实验一颗粒大小分析试验比重计法.docx
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实验一颗粒大小分析试验比重计法
实验一、颗粒大小分析试验（比重计法）
颗粒大小分析试验是测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数，借以明确颗粒大小分布情况，供土的分类与概略判断土的工程性质及选料之用。
根据土的颗粒大小及级配情况常用的方法有筛分法与比重计法，筛分法适用于分析粒径大于0.074mm的土；比重计法适用于粒径小于0.074mm的土。
当土中兼有上述两类粒径时，则应联合使用筛析法与比重计法。
一、基本原理
密度计法是静水沉降分析法的一种，只适用于粒径小于0.075mm的土样。
密度计法是将一定量的土样（粒径<0.075mm）放在量筒中，然后加纯水，经过搅拌，使土的大小颗粒在水中均匀分布，制成一定量的均匀浓度的土悬液（1000mL）。
静止悬液，让土粒沉降，在土粒下沉过程中，用密度计测出在悬液中对应于不同时间的不同悬液密度，根据密度计读数和土粒的下沉时间，就可计算出粒径小于某一粒径d（mm）的颗粒占土样的百分数。
二、仪器设备
1、密度计
目前通常采用的密度计有甲、乙两种，这两种密度计的制造原理及使用方法基本相同,但密度计的读数所表示的含义则是不同的，甲种密度计读数所表示的是一定量悬液中的干土质量；乙种密度计读数所表示的是悬液比重。
（1）甲种密度计，刻度单位以在20ºC时每1000mL悬液内所含土质量的克数来表示，刻度为-5～50，最小分度值为0.5。
（2）乙种密度计，刻度单位以在20ºC时悬液的比重来表示，刻度为0.995～1.020，最小分度值为0.0002。
2、量筒2个：
容积1000mL；
3、三角烧瓶：
容积500ml
4、煮沸设备：
电热器、锥形烧瓶；
5、分散剂：
4%六偏磷酸钠或25%氨水；
6、其他：
搅拌棒、温度计、研钵、秒表、烧杯、瓷皿、天平等。
三、操作步骤
1、密度计的校正
密度计在制造过程中,其浮泡体积及刻度往往不易准确,况且,密度计的刻度是以20C的纯水为标准的。
由于受实验室多种因素的影响，密度计在使用前应对刻度、弯液面、土粒沉降距离、温度、分散剂等的影响进行校正。
（1）土粒沉降距离校正
土粒有效沉降距离计算见各比重计
（2）刻度及弯液面校正
试验时密度计的读数应以弯液面的上缘为准，而密度计制造时其刻度是以弯液面的下缘为准（图1-3），因此应对密度计刻度及弯液面进行校正。
将密度计放入20ºC纯水中，此时密度计上弯液面的上、下缘的读数之差即为弯液面的校正值。
因弯液面上缘刻度永远大于下缘刻度，故此值永远为正。
某些密度计出厂时已注明以弯液面上缘为准，即校正值为零。
（3）温度校正
密度计刻度是在20ºC时刻制的,但试验时的悬液温度不一定恰好等于20ºC,而水的密度变化及密度计浮泡体积的膨胀，会影响到密度计的准确读数，因此需要加以温度校正。
密度计读数温度校正值表1查得
（4）分散剂校正
为了使悬液充分分散，常加一定量的分散剂，悬液的密度则比原来的增大，因此应考虑分散剂对密度计读数的影响。
具体方法是：
将量筒内1000mL的纯水恒温至20ºC,先测出密度计在20ºC纯水中的读数,然后再加试验时采用的分散剂,用搅拌器在量筒内沿整个深度上下搅拌均匀,并将密度计放入溶液中测记密度计读数,两者之差,即为分散剂校正值。
（5）土粒比重校正
密度计刻度系假定悬液内土粒的比重为2.65制作的，若试验时土粒的比重不是2.65，则必须加以正，甲、乙两种密度计的比重校正值可由表2查得。
表1温度校正值
悬液
温度（℃）
甲种密度计温度校正值
乙种密度计温度校正值
悬液
温度（℃）
甲种密度计温度校正值
乙种密度计温度校正值
悬液
温度（℃）
甲种密度计温度校正值
乙种密度计温度校正值
10.0
-2.0
-0.0012
17.0
-0.8
-0.0005
24.0
1.3
0.0008
10.5
-1.9
-0.0012
17.5
-0.7
-0.0004
24.5
1.5
0.0009
11.0
-1.9
-0.0012
18.0
-0.5
-0.0003
25.0
1.7
0.0010
11.5
-1.8
-0.0011
18.5
-0.4
-0.0003
25.5
1.9
0.0011
12.0
-1.8
-0.0011
19.0
-0.3
-0.0002
26.0
2.1
0.0013
12.5
-1.7
-0.0010
19.5
-0.1
-0.0001
26.5
2.2
0.0014
13.0
-1.6
-0.0010
20.0
0
0
27.0
2.5
0.0015
13.5
-1.5
-0.0009
20.5
0.1
0.0001
27.5
2.6
0.0016
14.0
-1.4
-0.0009
51.0
0.3
0.0002
28.0
2.9
0.0018
14.5
-1.3
-0.0008
21.5
0.5
0.0003
28.5
3.3
0.0019
15.0
-1.2
-0.0008
22.0
0.6
0.0004
29.0
3.3
0.0021
15.5
-1.1
-0.0007
22.5
0.8
0.0005
29.5
3.5
0.0022
16.0
-1.0
-0.0006
23.0
0.9
0.0006
30.0
3.7
0.0023
16.5
-0.9
-0.0006
23.5
1.1
0.0007
表2土粒比重校正值
土粒比重
2.50
2.52
2.54
2.56
2.58
2.60
2.62
2.64
2.66
校正值
甲种密度计
1.038
1.032
1.027
1.022
1.017
1.012
1.007
1.002
0.998
乙种密度计
1.666
1.658
1.649
1.641
1.632
1.625
1.617
1.609
1.603
土粒比重
2.68
2.70
2.72
2.74
2.76
2.78
2.80
2.82
2.84
校正值
甲种密度计
0.993
0.989
0.985
0.981
0.977
0.973
0.969
0.965
0.961
乙种密度计
1.595
1.588
1.581
1.575
1.568
1.562
1.556
1.549
1.543
2、处理土样及制备悬液
（1）取代表性试样200～300g,风干并测定试样的风干含水率，放入研钵中，用带橡皮头的研棒研散。
（2）称风干试样30g，倒入500mL锥形瓶，注入纯水200ml,浸泡过夜。
（3）将盛土液的锥形瓶稍加摇晃后放在煮沸设备上进行煮沸，煮沸时间宜为40min。
（4）将冷却后的悬液全部冲入烧杯中，用带橡皮头研棒研磨；静止约1min，将上部悬液倒在0.075mm洗筛上，经漏斗注入1000mL的大量筒内，遗留杯底沉淀物用橡皮头研棒研散，再加适量纯水搅拌，倒出上部悬液过筛入量筒内。
如此反复，直至悬液澄清后将烧杯中全部试样过筛，冲洗干净；将筛上砂粒移入蒸发皿内，烘干后，按试验一步骤2过筛称量，并计算各粒组百分含量。
（5）在大量筒中加入4%浓度的六偏磷酸钠10mL，再注入纯水至1000mL。
（6）将搅拌器放入量筒中，沿悬液深度上下搅拌1min，使土粒完全均布到整个悬液中。
注意搅拌时勿使悬液溅出量筒外。
（7）取出搅拌器，同时立即开动秒表，将密度计放入悬液中，测记0.5、1、2、5、15、30、60、120和1440min时的密度计读数，并测定其相应的悬液温度。
根据试验情况或实际需要，可增加密度计读数次数，或缩短最后一次读数时间。
（8）每次读数时均应在预定时间前10～20s将密度计徐徐放入悬液中部，不得贴近筒壁，并使密度计竖直，还应在近似于悬液密度的刻度处放手，以免搅动悬液。
（9）密度计读数以弯液面上缘为准。
甲种密度计应准确至0.5,估读至0.1；乙种密度计应准确至0.0002,估读至0.0001。
每次读数完毕，立即取出密度计，放入盛有清水的量筒中。
（10）测定悬液温度，应准确至0.5ºC。
五、计算及绘图
1、计算颗粒直径：
式中，d——土颗粒粒径，mm；
——水的动力粘滞系数（kPa·s×10－6）；
Gs——土粒比重；
Gwt——tºC时水的比重；
ρw0——4ºC时纯水的密度，g/cm3；
L——某一时间t内土粒沉降距离，cm；
t——土粒下沉时间，s；
g——重力加速度（cm/s2）；
K——粒径计算系数，与悬液温度和土粒比重有关，可由表3查得。
表3粒径计算系数K值表
温度
t（℃）
土粒比重Gs
2.45
2.50
2.55
2.60
2.65
2.70
2.75
2.80
2.85
5
0.1385
0.1360
0.1399
0.1318
0.1298
0.1279
0.1261
0.1243
0.1226
6
0.1365
0.1342
0.1320
0.1299
0.1280
0.1261
0.1243
0.1225
0.1208
7
0.1344
0.1321
0.1300
0.1280
0.1260
0.1241
0.1224
0.1206
0.1189
8
0.1324
0.1302
0.1281
0.1260
0.1241
0.1223
0.1205
0.1188
0.1182
9
0.1305
0.1283
0.1262
0.1242
0.1224
0.1205
0.1187
0.1171
0.1164
10
0.1288
0.1267
0.1247
0.1227
0.1208
0.1189
0.1173
0.1156
0.1141
11
0.1270
0.1249
0.1229
0.1209
0.1190
0.1173
0.1156
0.1140
0.1124
12
0.1253
0.1232
0.1212
0.1193
0.1175
0.1157
0.1140
0.1124
0.1109
13
0.1235
0.1214
0.1195
0.1175
0.1158
0.1141
0.1124
0.1109
0.1094
14
0.1221
0.1200
0.1180
0.1162
0.1149
0.1127
0.1111
0.1095
0.1080
15
0.1205
0.1184
0.1165
0.1148
0.1130
0.1113
0.1096
0.1081
0.1067
16
0.1189
0.1169
0.1150
0.1132
0.1115
0.1098
0.1083
0.1067
0.1053
17
0.1173
0.1154
0.1135
0.1118
0.1100
0.1085
0.1069
0.1047
0.1039
18
0.1159
0.1140
0.1121
0.1103
0.1086
0.1071
0.1055
0.1040
0.1026
19
0.1145
0.1125
0.1108
0.1090
0.1073
0.1058
0.1031
0.1088
0.1014
20
0.1130
0.1111
0.1093
0.1075
0.1059
0.1043
0.1029
0.1014
0.1000
21
0.1118
0.1099
0.1081
0.1064
0.1043
0.1033
0.1018
0.1003
0.0990
22
0.1103
0.1085
0.1067
0.1050
0.1035
0.1019
0.1004
0.0990
0.0977
23
0.1091
0.1072
0.1055
0.1038
0.1023
0.1007
0.0993
0.0979
0.0966
24
0.1078
0.1061
0.1044
0.1028
0.1012
0.0997
0.0982
0.0960
0.0956
25
0.1065
0.1047
0.1031
0.1014
0.0999
0.0984
0.0970
0.0957
0.0943
26
0.1054
0.1035
0.1019
0.1003
0.0988
0.0973
0.0959
0.0945
0.0933
27
0.1041
0.1024
0.1007
0.0992
0.0977
0.0962
0.0948
0.0935
0.0923
28
0.1032
0.1014
0.0998
0.0982
0.0967
0.0953
0.0939
0.0926
0.0913
29
0.1019
0.1002
0.0986
0.0971
0.0956
0.0941
0.0928
0.0914
0.0903
30
0.1008
0.0991
0.0975
0.0960
0.0945
0.0931
0.0918
0.0905
0.0893
2、小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比计算：
（1）甲种比重计
式中，X——小于某粒径的试样质量的百分比，％；
md——土样干质量，g；
Cs——土粒比重校正值,查表1-2；
R——甲种密度计读数；
mt——悬液温度校正值，查表1-1；
n——弯液面校正值；
——土粒密度，g/cm3
为分散剂校正值。
（2）乙种比重计
式中，
——土粒比重校正值，查表2；
——乙种密度计读数；
——悬液温度校正值，查表1；
——弯液面校正值；
——分散剂校正值；
Vx——悬液体积（＝1000mL）；
——20℃时纯水的密度，取0.9982g/cm3。
3、在半对数坐标上绘制颗粒大小分布曲线，求不均匀系数Cu和曲率系数Cc，说明该土的均一性。
必须指出的是,当试样中既有小于0.075mm的颗粒,又有大于0.075mm的颗粒,需进行密度计法和筛析法联合分析时,应考虑到小于0.075mm的试样质量占试样总质量的百分比,即应将按式（1-4）或式（1-5）所得的计算结果,再乘以小于0.075mm的试样质量占试样总质量的百分数,然后再分别绘制密度计法和筛析法所得的颗粒大小分布曲线,并将两段曲线连成一条平滑的曲线。
4、记录
颗粒分析试验记录表（密度计）
工程编号试验者土样编号湿土质量
含水率干土质量土粒比重比重校正值弯液面校正值
试验时间
下沉时间t（min）
悬液温度T（℃）
比重计读数R
RM=R+m+n-CD
土粒落距L（cm）
粒径d（mm）
小于某粒径的土质量百分数（%）
结果分析：
5、绘制曲线图见下页
思考题
1、加分散剂和煮沸的目的是什么
2、比重计的读数时间间隔为什么前短后长？
3、取土样进行试验，比重计法一般采用30克土，太多货太少对实验有什么影响
试验二、界限含水率试验
细粒土由于含水量不同，分别处于流动状态、可塑状态、半固体状态和固体状态。
液限是细粒土由可塑状态转入到流动状态的界限含水量，塑限是细粒土由半固态转入到可塑状态的界限含水量，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提及不再收缩的含水量。
各项含水量的测定按含水量试验的烘箱法进行。
A、搓滚法塑限试验
一、仪器设备：
毛玻璃板、天平、铝盒、烘箱、烘箱、调土碗、调土刀、蒸馏水、滴管、研钵、带橡皮头的研棒。
二、操作步骤：
（1）选取具有代表性的天然含水量土样或风干土样，用研材研碎土样或压碎过0.5mm的筛，取过筛土样约100g放入调土碗中，加水调拌、浸润，加纯水拌和，浸润静置过夜。
（2）为使试验前试样的含水率使其含水量接近塑限；可将试样在手中捏揉至不粘手，或用吹风机稍微吹干，然后将试样捏扁，如出现裂缝，表示含水率已经接近塑限。
然后取接近塑限的试样一小块，用手掌在毛玻璃上轻轻搓滚，手掌均匀施力于土条，不得使土条在毛玻璃上无力滚动。
土条长度不宜超过手掌宽度。
在任何情况下，土条不得产生中空现象。
（3）当土条搓至直径为3mm时，土条产生裂缝或开始断裂，此时土样达到塑限。
当土条搓至3mm仍未发生裂缝或断裂，表示土含水量高于塑限；若土条搓至大于3mm时就产生裂缝或断裂，则表示含水量低于塑限。
在这两种情况下，都应对土样重新进行调制后再进行试验，直至合格为止；
（4）取合格的土条放入空铝盒中，随即盖紧盒盖，待收集3～5g合格的土条后，测定含水率，即得该土塑限；
（5）塑限计算
式中
——塑限，%
m——湿土质量，g
ms——干土质量，g
m0——盒重，g
液限试验
一、仪器设备：
76g锥式流限仪锥仪、天平（感量0.01g）、铝盒、调土碗、调土刀、滴管、研钵
二、操作步骤
（1）液限试验原则上应采用天然含水率的土样进行制备；取代表性的天然含水率的土样200g左右，放在调土碗中，加蒸馏水调成均匀浓糊状，静置一段时间（时间长短可根据天然含水率大小而定）；
（2）取浸润好的土样放入调土碗中调拌均匀后，取少量调好的土放在调土刀上（约1.5cm），把圆锥擦净，抹一薄层凡士林油，对准土，当锥尖与土样表面接触时，松开手指，使锥在自重作用下沉入土中，当锥上的刻线已深入土中说明土样含水量太大，如果刻线在土样表面上说明土样含水率小，需再加水，反复几次，（3）当刻线接近表面时可装入试杯中，正式进行试验。
（3）用调土刀将试好的土样，分层装入试杯中，边装边压，勿使土样内留有空隙，然后用调土刀齐杯口刮去多余的土，置于杯座上。
刮去余土，不得用刀在土上面反复涂抹。
（4）将圆锥擦拭干净，捏住圆锥手柄，保持锥体垂直，当锥尖与试样表面正好接触时，轻轻松手让锥体沉入土中，经过15s观察椎体下沉深度；
（5）当入土深度达到正好为10mm，且在圆锥环状刻度线处，此时土的含水量即为液限。
（6）若锥体入土深度超过或小于10mm时，表示试样的含水率高于或低于液限，然后将试样全部取出，重复（2~4）的试验步骤重新做；
（7）达到要求后取出锥体，将试样杯中的土样分装到两个称量盒里称重，求其含水率；即得液限。
计算公式：
式中
——液限，%
m——湿土质量，g
ms——干土质量，g
m0——盒重，g
三、实验数据及成果整理
塑性指数：
，根据塑性指数可对粘性土进行分类，定出土的名称。
塑限试验记录表测定方法：
铝
盒
号
铝盒质量
盒加湿土质量
盒加干土质量
水质量
干土质量
含水率（％）
mo
（g）
m1（g）
m2（g）
m1－m2（g）
m2－mo（g）
单值
平均值
液限试验记录表测定方法：
圆锥下沉深度mm
铝
盒
号
铝盒重
盒+湿土重
盒+干土重
水重
干土重
含水率（％）
mo
（g）
m1（g）
m2（g）
m1－m2（g）
m2－mo（g）
单值
平均值
天然含水率
=塑性指数
=液性指数
=
按塑性指数定出土的名称为土
根据液性指数此土处于状态
思考题：
1、什么是土的界限含水量？
2、塑限，液性的大小与哪些因素有关？
工程上为什么普遍按塑性指数对粘性土进行分类？
3、粘性土只根据其天然含水率
，能否判断该土的软硬程度，为什么？
试验三、直接剪切试验
直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用的方法。
通常采用四个试样，分别在不同的垂直压力下，分别施加水平剪切力进行剪切，求得破坏时的剪应力，然后根据库伦定律确定土的抗剪强度参数
和c。
本试验使用应变控制式直剪仪。
可根据实际工程情况需求选用快剪，固结快剪，慢剪，本试验采用快剪
一、仪器设备
1．应变控制式直剪仪：
如下图所示，剪切盒、垂直加压框架、剪力传动装置、测力计以及位移量测系统等组成。
图1应变控制式直剪仪
1-垂直变形量表；2-垂直加荷框架；3-推动座；4-试样；5-剪切容器；6-量力环
2．位移计（百分表）：
量程5~10mm，分度值0.01mm；
3．环刀。
内径6.18cm，高2.0cm。
4．其他。
天平、削土刀、饱和器、滤纸、润滑油等。
二、操作步骤
（1）试样制备：
从原状土样中切取原状土试样或制备给定干密度和含水量的扰动土试样。
按规范规定，测定试样的密度及含水量。
对于扰动土样需要饱和时，按规范规定的方法进行抽气饱和。
（2）对准上下盒，插入固定销。
在下盒内放湿滤纸和透水板。
将装有试样的环刀平口向下，对准剪切盒口，在试样顶面放湿滤纸和透水板，然后将试样徐徐推入剪切盒内，移去环刀。
转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触。
调整测力计读数为零。
依次加上加压盖板、钢珠、加压框架，安装垂直位移计，测记起始读数。
（3）施加垂直压力：
一个垂直压力相当于现场预期的最大压力p，一个垂直压力要大于p，其他垂直压力均小于p。
但垂直压力的各级差值要大致相等。
也可以取垂直压力分别为100、200、300、400kPa各级垂直压力可一次轻轻施加，若土质软弱，也可以分级施加以防试样挤出。
（4）如系饱和试样，则在施加垂直压力5min后，往剪切盒水槽内注满水；如系非饱和试样，仅在活塞周围包以湿棉花，以防止水分蒸发。
（5）在试样上施加规定的垂直压力后，测记垂直变形读数。
当每小时垂直变形读数变化不超过0.005mm,认为以达到固结稳定。
（6）试样达到固结稳定后，拔去固定销，开动秒表，以0.8~1.2mm/min的速率剪切（每分钟4~6转的均匀速度旋转手轮），使试样在3~5min剪损。
转动过程中不应中途停顿或时快时慢
剪损的标准：
①当测力计的读数达到稳定，或有明显后退表示试样剪损；②一般宜剪切至剪切变形达到4mm；③若测力计的读数继续增加，则
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