河北科大土工实验指导书.docx
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河北科大土工实验指导书
土力学试验指导书
适用专业：
土木工程
河北科技大学建筑工程学院
目录
一、土工试验的基本知识-1-
Ⅰ、土样采集和试样制备-1-
Ⅱ、各项试验指标的取值范围及精度要求-4-
Ⅲ、土工实验课及报告的格式要求-5-
二、颗粒分析试验（筛分法）-7-
Ⅰ、筛分试验-7-
三、土的含水率、密度试验-10-
（一）土的含水率实验-10-
（二）密度试验-12-
四、土的液、塑限试验-14-
五、土的压缩试验-17-
六、土的剪切试验-21-
一、土工试验的基本知识
Ⅰ、土样采集和试样制备
1、土样的采集
用于室内土工实验的土样，其颗粒粒径均需小于60cm，土样有原状土与扰动土之分：
保持土的原状结构及天然含水率，并使土样的采集不受扰动的土称为原状土，反之则为扰动土。
土样可在试坑、平洞、竖井、天然地面及钻孔中采集。
在试坑中或天然地面下挖去原状土时，可用有上、下盖的铁皮取土筒，打开下盖，扣在欲取土样的土层上，边挖筒周围土，边压取土筒直至筒内装满土样，然后挖断筒底土层（或左、右轻轻晃动即断），取出土筒，翻转削平筒内土样与筒平齐，若周围有孔隙可用原土填满，盖好下盖，密封取土筒；若用钻机取土时，土样直径不得小于10cm，并应使用专门的薄壁取土器；采用扰动土时，应先清除表层土，然后分层用四分法取样，对于盐渍土，应分别在0~0.05、0.05~0.25、0.25~0.50、0.50~0.75、0.75~1.0m深度上分别取样。
试验所取土样的数量，宜符合表1-1的规定，并应附取土记录表1-2及现场土样描述。
原状土样应符合下列要求：
土样蜡封应严密，保管和运输过程中不得受震、受热、受冻；
土样取样过程中不得受压、受挤、受扭；
土样应充满取土筒。
原状土样和需要保持天然含水率的扰动土样在试验前应妥善保管，并应采取防止水分蒸发的措施。
随土样运到试验单位的同时，该附送试验委托书，如下表1-3所示。
其中各栏应根据取样的实际情况填写，若还有其它的试验要求，可在委托书内说明，分类试验人员在接受土样时，应进行清点核对工作，按要求逐项试验并整理出试验报告。
2、试样的制备
试样制备所需的仪器设备，应符合下列规定：
A、细筛：
孔径0.5mm、2mm、5mm；
B、洗筛：
孔径0.074mm；
C、台秤：
称量10~15kg，感量10g；
D、天平：
称量1000g，感量0.1g；称量200g，感量0.01g；
E、抽气设备：
应附真空测压表和真空缸；
试验结束后剩余的土应妥善保存，并作标记。
当无特殊要求时，余土的贮存期宜为三个月。
试验采集数量和过筛标准表1-1
粘性土
砂性土
过筛标准
原状土
扰动土
原状土
扰动土
（筒）Φ10×20cm
（g）
（筒）Φ10×20cm
（g）
（mm）
含水率
>300
>500
比重
>300
>500
颗粒分析
>300
>500
界限含水率
>500
<0.5
密度
1
1
固结
1
>2000
<2.0
黄土湿陷
1
三轴压缩
2
>5000
>5000
<2.0
膨胀、收缩
2
>2000
<2.0
直剪
1
>2000
>3000
<2.0
击实、承载比
轻型>15000
<5.0
重型>30000
无侧限单轴抗压
1
反复直剪
1
>2000
<2.0
相对密度
>2000
渗透
1
>1000
>2000
<2.0
化学分析
>300
<2.0
离心含水当量
>300
<0.5
2.1原状土试样制备
（1）按土样上下层次小心开启原状土包装皮，将土样取出，整平两端，在环刀内壁涂一薄层凡士林，刀口向下放在土样上，无特殊要求时，切土方向与天然层次垂直。
（2）切削过程中应细心观察，并记录试件的层次、气味、颜色、有无杂质、土质是否均匀、有无裂缝等。
（3）如连续切取数个试件，应注意是含水率不发生变化。
（4）视试样本身和工程要求决定试件是否饱和，如不立即进行试验或饱和时，则将试件暂存于保湿器内。
（5）切取试样后，剩余的原状土用蜡纸包好置于保湿器内，已被补做试验。
切削的余土做物理性质试验。
平行试验或同一组试件的密度值不得大于0.03g/cm3，含水率差值不得大于2%。
2.2扰动土试样制备
（1）将扰动土样进行土样描述，如颜色、土类、气味及杂物等，如有需要，将扰动土充分拌均匀代表性土样进行含水率测定。
（2）将块状扰动土放在橡皮板上，用木板或粉碎机碾散，但切勿压碎颗粒，如含水率较大不能碾散时，应风干至可碾散为止。
（3）根据试验所需土样数量，将碾散后的土样过筛。
物理性质试验如液限、塑限、缩限等试验，需过0.5mm筛；水理性质及力学性质试验土样，需过2mm筛；击实试验土样需过5mm筛。
按规定过筛后取出足够数量的代表性试样，然后分别装入容器内，贴以标签。
标签应注明工程名称、土样编号、过筛孔径、用途、制备日期和人员等，以备各项试验之用。
若含有较多粗砂及少量细粒土（泥砂或粘土）的松散土样，应加水湿润松散后，用四分法取出代表性土样。
若系净砂，则可用匀土器取代表性试样。
（4）为配置一定含水率得试样，取过2mm筛的足够试验用的风干土1~5Kg，计算所需的加水量并充分拌和，然后装入容器后盖紧，浸润24小时后备用，砂性土浸润时间可酌量缩短。
（5）测定浸润土样不同位置的含水率（至少两个以上），要求差值不大于1%。
（6）对不同土层的土样制备混合试样时，应根据各土层厚度，按比例计算相应质量配合，然后按
（1）~（4）的步骤进行扰动土的制备工作。
在扰动土试样制备中，进行的试验项目不同，所需试样高度要求也不同，因而制样时分别选用击样法和压样法。
击样法是将将一定量得湿土分三层倒入装有环刀的击实器内，击实至所需密度；压样法是将一定量的湿土倒入装有环刀的压样器内，拂平土面，以静压将土压入环刀内。
3、试样的饱和
对需要饱和的试样，应根据土的性质选用下列饱和方法：
（1）砂性土采用浸水饱和法
（2）渗透系数大于10-4cm/s的粘性土采用毛细管饱和法（3）渗透系数小于等于10-4cm/s的粘性土采用抽气饱和法。
毛细管饱和法的步骤：
（1）选用叠式或框式饱和器，试样上、下两面分别放滤纸和透水石，装入保湿器内，并旋紧螺母；
（2）将装好的保湿器放入水箱内，注入清水，水面不宜将试样淹没，关箱盖。
浸水时间不得少于两昼夜。
（3）取出饱和器，松开螺母，取出环刀，擦干外壁，称环刀和土的总质量。
抽气饱和法的步骤：
（1）选用真空饱和装置，将装有试样的饱和器放入真空缸，真空缸与盖之间涂一层凡士林，盖紧；
（2）将抽气机与真空缸接通，开通抽气机，当真空压力表读数与一个大气压值相等时，微开管夹，使清水徐徐入真空缸，在注水过程中，真空压力表读数宜保持不变；（3）待水淹没饱和器，停止抽气，开管夹使空气流入真空缸，静置一段时间，粘性土宜为10小时；（4）打开真空缸，从饱和器内取出试样，称试样质量，并计算饱和度，当饱和度低于95%时，应继续抽气饱和。
4、计算
（1）干土的质量应按下式计算：
式中：
—风干土质量（g）；
—风干土（或天然土）质量（g）；
—风干土（或天然土）含水率（%）。
（2）制样所需加水量，应按下式计算：
式中：
—制样所需加水量（g）；
—试样要求的含水率（%）。
（3）制备扰动土试样所需要的土质量，应按下式计算：
式中：
—试样要求的干密度（g/cm3）；V—环刀的容积（cm3）。
（4）试样的饱和度，应按下式计算：
式中符号意义同前。
Ⅱ、各项试验指标的取值范围及精度要求
我们在试验或计算中，会遇到各种土工参数，这些指标在表达时，应符合一定的精度要求，为运用的方便，现将部分常用指标的精度要求列于下表：
指标类型
单位
精度要求
举例
密度
（g/cm3）
二位小数
1.85
含水率
（%）
一位小数
35.1
土粒比重
三位小数
2.742
孔隙比
三位小数
0.697
饱和度
（%）
整数
85
液限
（%）
一位小数
36.7
塑限
（%）
一位小数
21.2
塑性指数
一位小数
12.3
液性指数
（%）
二位小数
66.6
压缩指数
（MPa-1）
二位小数
0.43
压缩模量
（MPa）
一位小数
4.8
内摩擦角
（度）
一位小数
27.8
粘聚力
kPa
一位小数
35.4
粒径组成百分数
（%）
一位小数
75.1
Ⅲ、土工实验课及报告的格式要求
1、学生试验前，应首先预习将要进行的试验项目，如试验目的、试验原理、试验方法、操作步骤以及注意事项应了解。
2、按照老师安排的时间进入试验室，不得迟到早退，在试验完毕后，经过老师检查签字后，方可离开。
3、上课时，不得大声喧哗，扰乱课堂秩序，试验应遵循操作规程，严肃认真，团结合作，尊重科学。
4、试验数据经过教师签字，格式如指导书中所列，数据涂改无效，应将原始记录附于试验报告中。
5、试验报告内容
一份完整的试验报告应包括以下几个部分：
1、试验名称；2、试验目的；3、实验仪器；4、试验原理及操作步骤；5、试验数据整理；6、结论；7、误差分析。
二、颗粒分析试验（筛分法）
土的描述和分类大多以土粒大小和各粒组含量作为依据的，这是最简单也是最主要的标准。
土的颗粒分析就是通过试验的方法测定天然土中各粒组占该土总质量的百分数，其目的是为了研究土的粒径组成情况，供土的分类、初步判断土的工程性质和建材选料之用。
颗粒分析试验的方法大致可分为筛分析法和静水沉降分析法（又称为水分法）两类，静水沉降分析法根据所用的仪器的不同又可分为密度计法、移液管法等。
筛分法适用于粒径小于等于60mm，大于0.075mm的砂性土；静水沉降分析法则适合于粒径小于0.075mm的土；对于混合土如有必要应先进行筛分，余下的粒径小于0.075mm的土在进行水分。
按《大纲》要求仅作筛分试验，故以下介绍筛分试验。
Ⅰ、筛分试验
1、基本原理
筛分法是利用一套孔径不同的标准筛，来分离一定量的砂性土与筛孔相应的粒组，而后称其质量，计算各粒组占土总质量的百分数，确定砂性土的粒度成分、具体名称并粗评其工程性质。
本试验适用于粒径小于、等于60mm，大于0.075mm的砂性土。
2、仪器设备
（1）标准筛
粗筛：
孔径为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm；
细筛：
孔径为2mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm。
（2）天平：
称量5000g，感量5g；称量1000g，感量1g；称量200g，感量0.2g。
（3）摇筛机（带振动、拍打功能）或人工摇筛
（4）其它：
烘箱、晒刷、烧杯、木锤、研钵等。
3、备样
从风干、松散的土样中，用四分法按照下列规定取出具有代表性的试样；
（1）小于2mm颗粒的土100~300g。
（2）最大粒径小于10mm的土300~1000g。
（3）最大粒径小于20mm的土1000~2000g。
（4）最大粒径小于40mm的土2000~4000g。
（5）最大粒径大于40mm的土4000g以上。
4、实验步骤
4.1对于无粘性土
（1）按规定称取试样，将试样分批过2mm的筛。
（2）从上到下按孔径由大到小的次序排列标准筛，将大于2mm的试样从大到小的秩序，依次通过大于2mm的各级粗筛。
将留在筛上的土分别称量。
（3）2mm筛下的图如数量过多，可用四分法缩分至100~800g。
将试样依次通过小于2mm的各级细筛。
可用摇筛机进行震摇，震摇时间一般为10~15min，或手工震摇，以筛中土的下落量来定。
（4）有最大孔径的筛开始，顺序将各筛取下，在白纸上用手轻轻摇晃，至每分钟筛下数量不大于该筛余质量的1%为止，余下的土粒应全部放入下一级筛内，并将留在各筛上的土样用软毛刷刷净，分别称量。
（5）筛后各级筛上和筛底土总质量与筛前试样质量之差不应大于1%。
（6）如2mm筛下的土不超过试样总质量的10%，可省略细筛分析：
如2mm筛上的土不超过试样总质量的10%，可省略粗筛分析。
4.2对于含有粘土粒的砂砾土
（1）将土样放在橡皮板上，用木锤将粘结的土团充分碾散，拌匀、烘干、称量。
如土样过多时，用四分法取代表性的土样。
（2）将试样置于盛有清水的瓷盆中，浸泡并搅拌，是粗细颗粒分散。
（3）将浸润后的混合液过2mm的筛，边冲洗边过筛，直至筛上仅留有大于2mm以上的土粒为止。
然后，将筛上洗净的砂粒风干称量。
按以上方法进行粗筛分析。
（4）通过2mm筛下的混合液存在盆中，待稍沉淀，将上部悬液过0.075mm洗筛，用带橡皮头的玻璃棒研磨盆内浆液，再加清水，搅拌、研磨、静止、过筛，反复进行，直至盆内悬液澄清。
最后，将全部土粒倒在0.075mm筛上，用水冲洗，直到筛上仅留大于0.075mm的静砂为止。
（5）将大于0.075mm的净砂烘干称量，并进行细筛分析。
（6）将大于2mm颗粒及2~0.075mm的颗粒质量从原称量的总质量中减去，即为小于0.075mm颗粒质量。
（7）如果小于0.075mm颗粒质量超过总土质量的10%，有必要时，将这部分土烘干、取样，另采用水分法试验。
5、试验结果的整理分析
（1）计算小于某粒径的颗粒质量占土样总质量的百分数（%）：
式中：
—小于某粒径颗粒的质量（g）；
—土样总质量（g）。
（2）当小于2mm的颗粒如用四分法缩分取样时，试样中小于某颗粒的颗粒质量占土总质量的百分数：
式中：
—通过2mm筛的土样中小于某粒径的颗粒质量（g）；
—通过2mm筛的土样中所取试样质量（g）；
—粒径大于2mm的颗粒质量百分数。
（3）在半对数坐标纸上，以小于某粒径的颗粒质量百分数为纵坐标，以粒径（mm）为横坐标，绘制颗粒大小级配曲线，求出各粒组的颗粒质量百分数，以整数表示（%），确定土名。
（4）计算不均匀系数
和曲率系数
，并评价砂土的工程性质，公式如下：
式中：
—曲线上小于某粒径的百分数分别为10%、30%、60%的土粒直径（mm）。
6、筛分原始数据记录表
试验名称
试验组别
试验
者
试验
日期
杯重
g
总重
g
净土重
g
>2mm
g
>0.5mm
G
>0.25mm
g
>0.074mm
g
留底
g
定名
累计筛余百分量%
备注：
1、该组实到试验人数名；
2、试验表现：
。
（优、良好、一般、差）
主讲教师：
三、土的含水率、密度试验
（一）土的含水率实验
一、实验目的和实验要求
测定土的含水率。
二、实验原理：
土的含水率是指土在105~110℃下烘干到恒量时所失去的水的质量和干土质量的百分比值，以百分数表示。
土在天然状态下的含水率称为土的天然含水率。
三、实验方法
含水率试验方法有烘干法、酒精燃烧法、比重法、碳化钙气压法、炒干法等。
其中以烘干法为室内试验的标准方法，适用于粗粒土、细粒土、有机质土、冻土。
在教学中我们仅介绍烘干法。
四、实验步骤
1、取代表性试样15g左右,放入质量为m0的铝盒内，立即盖上盒盖，称湿土加盒总质量m1，精确至0.01g.
2、打开盒盖，将试样和盒放入烘箱，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。
粘性土不得少于8小时；砂类土不得少于6小时；对含有机质超过10%的土，应将温度控制在65~70℃的恒温下烘至恒量。
注：
在教学实验中，我们采用红外线烘箱，对于粘性土要求烘干时间45min。
3、将烘干后的试样和盒取出，盖好盒盖放入干燥器内冷却至室温，称干土加盒质量m2，精确至0.01g。
注意：
含有有机质土在105～110℃温度下经长时间烘干后，有机质特别是腐植酸会在烘干过程中逐渐分解而不断损失，使测得的含水率比实际的含水率大，土中有机质含量越高误差就越大。
故该实验对有机质含量超过5%的土，规定在65～70℃的恒温下进行烘干。
4、计算含水率：
按下式计算
—水的质量
—干土的质量
五、所需仪器设备
1、烘箱：
采用电热烘箱，应能控制温度为105~110℃。
2、天平：
称量200g,分度值0.01g。
3、其他：
干燥器，称量盒（铝盒）。
六、实验过程中注意事项
要求：
（1）计算准确至0.1%；
（2）本实验需进行2次平行测定，取其算术平均值，允许平行差值应符合下表规定。
含水率（%）
小于10
10—40
大于40
允许平行差值（%）
0.5
1.0
2.0
七、思考题
1．根据试验室测定的土粒密度、土的密度、含水量，如何计算干密度、孔隙比、饱和度？
2．干密度能够实测吗？
八、参考文献
1、《土工试验规程》（SL237—1999）。
2、《土工实验方法标准》（GB/T50123—1999）。
3、《土力学地基基础》
九、处理结果见实验报告
将实验数据记录于下表中
含水率试验记录
试验名称
盒号
盒+湿土（g）
盒+干土（g）
盒（g）
湿土（g）
干土（g）
水（g）
含水率（g）
平均含水率（g）
1
2
3
4=1-3
5=2-3
6=1-2
7=6/5
8
（二）密度试验
一、实验目的和实验要求
测定土的密度，是指土的单位体积质量，是土的基本物理性质指标之一，其单位为g/cm3。
二、实验原理
，式中
—土样的质量，g
—土样的体积，cm3
—土样的密度，g/cm3
三、实验方法
实验方法有环刀法、蜡封法、灌水法、灌沙法。
本实验采用环刀法，环刀法就是采用一定体积环刀切取土样并称土质量的方法，环刀内土的质量与环刀体积之比即为土的密度。
环刀法操作简便且准确，在室内和野外均普遍采用，但环刀法只适用于测定不含砾石颗粒的细粒土的密度。
四、实验步骤
1、按工程需要取原状土或人工制备所需要求的扰动土样，其直径和高度应大于环刀的尺寸，整平两端放在玻璃板上。
2、在天平上称量环刀的质量。
在环刀内壁涂一薄层凡士林，将环刀的刀刃向下放在土样上面，然后用手将环刀垂直下压，边压边削周围土样，至土样上端伸出环刀为止，根据试样的软硬程度，采用修土刀将两端余土削去修平，擦净环刀外壁。
3、在天平上称取环刀加土质量，准确至0.1g。
4、成果整理
按式（3-1）或式（3-2）分别计算湿密度和干密度：
（3-1）
（3-2）
式中
—湿密度（g/cm3），精确至0.01g/cm3；
—干密度（g/cm3），精确至0.01g/cm3；
—湿土质量（g）；
—环刀加湿土质量（g）；
—环刀质量（g）；
—含水率（%）；
—环刀容积（cm3）。
五、所需仪器设备
（1）恒质量环刀，内径6.18cm（面积30cm2）或内径7.98cm（面积50cm2），高20mm，壁厚1.5mm。
（2）天平：
称量500g、最小分度值0.1g，称量200g,最小分度值0.01g。
（3）其它：
调土刀、钢丝锯、凡士林等。
六、实验过程注意事项
环刀法试验应进行两次平行测定，两次测定的密度差值不得大于0.03g/cm3并取其两次测值的算术平均值。
七、参考文献
1、《土工试验规程》（SL237—1999）。
2、《土工实验方法标准》（GB/T50123—1999）。
3、《土力学地基基础》
八、处理结果见实验报告
将实验数据记录于下表中
密度试验记录
试验名称
试验日期
环刀号码
环刀（g）
环刀+土（g）
土（g）
环刀容积（g）
密度（g）
平均密度（g）
1
2
3=2-1
4
5=3/4
6
四、土的液、塑限试验
一、实验目的和实验要求
实验目的：
测定细粒土的液限、塑限，计算塑性指数、给土分类定名，供设计、施工使用。
实验要求：
适用于粒径小于0.5mm颗粒组成及有机质含量不大于干土质量5%的土。
二、实验原理
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。
三、实验方法
液、塑限的测定方法有：
液塑限联合测定法、碟式仪液限试验、滚搓法塑限试验法。
我们采用液、塑限联合测定法。
四、实验步骤
1、本试验宜采用天然含水率试样，当土样不均匀时，采用风干试样，当试样中含有粒径大于0.5mm的土粒和杂物时,应过0.5mm筛。
当采用天然含水率土样时,取代表性土样250g；采用风干试样时,取0.5mm筛下的代表性土样200g,将试样放在橡皮板上用纯水将土样调成均匀膏状,放入调土皿,浸润过夜。
2、分别将试样在毛玻璃板上调制成3~4种不同含水率的土样（用滴管加水及电吹风的方法）。
使其中一种的圆锥入土深度控制在17mm左右，另一种控制在3~4mm，其他的入土深度可较均匀分布在3~17mm的范围内。
3、将制备好的土膏用调土刀调拌均匀，密实地填入试样杯中，应使空气逸出。
高出试样杯的余土用刮土刀刮平，随即将试样杯放在仪器底座上。
4、取圆锥仪，将圆锥擦净，在锥尖部分涂以薄层凡士林，接通电源，使电磁铁吸稳圆锥仪。
5、调节屏幕准线，使初读数为零。
调节升降座，使圆锥仪锥角接触试样面，指示灯亮时圆锥在自重下沉入试样内，经5秒后立即在屏幕上读出锥体入土深度。
重复4、5步骤2、3次，取其平均值。
6、取下试样杯，用小刀刮去沾有凡士林的土后，将锥尖附近的土分别装入两个铝盒，每个铝盒土样不得少于10g，烘干法测定含水率。
7、计算与制图
（1）绘制圆锥下沉深度
与含水率
的关系曲线
以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制
~
的关系曲线。
如图所示。
①三点连一条直线。
②当三点不在一直线上，通过高含水率的一点分别与其余两点连成两条直线，在圆锥下沉深度为2mm处查得相应的含水率，当两个含水率的差值小于2%，应以该两点含水率的平均值与高含水率的点连成一线。
③当两个含水率的差值大于或等于2%时，应补做试验。
（2）确定液限、塑限
在圆锥下沉深度
与含水率
关系图上，查得下沉深度为17mm所对应的含水率为液限
L；查得下沉深度为2mm所对应的含水率为塑限
P，以百分数表示，准确至0.1%。
（3）计算塑性指数和液性指数
塑性指数：
液性指数：
（4）按规范规定确定土的名称
五、所需仪器设备
1、液塑限联合测定仪：
包括带标尺的圆锥仪、电磁铁、显示屏、控制开关和试样杯。
圆锥质量为76g，锥角30°；读数显示光电式。
2、试样杯：
直径40~50mm，高30~40mm；
3、天平：
称量200g，分度值0.01g；
4、其他：
烘箱、干燥器、铝
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