《土力学》实验指导书12学时1210.docx
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《土力学》实验指导书12学时1210
《土力学》实验指导书
（龚文惠编写）
二零一四年十二月
1.土的密度实验
土的密度是指天然状态下单位体积的土的质量。
一、实验目的
测定土的密度，以便了解土的疏密和干湿状态，供换算土的其它物理性质指标、计算地基应力及控制施工质量之用。
二、实验原理
采用环刀法测定。
用已知质量和容积的环刀取得土样后，称出环刀加土样的总质量，即可知土样的体积和质量，从而算出土样的密度。
即：
式中：
m0——环刀质量（g）；V——环刀容积（cm3）；
m——土样质量（g）；ρ——土样的密度（g/cm3）。
三、仪器设备
1.环刀：
横截面积50cm2，高2cm；
2.托盘天平：
称量500~1000g，感量0.1g；
3.其它：
修土刀、毛玻璃、凡士林油等。
四、操作步骤：
1.土样准备：
取原状或人工制备的扰动土（一般由实验室已制成土饼）。
2.取试样：
在环刀（先编号称重的）内壁涂一层薄薄的凡士林油（切记），将环刀刀口朝下放在土饼上，慢慢用力将环刀下压，边压边削去环刀外侧的残土，至土样向外伸出环刀为止。
再用削土刀沿环刀的顶面和底面削平试样，并擦净环刀外壁。
3.称量：
调平托盘天平后，将环刀连同土样放在天平上称量其总质量，准确至0.1g。
4.数据记录、计算与成果整理。
五、注意事项：
1.环刀取土时，下压方向要正，用力要均匀。
2.环刀周围的土应细心切削，不可用手抠。
3.土样两端修平时，若遇d>5mm的砂粒处于欲修平面而无法修平时，应另取土样重做。
4.称完重后的土样不要从环刀中挤出，以备后续固结或剪切实验之用。
2.土的含水量实验
土的含水量是指土中水的质量与土粒的质量之比。
一、实验目的
测定土的含水量，以了解土的干湿状态，供换算土的其他物理性质指标和状态指标如e、Ip、Il、Sr和评价土的工程性质之用。
二、实验原理
采用烘干法测定。
土中紧紧吸附于土颗粒表面的强结合水只有在105°C的高温下烘烤数小时才可失去。
实验时将湿土样（总质量为m）置于烘箱中烘烤，待土中水全部蒸发至土样达到恒定质量（m），则可算出原来存在于湿土中的水的质量（mw=m－ms），然后计算得土的含水量指标。
即：
式中，w——含水量；m+m0——（湿土样+盒）的质量（g）；
m0——盒的质量（g）；ms+m0——（烘干土样+盒）的质量（g）。
三、仪器设备
1.烘箱：
电热恒温烘箱（保持温度100°~105°C）；
2.天平：
感量0.01g；
3.干燥器：
内装CaCl2等干燥剂；
4.其它：
铝盒、削土刀、匙、盛土碗。
四、操作步骤
1.取土样：
从制备的土中取出至少2份（每份15g~30g）放在不同的铝盒中，盖上盒盖，并记录下盒盖上的编号。
2.称量（湿土+盒）的质量（m+m0）：
用天平称量装有湿土的铝盒质量，准确至0.01g。
3.烘干：
取开盒盖后反扣在盒的底部，连同湿土样一起放入烘箱中烘烤至恒定质量。
4.干燥冷却：
至少两天以后，从烘箱中取出铝盒和土样后，放入干燥器内冷却至室温。
5.称量（干土+盒）的质量（ms+m0）：
从干燥器中取出土样后，立即盖上盒盖，放在天平上称量，准确至0.01g。
6.数据记录、计算与成果整理。
五、思考题
烘干后的土样为什么要放在干燥器中冷却而不宜在空气中自然冷却？
3.土的塑限实验
塑限是粘性土由可塑状态转变为坚硬状态的界限含水量。
一、实验目的
测定粘性土的塑限，用于计算Ip和IL，并为评价粘性土的物理状态和可塑性提供参考。
二、实验原理
采用搓条法测定。
将粘性土配制成稍湿的土样后，用手掌轻轻搓条，若搓至直径为3mm时土条刚好开始断裂，则此时土样的含水量即为塑限。
按测定含水量的方法测出此时的含水量即为塑限。
三、实验设备和仪器
1.毛玻璃板：
约200×300mm。
2.直径3mm的金属棒。
3.其它：
同含水量（烘干法）实验仪器设备。
四、操作步骤
1.制备土样：
取风干粘性土，在调土碗中加入少量蒸馏水使其浸润，静置一昼夜备用（由实验室完成）。
2.搓条：
取土样先在手掌中搓成球形，再放在玻璃板上用手掌均匀用力搓成直径为3mm的长条（与金属棒比较）。
若此时土条刚刚开始断裂，且裂缝间距较均匀，则土样的含水量为塑限。
3.调整：
若搓至3mm时土条不断裂，说明土样的含水量大于塑限，应让其稍许风干后重新搓条；若土条还未搓至直径为3mm时就已断裂，说明土样的含水量小于塑限，应加少量水调匀后再搓。
直至搓条合格为止。
4.测定塑限：
取搓条合格的断裂土条约5g，按含水量实验的方法和步骤测定其含水量即为土样的塑限。
5.成果记录与整理。
五、注意事项
1.土条长度不宜超过手掌宽度。
2.搓条时不要包入空气，土条不能搓成管状，手上不得有汗液或油脂。
3.土条搓至塑限时，土条裂纹应大致均匀，如果裂纹分布极不均匀或无裂纹时土条突然断裂，一般是用力不均匀或不当所造成的，应重搓。
六、思考题：
若土条始终搓不到3mm就断裂，说明什么？
4.土的液限实验
液限是粘性土由可塑状态转变为流动状态的界限含水量。
一、实验目的
测定土的液限，用于计算粘性土的塑性指数和液性指数，从而为确定粘性土的状态、评价其物理力学性质提供依据。
二、仪器设备
1.圆锥式液限仪：
重76g（包括锥体和平衡装置），锥体高25mm，锥角为30°；
2.天平：
感量0.01g；
3.铝盒、调土刀、调土碗、玻璃板、凡士林；
4.烘箱、干燥器、吹风机、秒表等。
三、实验原理
采用锥式液限仪测定法。
将粘性土调成糊状装入盛土杯中，刮平试样表面，将液限仪的锥体轻放在试样表面让其在自重下慢慢下沉，若经历5秒时间，锥体恰好沉入10mm，则此时土样的含水量即为液限。
再按含水量的测定方法测得此时土样的含水量即为液限。
四、操作步骤
1.制备土样：
取烘干或风干的粘性土（过孔径为0.5mm的标准筛后）装入调土碗中，加适量的蒸馏水调成糊状，盖上玻璃板，静置一昼夜待用。
（一般由实验室完成）
2.装取土样：
将制备好的土样用调土刀调匀，分层装入盛土杯中，用调土刀刮平土样表面使与杯口齐平。
3.放锥：
用布擦净圆锥仪表面，在锥体表面涂抹一层凡士林，用手指提住圆锥体手柄，将锥尖对准土样表面中心并恰好与土样表面接触，放开手指，使圆锥在自重下下沉。
4.计时读数：
放锥同时按下秒表开始计时，经历5秒时计下锥体的下沉深度，若此时的下沉深度刚好为10mm，则土样的含水量为液限。
5.调整：
若锥体沉入深度大于（或小于）10mm，则说明土样的含水量大于（或小于）液限。
应将盛土杯中的土样全部取出置于玻璃板上（或调土碗中）适当风干（或加水拌匀），然后在按第2、3、4步重新进行实验，直到下沉深度刚好为10mm时方为合格。
6.测液限含水量：
将测试合格的土样取出一部分，用烘干法测定其含水量即为土的液限。
7.成果记录与整理。
五、注意事项
1.圆锥体上凡士林不能涂抹太多，测试后立即将粘有凡士林的部分土样剜除。
2.向盛土杯中分层装入土样时，不能留有气泡和空隙。
3.土样含水量超过液限时，不能掺入未经湿化的干土，而应让其慢慢风干或用吹风机吹干。
5.土的抗剪强度实验
抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力。
一、实验目的
本实验为设计型实验，要求自行设计试件类型及规格、实验的加载方式、排水条件等实验方案。
对每个试件，测定土的抗剪强度指标（内摩擦角φ和内聚力c）；对整个实验，探讨土的抗剪强度的一些规律（如与某种因素的关系），达到实验方案预期的目标。
二、设备仪器
1.应变控制式直剪仪：
包括剪力盒、施力系统和量力钢环等。
（如图）
1—手摇母轮传力杆；2—底座；3—透水石；9—钢环
5—活塞盖；6、10—剪力盒；7—土样；4、8—百分表
2.环刀、修土刀、秒表、玻璃板、凡士林等。
三、实验原理
采用直剪实验。
如图，通过加压活塞对土样施加轴向压力使土样排水固结，再快速通过连杆对土样施加水平剪力V使其沿规定的剪切面产生剪切变形，直至达到Vmax时土样被剪坏。
设土样的横截面积为A，量力钢环的变形系数为KH（标在剪切仪的钢架上），剪坏时百分表的读数与初始读数之差为δ，则破坏时有：
设计若干组实验（如不同成分、不同含水量、不同击实度、不同密实度等条件下），每组取若干个土样进行平行实验，可测得多组（σ,τf），将各组（σ,τf）值在τf～σ图上描点，并作过这些点的直线，即为土样的抗剪强度直线。
由抗剪强度直线即可得到土的内聚力c和内摩擦角φ。
四、操作步骤
对每组实验，按下列步骤进行：
1.切取土样：
用环刀切取土样四个，用修土刀修平端面，擦去环刀外面的残土。
2.调整直剪仪：
拧动台座下方的杠杆施力系统的调平螺丝，使杠杆基本水平（处于两道红线之间）；将剪力盒安放在滚珠槽上，取出上透水石并插上剪力盒螺栓。
3.安装土样：
将环刀土样刃口朝上（切记）放在剪力盒的槽口上，透水石放在土样上并对准土样中心后均匀用力向下挤压，将土样挤入剪力盒中，再安放上透水石和活塞盖。
4.安装百分表：
在量力钢环中小心安装百分表，使百分表的伸缩端轻轻接触钢环内壁
5.施加竖压：
先取下剪力盒上的固定螺栓（切记），在剪切仪下方杠杆系统砝码座上加一个砝码（土样所受的竖向压力对应为100kPa）。
6.剪切：
选择剪切速度，启动剪切开关，同时观察百分表读数变化和剪切仪的上、下盒间的水平位移。
当上、下盒错开约3～4mm且百分表的指针不再向前走动时，表明试样已被剪坏，停止第一级荷载下的实验，记下百分表的读数。
7.拆卸剪力盒：
土样剪坏后，先卸去砝码，取出剪力盒中的土样，清理剪力盒。
8.再按上述步骤3、4、5、6、7依次对第2、3、4个土样进行实验，所加的砝码依次为2、3、4个（对应土样的竖向压力依次为200、300、400kPa），并依次记下读数。
9.数据计算与成果整理：
用描点法绘出抗剪强度直线，确定内摩擦角φ和内聚力c的值，并对实验结果进行规律性总结。
五、注意事项
1.记录钢环变形系数。
2.砝码要轻放，避免产生冲击荷载。
3.按照自行设计的排水条件放置透水石或隔离纸。
4.按照自行设计的排水条件选择合理的剪切速度。
六、思考题
1.你采用的是哪一方案？
从中可得到什么样的结论？
2.从理论上分析试验结果的误差情况及原因。
6.土的压缩实验
一、实验目的
本实验为综合型实验。
通过不同实验条件下获得的数据，绘制土的压缩曲线，从而计算土的压缩系数或压缩模量，为工程上评价土的压缩性提供依据。
二、实验原理
在侧限条件下对土样施加竖向压力P，使土样沿轴向排水产生压缩变形。
如图所示：
设土样在原始状态时：
高度为H0，空隙比为e0；在压力作用下压缩稳定时：
高度为H，空隙比为e。
由于压缩前后土粒的体积不变、土样的横截面积不变，令Vs=1，故有：
变换后得：
e0可以通过对原始土样进行w、ds、ρ实验后换算求得：
H0为已知，因此只要测出在压力p作用下压缩稳定时的土样高度变化量△H就可计算出土样压缩后的空隙比e，由此得出e～p的对应关系。
分级施加荷载pi，则可得出若干组（pi，ei），在e～p图上描点连成光滑曲线即得土样的压缩曲线。
三、仪器设备
1.双联气压式高、中、低压固结仪；
2.百分表：
最大量程10mm，分辨力0.01mm；
3.环刀、修土刀、烘箱、秒表等；
4.含水量、密度、相对密度实验设备仪器（或实验结果）。
四、操作步骤
1.切取土样：
用环刀切取制备好的土饼，将土样端面削平，并擦去环刀表面余土。
2.安装土样：
将装有土样的环刀刀刃向下，装入固结仪的渗压容器中，再安放上透水石和加压盖及定向钢球。
3.安装固结仪：
将渗压容器小心地装入固结仪中规定的位置，使加压活塞对中。
安装百分表，使其预压5～10mm以适应土样的压缩变形。
4.检查：
将小砝码轻轻放在加压杠杆上，观察百分表的指针，如果指针移动则表明加压系统安置好。
将百分表指针调至零位或记下初始读数。
5.逐级施加荷载：
施加第一级荷载，每隔5分钟读一次读数，共读3次；然后再按同样的步骤加以下各级荷载并读数。
6.卸荷及清理：
实验完毕后，先取下砝码，取下加压盖和透水石后，取出环刀土样，并将固结仪清理干净。
7.数据计录与计算：
记录每级荷载下百分表的起始读数和终止读数，计算土样的初始孔隙比和每级荷载作用下压缩稳定时的孔隙比，绘制压缩曲线，并求出α1~2。
五、注意事项
压缩试验时，三个方案可选：
（1）取3个土样，分别进行低、中、高压试验；
（2）取一个土样，依次进行低、中、高压试验；
（3）取一个土样，在低（或中、高）压下进行反复加载卸载试验。
方案各组自行确定，但报告中应有说明。
六、思考题
1.侧限压缩实验中土样的应力状态与地基土的实际应力状态有何差别？
什么情况下大致相等？
2.天然土层中取出的原状土样进行压缩实验，测出的压缩曲线是否为原始压缩曲线？
3.你采用的是哪一方案？
从理论上分析试验结果的误差情况及原因。
实验补充注意事项：
1．进实验室后，不得大声喧哗，不得嬉闹玩耍。
2．各组就位后，先检查仪器设施、土样是否齐全和完好。
3．实验前，将所有环刀和铝盒编号，并称重；
4．环刀切取土样前，在内壁抹上凡士林；
5．实验总体顺序按1～6进行，但应注意局部穿插：
（1）环刀切取的土样后先进行密度试验，不要从环刀中挤出土样，以备后续压缩和剪切试验用。
（2）液塑限试验中合格的土样不要立即扔弃，要取样进行含水量试验。
（3）用环刀取样时切除的弃土进行含水量试验。
6.剪切和压缩试验中，各组应自行设计试验方案，不得相同，并在报告中加以说明。
7.按实验室约定时间，各组派人称取烘干土重量。
实验报告要求：
（1）按统一的实验报告书写纸，按1～6项实验内容，分项撰写实验报告。
（2）首页左上角处注明顺序号（按名册）。
（3）首页右上角处注明小组全部成员名单（包括自己）。
（4）试验报告请各班学习委员统一收取后，于第19周星期二（2015.1.6）下午5点前交至南二楼220。
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