间，放入调土皿浸润过夜。
注：
确定w-h关系直线，应不少于三点。
三点的圆锥入土深度h宜为3~4mm，7~9mm，15~17mm。
2、调节底脚螺母，使仪器底座水平。
接通电源，打开开关。
选择手动状态。
圆锥头上涂少许凡士林，提上锥体，在读数窗上将刻度尺调零。
（注：
如选择自动状态，当锥尖与土面一接触，锥体就自由下落，所以最好选择手动状态。
）
3、将制备的土样充分搅拌均匀，分层装入盛土杯，用力压密，使空气逸出。
对于较干的土样应先充分搓揉，用调土刀反复压密。
试杯装满后，刮成与杯边齐平。
4、将装好土样的试杯放在联合测定仪的升降座上，转动升降旋钮，使土样表面与锥尖刚好接触时，按“放”键，锥体下落，5s后读数灯亮且有提示声音，在读数窗上读取锥入深度h1。
5、按复位键，锥头擦净后再涂少许凡士林，提上锥体，读数窗刻度尺应对零。
改变锥尖与土接触位置（锥尖两次锥入位置距离、两次锥入位置与杯边距离不小于1cm），重复步骤4，得锥入深度h2。
h1、h2允许误差为0.5mm，否则应重做。
取h1、h2的平均值作为该点的锥入深度h。
6、去掉锥尖入土处的凡士林，取10g以上的土样两个，分别装入称量盒内，称质量（准确至0.01g），测定其含水率w1、w2（计算到0.1%）。
如在允许误差范围内（1%），计算含水率平均值w。
7、将全部试样再加水，并调匀，重复2~6以上步骤，分别测定土样在第二点、第三点的圆锥下沉深度h及相应的含水率w。
说明：
国标中采用的是一皿法做实验，避免了土样不均匀的状况，因限于课堂时间，采用三皿法做实验。
3.7结果整理
1、画点连线
在二级双对数坐标纸上，以含水率w为横坐标，锥入深度h为纵坐标，点绘a、b、c三点在图上。
连此三点，应呈一条直线。
如三点不在同一直线上，连ab、ac成两条直线。
2、两条直线时的精度校核
h=2mm水平线交ab、ac两条直线为两点，作出两个交点的垂线，如两点对应的含水率的差值<2%时，以两点含水率的平均值与a点连成一条中间直线；如两点含水率的差值>2%时，应重做整个试验。
3、在一条直线（或两直线的中间线）上，在h=17mm与直线的交点处，作交点垂线，查得h=17mm时的对应含水率为液限wL，标出wL；在h=2mm与直线的交点处，作交点垂线，查得h=2mm的相应含水率为塑限wP，标出wP；在h=10mm与直线的交点处，作交点垂线，查得h=10mm的相应含水率为10mm液限；
4、计算塑性指数IP=wL-wP（IP一般不带百分号）。
5、土的分类定名
细粒土：
粒径<0.075mm的土粒质量≥总质量50%的土称为细粒土。
细粒土应按其在塑性图（图3-2）中的位置确定土名称：
（1）当细粒土位于塑性图A线或A线以上时，按下列规定定名：
在B线或B线以右，称高液限黏土，记为CH；
在B线以左，IP=7线以上，称低液限黏土，记为CL。
（2）当细粒土位于A线以下时，按下列规定定名：
在B线或B线以右，称高液限粉土，记为MH；
在B线以左，IP=4线以下，称低液限粉土，记为ML。
图3-2《土的工程分类标准》GB/T50145-2007塑性图
3.8注意事项
1、液塑限联合测定时，土样的含水率均匀及密实与否，对于试验精度影响极大，土样制备时，三个土样的含水率不宜十分接近，否则不易控制联合测定曲线的走向，影响测定精度。
2、含水率接近塑限的那个土样，对测定影响很大。
当含水率等于塑限时，该点控制曲线走向最准。
但此时土样很难调制。
因此，可先将制备好的土样充分搓揉，再将它紧密地压入盛土杯，然后刮平。
3、在抹平盛土杯时，注意不要反复刮抹和振动，防止土样表面液化。
4、操作过程中要注意：
不要用手触摸圆锥仪上的微分尺，要细心保护圆锥仪锥尖。
3.9试验记录表格如表3-1所示。
表3-1液塑限联合测定试验记录
工程名称××住宅基础土样编号1号试验者王红
土样制备风干，过0.5mm筛土样说明计算者李玉
试验日期2010年8月29日校核者王红
试验次数
试验项目
c
（3~4mm）
b
（7~9mm）
a
（15~17mm）
入土
深度h
mm
h1
3.25
8.55
15.90
h2
3.35
8.84
15.60
1/2（h1+h2）
3.30
8.70
15.80
含
水
率
w
%
盒号
4-2
4-3
4-4
4-5
4-6
4-7
盒质量g
19.20
17.90
18.25
19.22
18.92
19.40
盒+湿土质量g
32.60
31.06
33.05
32.19
31.33
32.45
盒+干土质量g
30.03
28.58
29.69
29.27
28.25
29.19
水分质量g
2.57
2.48
3.36
2.92
3.08
3.26
干土质量g
10.83
10.68
11.44
10.05
9.33
9.79
含水率%
23.7
23.2
29.4
29.0
33.0
33.3
平均含水率%
23.4
29.2
33.2
a
实验结果：
b
液限WL=33.8%
塑限WP=21.1%
塑性指数IP=12.7
10mm液限=30.0%
c
土的分类定名：
低液限黏土CL
含水率w
h-w关系图
4．土体固结实验
4.1目的
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，测定土的单位沉降量Si，压缩系数α、压缩模量ES、压缩指数CC、回弹指数CS、固结系数CV以及原状土的先期固结压力PC，沉降速率等。
评价土的压缩性。
4.2原理
试验是将试样放在限制侧向变形的压缩容器内（如图4-1、4-2、4-3所示），分级施加垂直压力，测记加压后不同时间的压缩变形，直至各级压力下的变形量趋于某一稳定标准为止。
然后将各级压力下的最终变形与相应的压强绘成曲线，以求得压缩指标。
4.3试验方法及其适用范围
4.3.1单轴固结仪法：
适用于饱和的黏质土。
当只进行压缩时，允许用非饱和土。
4.3.2快速试验法：
采用快速方法确定饱和黏质土的各项土性指标，是一种近似试验方法。
是每级荷载下固结1h，最后一级荷载固结24h，以两者变形之比作为校正系数校正变形量。
国标认为这种试验的理论依据不足，故未纳入标准。
考虑到公路部门在修建高等级公路时，需采集大量土样作固结试验，为满足实际工作需要，保留此法。
4.4仪器设备
1固结仪：
本实验采用三联固结仪，见图4-1、4-2，试样面积有50cm2和30cm2两种，试样高2cm。
2环刀：
直径为61.8mm或79.8mm，高度为20mm。
3透水石：
由氧化铝或不受土腐蚀的金属材料组成，其透水系数应大于试样的渗透系数。
4变形量测设备：
量程10mm，最小分度为0.01mm的百分表或零级位移传感器。
百分表下直杆的回缩距离可在表盘上读取。
大表盘分100个小格，每小格为0.01mm，当大表盘指针转一圈时，为1mm，小表盘指针会转动一格。
读数一般读黑色表字，应先读小表盘，再读大表盘，估读至0.001mm。
表盘调零或调至初读数：
应推动直杆先将小表盘中小指针对零或对准初读数，用螺栓将百分表固定，然后转动大表盘将大指针对零。
5其它：
天平、秒表、烘箱、钢丝锯、刮土刀、铝盒等。
图4-1压缩容器（试样面积30cm2）示意图
1．容器2．大透水石3．小护环4．小环刀5．小透水石
6．小传压板7．小导环8．大护环9．表杆10．表夹
图4-2三联低压、中压固结仪剖面示意图
1．手轮2．台板3．容器4．百分表5．表夹
6．横梁7．传压头8．平衡锤9．升降杆10．下横梁
11．杠杆12．长水准泡13．吊钩1：
1214．吊钩1：
10
4.5实验前准备工作
1确定试样受压面积：
本次实验采用30cm2试样面积，杠杆比为1:
12，砝码应挂在前吊钩上。
2确定荷载等级：
荷载等级一般规定为50KPa、100KPa、200KPa、300KPa、400KPa、800KPa、1600KPa、3200KPa。
当土很软时，可考虑第一级荷载为25KPa或12.5KPa，最后一级应考虑大于土层上的计算压力100~200KPa或大于土的自重应力与附加应力之和。
注：
限于课堂时间，同学们只作50、100、200、300KPa的固结。
3明确砝码加载顺序：
砝码加载顺序需参考三联固结仪台板上的加压过程表（如表4-1样式），需要注意有30cm2与50cm2两个表格，应采用30cm2土样加压过程表。
如：
第一级荷载为50Kpa，应在吊盘上加上0.319与0.637两个砝码，一起放在前吊钩上。
表4-130cm2土样试验加压过程表
加压顺序
砝码质量（Kg）
土样承受单位压力
（Kpa）
质量
数量
总质量
1
吊盘
1
0.319
12.5
2
0.319
1
0.638
25
3
0.637
1
1.275
50
4
1.275
1
2.55
100
5
2.55
1
5.10
200
6
2.55
1
7.65
300
4.6单轴固结仪法的试验步骤
1、试样制备与取样
根据工程需要切取原状土或制备所需湿度密度的扰动土样。
切取原状土时，应使试样在试验时的受压情况与天然土层受荷方向一致。
按密度方法切取土样，注意刮平试样时，不得用刀往复涂抹土面。
保持土样与环刀内壁密合，并保持完整，否则应重新取样。
切削过程中，应细心观察试样并记录其层次、颜色和有无杂质等。
2、擦净环刀外壁，测密度ρ0，剩余土样测含水率w和土粒密度ρS。
试样需要饱和时，应进行抽气饱和。
3、在压缩容器底板上放大透水石一块，上放小护环，小护环内放湿润滤纸一张，将环刀口向下用小导环固定在容器中，上放湿润滤纸一张及小透水石一块，然后放上小传压板。
如使用为低压固结仪、中压固结仪：
4、将手轮顺时针方向旋转，使升降杆上升到顶点，再逆时针方向旋转1—2转，将压缩容器置于加压框架正中。
然后使加压头对准传压板。
预加1.0kpa压力（小砝码），调整横梁上端传压螺钉，使杠杆水平（长水准气泡居中），旋紧锁紧螺母。
（说明：
顺时针转动手轮，杠杆吊钩端下降；逆时针转动手轮，杠杆吊钩端上升，在加压时吊钩端必然要下降，实验要求杠杆必须水平，所以必须让手轮有逆时针转动的空间。
）
5、将百分表安装在表夹中，向下按百分表，使直杆下端接触横梁上的传压螺钉，调节其伸长距离不小于4mm（即小表盘指针对准≥4的整数），将表夹螺丝拧紧，转动表壳使大指针对零，然后记录初始读数。
6、去掉预压小砝码，立即加第一级压力。
加砝码时应避免冲击和摇晃，在加上砝码同时，立即开动秒表记录时间，在加压过程中，应随时观察杠杆上的气泡，并慢慢逆时针转动手轮保持杠杆水平，严禁顺时针转动手轮，以防产生间隙震动土样。
下接7。
如使用为高压固结仪：
4、旋转台板下的手轮，使立杆升到最顶端将杠杆顶起。
在吊盘上放第一级荷载，将压缩容器置于加压框架正中，旋转横梁上端传压螺钉，使加压头对准传压板，密合传压活塞及横梁（旋转传压螺钉时要注意杠杆下沿不能离开立杆顶端），然后锁紧螺母。
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