土力学实验指导书.docx
《土力学实验指导书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土力学实验指导书.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
土力学实验指导书
《土力学》试验指导书
重庆交通大学河海学院
岩土与地质工程实验中心
二００八年七月
目 录
前言……………………………………………2
实验一土工参数测试综合试验…………………3
（一）、土样制备………………………………3
（二）、含水量试验……………………………4
（三）、密度试验………………………………5
（四）、比重试验………………………………6
（五）、固结试验………………………………7
（六）、直接剪切试验…………………………9
实验二颗粒分析试验……………………………12
实验三液限和塑限试验…………………………14
3.1搓条法及平衡锥法………………………14
3.2液限塑限联合测定法……………………16
实验四滲透试验…………………………………18
实验五载荷试验…………………………………20
实验六击实试验…………………………………22
实验七三轴试验…………………………………23
前 言
本试验指导书适用于土木工程、港口航道与海岸工程、水利水电等专业的本科生、研究生使用。
本试验是《土力学》课程的重要实践教学环节。
该试验指导书包括以下内容：
土工参数测试综合试验、颗粒分析试验、液限和塑限试验、滲透试验、击实试验、载荷试验、三轴试验等试验项目，通过上述试验可以让学生熟悉各种仪器设备在试验项目中的使用方法，锻炼学生的试验基本技能，掌握试验内容和试验的基本方法，培养学生的动手能力及综合分析问题和解决问题的能力，使学生知道为什么要做这些试验，试验参数在工程设计和施工中如何应用，为今后的实际工程设计、施工和研究工作奠定了坚实的基础。
本指导书主要依据中华人民共和国行业标准《公路土工试验规程》JTJ051-93和ＪＴＧ Ｅ４０－２００７，中华人民共和国国家标准《岩土工程勘察规范》GB50021-2001、中华人民共和国行业标准《公路工程地质勘察规范》JTJ064-98等国家和行业标准，并结合工程实践经验及教材特点编制而成。
由于编者水平有限，若有不当之处，请批评指正。
二00八年七月
实验一土工参数测试综合试验
（一）、土样制备
1.概述
土样的制备是获得正确的试验成果的前提，为保证试验成果的可靠性以及试验数据的可比性，应严格按照规程要求的程序进行制备。
土样制备可分为原状土和扰动土的制备。
本试验主要讲扰动土的制备。
扰动土的制备程序则主要包括取样、风干、碾散、过筛、制备等程序，这些程序步骤的正确与否，都会直接影响到试验成果的可靠性，土样的制备都融合在今后的每个试验项目中。
2.仪器设备
孔径0.5mm、2mm和5mm的筛；天平；击样器；切土刀；橡皮板；木锤；烘箱；喷水设备等。
3.扰动土样制备步骤
（1）将扰动土样进行土样描述，如颜色、气味、夹杂物和土类及均匀程度等，如有需要，将扰动土样拌和均匀，取代表性土样测定其含水量。
（2）将土样风干或烘干，然后将风干或烘干土样放在橡皮板上用木碾碾散，但应注意不得将土颗粒破碎。
（3）将分散后的土样根据各试验项目的要求过筛。
对于物理性试验如液限、塑限等试验，过0.5mm筛；对于力学性试验土样，过2mm筛；对于击实试验、比重试验（比重瓶法），过5mm筛。
（4）为配制一定含水量的试样，根据不同的试验要求，取足够过筛的风干土样，按下面的公式计算加水量，把土样平铺于不吸水的盘内，用喷水壶喷洒预计的加水量，并充分拌和均匀，然后装入容器内盖紧，润湿一昼夜备用。
（5）测定润湿后土样不同位置的含水量（至少二个以上），要求差值不大于±1％。
（6）按下式计算干土质量：
ms=m／（1＋0.01wh）
式中：
ms——干土质量（g）；
m——风干土质量（g）；
wh——风干含水量（％）。
（7）根据试样所要求的含水量，按式计算制备试样所需的加水量：
mw=0.01（w－wh）．ms
式中：
mw——土样所需加水质量（g）；
ms——干土质量（g）；
w——制备试样所要求的含水量（％）；
wh——风干含水量（％）。
（8）根据试验所要求的干密度按下式计算制备试样所需的风干含水率时的总土质量：
m=（1＋0.01wh）．ρd．V
式中：
m——制备试样所需的风干含水量时的总土质量；
ρd——制备试样所要求的干密度（g/cm3）；
V——试样体积（cm3）；
wh——风干含水量（％）。
（9）试件成形，可采用击实法和压样法。
击实法是采用击实仪，将土样击实到所需的密度，用推土器推出，然后将环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上，用切土刀将试件削成略大于环刀直径的土柱，然后将环刀垂直向下压，边压边削，直至土样伸出环刀为止，削平环刀两端。
压样法将根据环刀容积和要求干密度所需质量的湿土，倒入装有环刀的压样器内，采用静压力将土样压紧到的所需密度，然后取出环刀。
（10）把环刀外壁擦干净，称环刀和土的总质量，并同时测定土样的含水量。
试件制备应尽量迅速，以免水分蒸发。
（11）试件制备的数量根据试验项目的需要而定，一般应多制备1~2组备用，同一组试件的密度、含水量与制备标准之差应分别在±0.1g/cm3或2％范围之内。
（二）、含水量试验（烘干法）
1.试验目的
土的含水量指土在105～110℃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。
2.试验方法
烘干法、酒精燃烧法、炒干法、比重法等。
本试验采用烘干法。
3.仪器设备
烘箱，采用电热烘箱，温度能保持在105～110℃；天平，感量0.01g；干燥器；称量盒等。
4.试验步骤
（1）先称称量盒的质量（m1），精确至0.01g。
（2）取具有代表性试样，细粒土不小于为15g，砂类土、有机质土不小于50g，放入已称好的称量盒内，立即盖上盒盖，称湿土加盒总质量（m2），精确至0.01g。
（3）打开盒盖，将试样和盒放入烘箱内，在温度105～110℃的恒温下烘干。
烘干时间与土的类别及取土数量有关。
细粒土不少于8小时；砂类土不得少于6小时；对含有机质超过5%的土，应将温度控制在65～70℃的恒温下烘干。
（4）将烘干后的试样和盒取出，放入干燥器内冷却至室温。
冷却后盖好盒盖，称盒和干土质量（m3），精确至0.01g。
（5）本项试验要求进行二次平行测定，其平行差值需满足以下要求：
当含水量小于5％时，允许平行差值不大于0.3％；当含水量大于5％小于40％时，允许平行差值不大于1％；当含水量大于等于40％时，允许平行差值不大于2％。
当满足上述要求时，含水量取两次测值的平均值。
5.成果整理
（1）按下式计算含水量：
w=（m2－m3）/（m3－m1）×100%
式中：
w——含水量（％）；
m1——称量盒的质量（g）；
m2——盒加湿土质量（g）；
m3——盒加干土质量（g）。
（2）记录表格见实验报告。
6.注意事项
（1）测定含水量时动作要快，以避免土样的水分蒸发。
（2）应取具有代表性的土样进行试验。
（3）称量盒要保持干燥，注意称量盒的盒体和盒盖上下对号。
（4）烘干、冷却由于时间较长，由实验室完成，同学另找时间来称盒加干土质量。
（三）、密度试验
1.试验目的：
土的密度是指土的单位体积的质量，是土的基本物理性质指标之一。
在天然状态下的密度称为天然密度，其单位为g/cm3。
2.试验方法：
试验方法有环刀法、蜡封法、灌水法、灌砂法等。
对于细粒土，采用环刀法；对于易碎裂、难以切削或不规则的土体，可用蜡封法；对于现场粗粒土，一般用灌水法或灌砂法。
本试验采用环刀法。
3.仪器设备
环刀；天平，感量0.1g；切土刀；推土器；白瓷盘；游标卡尺；凡士林等。
4.试验步骤
（1）用卡尺测出环刀的高和内径，并计算出环刀的体积V（cm3）。
（2）称环刀的质量m1，准确至0.1g。
（3）在环刀内壁涂一层薄薄的凡士林油，并将其刃口向下放在试样上。
（4）用切土刀沿环刀外缘将土样削成略大于环刀直径的土柱，然后慢慢将环刀垂直下压，边压边削，到土样伸出环刀上部为止，削去环刀两端余土，使与环刀口面齐平。
把削下的土样做含水量试验。
（5）擦净环刀外壁，称量环刀加土的质量m2，准确至0.1g。
（6）用推土器将试样从环刀中推出。
（7）本试验须进行二次平行试验，其平行差值不大于0.03g/cm3,满足要求取其算术平均值。
5.成果整理
（1）按下式计算土的湿密度：
ρ=（m2－m1）／V
式中：
ρ——土的湿密度（g/cm3）；
m1——环刀的质量（g）；
m2——环刀加土的质量（g）。
（2）按下式计算土的干密度：
ρd=ρ／（1＋0.01w）
式中：
ρd——土的干密度（g/cm3）；
ρ——土的湿密度（g/cm3）；
w——土的含水量（％）。
（3）记录表格见实验报告。
6.注意事项
（1）操作要快，动作细心，以避免土样被扰动破坏结构及水份蒸发。
（2）环刀一定要垂直，加力适当，方向要正。
（3）边压边削的时候，切土刀要向外倾斜，以免把环刀下面的土样削空。
（四）、比重试验
1.试验目的：
土粒比重Gs，是土粒在温度105～110℃下烘至恒重时的质量与土粒同体积4℃时纯水质量的比值。
2.试验方法
根据土粒粒径的不同，土的比重试验可分别采用比重瓶法、浮称法或虹吸筒法。
对于粒径小于5mm的土，采用比重瓶法进行；对于粒径大于等于5mm的土，且其中粒径为20mm的土质量应小于总土质量的10％时，采用浮称法进行；对于粒径大于等于5mm的土，但其中粒径为20mm的土质量大于等于总土质量的10％时，采用虹吸筒法进行。
本试验采用比重瓶法。
3.仪器设备
烘箱；比重瓶，容量100mL；天平，感量0.001g；恒温水槽；电砂浴；温度计；孔径5mm的筛；其它：
匙、漏斗、滴管、洗瓶刷、蒸馏水等。
4.试验步骤
（1）先将洗净、烘干的比重瓶称其质量m1，准确至0.001g.
（2）将过5mm筛并烘干后的土，取不低于15g装入比重瓶内，称试样和瓶的总质量m2，准确至0.001g。
（3）将纯水注入已装有干土的比重瓶中至一半处，摇动比重瓶，将瓶放在电砂浴上煮沸，煮沸时间自悬液沸腾时算起，砂及低液限粘土应不少于30min，高液限粘土应不少于lh，使土粒分散。
（4）将蒸馏水注入已煮好比重瓶至近满，待瓶内温度稳定及悬液上部澄清后，再加满蒸馏水，塞好瓶塞，使多余的水份自瓶塞毛细管中溢出。
将瓶外水份擦干净，称瓶、水、土的总质量m3，准确至0.001g，称后马上测瓶内温度。
（5）把瓶内悬液倒掉，把瓶洗干净，再注满蒸馏水，把瓶塞插上，使多余的水份自瓶塞毛细管中溢出，将瓶外水份擦干净，称比重瓶、水的总质量m4，准确至0.001g。
（6）本试验须进行两次平行测定，其平行差值不大于0.02，然后取其算术平均值。
5.成果整理
（1）按下式计算土的比重：
Gs=Gwt×（m2－m1）/（m4＋（m2－m1）－m3）
式中：
Gs——土粒比重；
m1——空瓶的质量（g）；
m2——瓶加干土的质量（g）；
m3——瓶加水加土的质量（g）；
m4——瓶加水的质量（g）；
Gwt——t℃时蒸馏水的比重（可查相应的物理手册）。
（2）记录表格见实验报告。
6.注意事项
（1）比重瓶、土样一定要完全烘干。
（2）煮沸排气时，防止悬液溅出。
（3）称量时比重瓶外的水份必须擦干净。
（五）、固结试验
1.试验目的：
本试验的目的是测定试样在侧限与轴向排水条件下，变形和压力或孔隙比和压力的关系，绘制压缩曲线，以便计算土的压缩系数a、压缩模量Es等指标，通过各项压缩性指标，可以分析、判断土的压缩特性和天然土层的固结状态，计算土工建筑物及地基的沉降等。
2.试验方法
试验方法有慢速法和快速法。
根据学生试验的实际情况，本试验采用近似的快速法。
3.仪器设备
固结仪：
见图（5）-1；环刀:
面积50cm3，高2cm；天平；测微表；精度；其它：
秒表、烘箱、修土刀、称量盒、滤纸等。
4.试验步骤
（1）根据工程要求，用环刀（50cm3）切取试样备用，并测出土样的密度、含水量、和比重。
（参见前面的试验）
（2）把下护环和大的透水石放入固结容器，并放上一张滤纸。
（3）将带有环刀的试样，刃口向下小心地装入压缩容器的下护环内。
（4）再套入上护环，放上滤纸和稍小的透水石，最后放上加压盖。
（5）轻轻抬起杠杆，将装好试样的压缩容器放在加压台的正中，使加压横梁的凹槽与加压盖的钢珠紧密结合，然后装上测微表（百分表），并预调百分表大于6mm以上，并检查表是否灵敏和垂直。
（学生在试验前应熟悉测微表如何读数。
）
（6）在砝码吊盘上加相当于试样受压约为1kPa的预压荷载，使固结仪的各部分接触良好，并调平加压杠杆，然后调整测微表，使其大指针归零。
（7）卸去预压荷载，施加第一级荷载，其大小可视土的软硬程度或工程情况一般采用25、50、100、200、300、400kPa，或按设计要求，模拟实际加荷情况进行调整。
由于试验教学时间的关系，本试验加荷顺序为50、100、200、300、400kPa。
（8）在加荷同时开动秒表计时，按规定的时间读数，做完一级，再加下一级荷载，直至全部荷载完成。
在试验过程中，应始终保持加压杠杆的平衡。
（9）试验结束后，迅速顺次拆去测微表，卸除砝码，取出环刀，把仪器擦干净。
5.成果整理
（1）按下式计算试样的原始孔隙比：
e0=ρw×Gs（1＋0.01w）／ρ－1
式中：
e0——试样原始孔隙比；
ρw——水的密度（g/cm3），一般取1；
Gs——土粒比重；
w——试样原始含水量（％）；
ρ——试样原始密度（g/cm3）；
（2）按下式计算各级荷载下变形稳定后的孔隙比：
ei=e0－（1＋e0）hi／H
式中：
ei——某一荷载下变形稳定后的孔隙比；
e0——试样原始孔隙比；
hi——某一级荷载下的总变形量（mm）；
H——试样原始高度（mm）；
（3）按下式计算某一荷载范围内的压缩系数：
αi－i+1=1000×（ei－ei+1）／（pi＋1－pi）
式中：
αi－i+1——某一荷载范围内的压缩系数（MPa-1）；
ei——某一荷载下变形稳定后的孔隙比；
pi——某一荷载值（kPa）；
（4）按下式计算某一荷载范围内的压缩模量：
Esi－i+1=（1＋ei）／αi－i+1
式中：
Esi－i+1——某一荷载范围内的压缩模量（MPa）；
ei——某一荷载下变形稳定后的孔隙比；
αi－i+1——某一荷载范围内的压缩系数（MPa-1）；
（5）记录表格见实验报告。
6.注意事项
（1）使用仪器前必须预习，严格按程序进行操作，对仪器不清楚的地方马上问老师。
（2）试验过程中不能卸载，百分表也不用归零。
（3）随时调整加压杠杆，使其保持平衡。
（4）加荷时应轻拿轻放，不得对仪器产生震动。
（5）试验完毕，卸下荷载，取出土样，把仪器打扫干净。
（六）、直接剪切试验
1.试验目的：
测定土的抗剪强度指标φ和c，土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。
通常采用不少于3个试样，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力，测得试样破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角φ和粘聚力c。
2.试验方法：
快剪试验：
在试样上施加垂直压力后立即快速施加水平剪应力。
固结快剪试验：
在试样上施加垂直压力，待试样排水固结稳定后，快速施加水平剪应力。
慢剪试验：
在试样上施加垂直压力及水平剪应力的过程中，均使试样排水固结。
本试验采用快剪试验。
3.仪器设备
应变式直剪仪；环刀；测微表；其它：
秒表、天平、烘箱、蜡纸、修土刀等。
应变控制式直剪仪
1—顶针2—底座；3—透水石；4—测微表；5—活塞；6—上盒；7—土样；8—测微表；9—量力环；10—下盒
4.试验步骤
（1）用环刀切取3～4个试样备用，并测相应的含水量和密度。
（2）安装好剪切盒，插入销钉，在下盒透水石上放一张腊纸。
（3）将带试样的环刀平口向下，对准上盒盒口放好，在试样上面顺序放腊纸和透水石，然后用将试样平稳推入剪切盒中，移去环刀，放上加压盖。
（4）本试验的加荷顺序为100，200，300kPa或400kPa。
（5）按顺时针方向徐徐转动手轮至上盒前端的钢珠刚好与量力环接触（即量力环内的测微计指针刚好开始移动），调整测微计读数为零。
（6）拔去销钉，开动秒表，以每分钟4～12转的均匀速率转动手轮（本试验以每分钟6转为宜），转动过程中不应中途停顿或时快时慢。
使试样在3～5分钟内剪损，手轮每转一圈应测记测微表读数一次，直至量力环的测微表指针不再前进或有后退，即说明试样已剪损。
如测微表指针一直缓慢前进，说明不出现峰值，则破坏以变形控制进行到剪切变形达5mm时为止。
注：
手轮每转一圈推进下盒0.2mm。
（7）剪切结束后，倒转手轮，顺序去掉荷载、加压框架、加压盖与上盒，取出试样。
（8）重复上述步骤，做其它各垂直压力下的剪切试验。
（9）全部做完后，取下土样，把仪器打扫干净。
5.成果整理
（1）按式下式计算剪应力：
τ＝C1×R
式中：
τ——剪应力（kPa）；
R——量力环中测微表读数（0.0lmm）；
C1——量力环校正系数，（kPa/0.01mm）。
（2）按下式计算剪切位移：
L＝20×n－R
式中：
L——剪切位移（0.01mm）；
n——手轮转数。
R——量力环中测微表读数（0.0lmm）。
（3）以剪应力τ为纵坐标，剪切位移L为横坐标，绘制剪应力τ与剪切位移L关系曲线（τ－L关系曲线）；以剪应力τ为纵坐标，垂直压应力P为横坐标（注意纵、横坐标比例尺应一致），绘制剪应力τ与垂直压应力P的关系曲线（τ－p关系曲线），该直线的倾角即为土的内摩擦角φ（°），该直线在纵坐标上的截距即为土的粘聚力c（kPa）。
（4）记录表格见实验报告。
6.注意事项
（1）开始剪切时，一定要切记拔掉销钉，否则试样报废，而且会损坏仪器，若销钉弹出，还有伤人的危险。
。
（2）加荷时应轻拿轻放，避免冲击、震动。
（3）摇动手轮时应尽量作到匀速连续转动，切不可中途停顿。
实验二颗粒分析试验
1.试验目的
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。
2.试验方法与适用范围
筛分法：
适用于粒径大于0.074mm的土；比重计法、移液管法：
适用于粒径小于0.074mm的土。
本试验采用筛分法，对无凝聚性的土进行筛分。
3.仪器设备：
（1）标准筛：
粗筛（圆孔）：
孔径为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm；细筛：
孔径为2mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.074mm。
（2）天平：
称量1000g；称量200g。
（3）其它：
烘箱、研钵、振筛机、瓷盘、毛刷、木碾等：
4.试验步骤（无凝聚性土的筛分法）
（1）从风干、松散的土样中，用四分法按下列规定取出代表性试样：
粒径小于2mm颗粒的土取100g——300g；
最大粒径小于10mm的土取300g——1000g；
最大粒径小于20mm的土取1000g——2000g；
最大粒径小于40mm的土取2000g——4000g；
最大粒径大于40mm的土取4000g以上。
（2）将称好的试样分批过2mm筛，分别称出筛上和筛下土质量。
（3）把大于2mm筛上试样倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中，进行筛分；若2mm筛下的试样数量过多，可以四分法缩分至100～800g，然后也将试样倒入依次叠好的最上层细筛中，进行筛分，细筛也可放在振筛机上震摇，震摇时间一般为10～15min。
（4）由最大孔径筛开始，顺序将各筛取下，在白纸上用手轻叩摇晃，至每分钟筛下数量不大于该级筛余质量的1％为止。
漏下的土粒应全部放入下一级筛内。
并将留在各筛上的试样分别称量。
（5）筛后各级筛上和筛底土的总质量与筛前所取试样质量之差不得大于1%。
（6）若2mm筛下的土不超过试样总质量的10%，可省略细筛分析；若2mm筛上的土不超过试样总质量的10%，则可省略粗筛分析。
5.成果整理
（1）按下式计算小于某孔径土质量百分比：
X=（A／B）×100%
式中：
X——小于某孔径土质量百分比（％）；
A——小于某孔径土质量（g）；
B——称取试样的总质量（g）。
（2）当小于2mm的土样用四分法缩分取样时，试样中小于某孔径土质量百分比：
X=（p×a／b）×100%
式中：
p——小于2mm土占总土质量的百分比（％）；
a——通过2mm筛的土样中小于某孔径土质量（g）；
b——通过2mm筛的土样中所取试样的质量（g）；
（3）按下式计算不均匀系数：
Cu=d60／d10
式中：
Cu——不均匀系数；
d60——小于某孔径土质量为60%的粒经（mm）；
d10——于某某孔径土质量为10%的粒经（mm）。
（4）按下式计算曲率系数：
Cc=d302／（d10×d60）
式中：
Cc——曲率系数；
d60——小于某孔径土质量为60%的粒经（mm）；
d10——于某某孔径土质量为10%的粒经（mm）。
（5）颗粒分析示例
颗粒分析试验表（筛分法）
筛前总土质量＝1200g
孔径（mm）
留筛质量（g）
累计留筛质量（g）
小于该孔径的土质量（g）
小于该孔径土质量百分比（%）
60
1200.0
100.0
40
0.0
0.0
1200.0
100.0
20
47.3
47.3
1152.7
96.1
10
71.8
119.1
1080.9
90.1
5
132.7
251.8
948.2
79.0
2
186.9
438.7
761.3
63.4
1
380.4
819.1
380.9
31.7
0.5
106.8
925.9
274.1
22.8
0.25
132.0
1057.9
142.1
11.8
0.074
58.2
1116.1
83.9
7.0
筛余
74.6
合计
1190.7
6.注意事项
（1）试验时应仔细检查分析筛叠放是否正确。
（2）试验时多震动，严格按要求操作。
（3）筛分时要细心，避免土样洒落，影响试验精度。
实验三液限和塑限试验
3.1搓条法及平衡锥法
1.试验目的
细粒土由于含水率不同，分别处于流动状态，可塑状态、半固体状态和固体状态。
液限是细粒土呈可塑状态的上限含水率，塑限是细粒土呈可塑状态的下限含水率。
本试验是测定细粒土的液限和塑限含水量，用作计算土的塑性指标和液性指数，按塑性指数或塑性图对粘性土进行分类，并可结合土体的原始孔隙比来评价粘性土地基的承载能力。
2.试验方法
可以采用液塑限联合测定法测定测定液限和塑限；也可用搓条法测定塑限，用平衡锥法测定液限。
本试验采用搓条法测定塑限，平衡锥法测定液限，所用土样应过0.5mm的筛。
3.仪器设备：
塑限：
毛玻璃板约300mm
升级会员 