软土力学试验.docx

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软土力学试验

软弱土力学实验内容及要求

一、实验对象

粘土和粉粘土

二、实验内容

1、密度及含水率实验

2、液限、塑限实验（界限含水率）

3、固结实验【重点需要进行的实验】

4、三轴压缩实验【重点需要进行的实验】

三、实验过程及要求

1、遵守实验室规定，尊重实验室管理人员；

2、实验操作规范，过程记录详实；

3、实验前、后样品对比照片及实验设备照片清晰；

4、实验明确，数据处理可靠，曲线及图表处理正确；

5、实验出现偏差应重做实验；

6、每种测量数据需校核，每种实验样品需5个以上，即每种实验数据需进行5次；

7、分发下去的那几本书，请认真阅读，思考改良试剂配制及改良土物理力学参数实验。

实验过程及数据处理报告指导书

一、环刀法密度试验

（一）试验目的

测定土的湿密度，以了解土的疏密和干湿状态，供换算土的其它物理性质指标和工程设计以及控制施工质量之用。

（二）试验原理

土的湿密度

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。

环刀法是采用一定体积环刀切取土样并称土质量的方法，环刀内土的质量与体积之比即为土的密度。

密度试验方法有环刀法、蜡封法、灌水法和灌砂法等。

对于细粒土，宜采用环刀法；对于易碎裂、难以切削的土，可用蜡封法；对于现场粗粒土，可用灌水法或灌砂法。

（三）仪器设备

1．环刀：

内径6～8cm，高2～3cm。

2．天平：

称量500g，分度值0.01g。

3．其它：

切土刀、钢丝锯、凡士林等。

（四）操作步骤

1．量测环刀：

取出环刀，称出环刀的质量，并涂一薄层凡士林。

2．切取土样：

将环刀的刀口向下放在土样上，然后用切土刀将土样削成略大于环刀直

径的土柱，将环刀垂直下压，边压边削使土样上端伸出环刀为止，然后将环刀两端的余土削平。

3．土样称量：

擦净环刀外壁，称出环刀和土的质量。

（五）试验注意事项

1．称取环刀前，把土样削平并擦净环刀外壁；

2．如果使用电子天平称重则必须预热，称重时精确至小数点后二位。

（六）计算公式

按下列计算土的湿密度：

式中：

ρ—密度，计算至0.01g/cm

；

　m—湿土质量，g；

m1—环刀加湿土质量，g；

m2—环刀质量，g；

　V—环刀体积，cm

。

密度试验需进行二次平行测定，其平行差值不得大于0.03g/cm

，取其算术平均值。

（七）试验记录（图表中数据为其他实验数据，仅作为示意，不用作参考依据）

密度试验记录表（环刀法）

试验者校核者试验日期年月日

土样编号

环刀号

环刀加湿土质量

环刀质量

湿土质量

环刀体积

密度（g/cm³）

m1（g）

m2（g）

m（g）

V（cm³）

单值

平均值

136.00

142.95

34.65

108.30

64.40

1.68

1.67

138.00

141.70

34.68

107.02

64.40

1.66

二、含水率试验（烘干法）

（一）试验目的

测定土的含水率，以了解土的含水情况，是计算土的孔隙比、液性指数、饱和度和其它物理力学性质不可缺少的一个基本指标。

（二）试验原理

含水率反映土的状态，含水率的变化将使土的一系列物理力学性质指标随之而异。

这种影响表现在各个方面，如反映在土的稠度方面，使土成为坚硬的、可塑的或流动的；反映在土内水分的饱和程度方面，使土成为稍湿、很湿或饱和的；反映在土的力学性质方面，能使土的结构强度增加或减小，紧密或疏松，构成压缩性及稳定性的变化。

测定含水率的方法有烘干法、酒精燃烧法、炒干法、微波法等等。

（三）仪器设备

1．烘箱：

采用温度能保持在105～110℃的电热烘箱。

2．天平：

称量500g，分度值0.01g。

3．其它：

干燥器、称量盒等。

（四）操作步骤

1．湿土称量：

选取具有代表性的试样15～20g，放入盒内，立即盖好盒盖，称出盒与

湿土的总质量。

2．烘干冷却：

打开盒盖，放入烘箱内，在温度105～110℃下烘干至恒重后，将试样

取出，盖好盒盖放入干燥器内冷却，称出盒与干土质量。

烘干时间随土质不同而定，对粘质土不少于8h；砂类土不少于6h。

（五）试验注意事项

1．刚刚烘干的土样要等冷却后才称重；

2．称重时精确至小数点后二位。

（六）计算公式

按下式计算土的含水率：

式中：

ω—含水率，计算至0.1%

mo—盒质量，g；

m1—盒加湿土质量，g；

m2—盒加干土质量，g；

m1－m2—土中水质量，g；m1－mo—干土质量，g

含水率试验需进行二次平行试验，其平行差值不得大于2％，取其算术平均值。

（七）试验记录（图表中数据为其他实验数据，仅作为示意，不用作参考依据）

含水率试验记录表（烘干法）

土样编号

盒号

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（％）

m1-m2

m2-mo

单值

平均值

（g）

123

23.58

43.32

38.63

4.69

15.05

31.2

31.3

124

23.56

43.13

38.45

4.68

14.89

31.4

三、界限含水率试验

液限、塑限联合测定法

（一）试验目的

测定粘性土的液限ωL和塑限ωp，并由此计算塑性指数Ip、液性指数IL，进行粘性土的定名及判别粘性土的软硬程度。

（二）试验原理

液限、塑限联合测定法是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水率在双对数坐标上具有线性关系的特性来进行的。

利用圆锥质量为76g的液塑限联合测定仪测得土在不同含水率时的圆锥入土深度，并绘制其关系直线图，在图上查得圆锥下沉深度为17mm所对应得含水率即为液限，查得圆锥下沉深度为2mm所对应的含水率即为塑限。

（三）试验设备

1．液塑限联合测定仪：

如附图1，有电磁吸锥、测读装置、升降支座等，圆锥质量76g，锥角30°，试样杯等；

2．天平：

称量200g，分度值0.01g；

3．其它：

调土刀、不锈钢杯、凡士林、称量盒、烘箱、干燥器等。

（四）操作步骤

1．土样制备：

当采用风干土样时，取通过0.5mm筛的代表性土样约200g，分成三份，分别放入不锈钢杯中，加入不同数量的水，然后按下沉深度约为4～5mm，9～11mm，15～17mm范围制备不同稠度的试样。

2．装土入杯：

将制备的试样调拌均匀，填入试样杯中，填满后用刮土刀刮平表面，然后将试样杯放在联合测定仪的升降座上。

3．接通电源：

在圆锥仪锥尖上涂抹一薄层凡士林，接通电源，使电磁铁吸住圆锥。

4．测读深度：

调整升降座，使锥尖刚好与试样面接触，切断电源使电磁铁失磁，圆锥仪在自重下沉入试样，经5秒钟后测读圆锥下沉深度。

5．测含水率：

取出试样杯，测定试样的含水率。

重复以上步骤，测定另两个试样的圆锥下沉深度和含水率。

（五）试验注意事项

1．土样分层装杯时，注意土中不能留有空隙。

2．每种含水率设三个测点，取平均值作为这种含水率所对应土的圆锥入土深度，如三点下沉深度相差太大，则必须重新调试土样。

（六）计算公式

1．计算各试样的含水率：

式中符号意义与含水率试验相同。

2．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关系曲线，三点连一直线（如附图2中的A线）。

当三点不在一直线上，可通过高含水率的一点与另两点连成两条直线，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≥2％时，应重做试验。

当两个含水率的差值<2％时，用这两个含水率的平均值与高含水率的点连成一条直线（如附图2中的B线）。

3．在圆锥下沉深度与含水率的关系图上，查得下沉深度为17mm所对应的含水率为

液限；查得下沉深度为2mm所对应的含水率为塑限。

附图1光电式液塑限仪结构示意图

1－水平调节螺丝；2－控制开关；3－指示灯；

4－零线调节螺钉；5－反光镜调节螺钉；6－屏幕

7－机壳；8－物镜调节螺钉；9－电池装置；10－光源调节螺钉；11－光源装置；12－圆锥仪；13－升降台；14－水平泡；15－盛土杯

附图2圆锥入土深度与含水率关系图

（七）试验记录（图表中数据为其他实验数据，仅作为示意，不用作参考依据）

液限、塑限联合试验记录表

工程名称试验者

试样编号计算者

试验日期校核者

四、直接剪切试验（快剪法）

（一）试验目的

直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法。

通常采用四个试样为一组，分别在不同的垂直压力σ下，施加水平剪应力进行剪切，求得破坏时的剪应力τ，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角φ和凝聚力C。

直剪试验分为快剪（Q）、固结快剪（CQ）和慢剪（S）三种试验方法。

在教学中可采用快剪法。

（二）试验原理

快剪试验是在试样上施加垂直压力后立即快速施加水平剪切力，以0.8~1.2mm/min的速率剪切，一般使试样在3～5min内剪破。

快剪法适用于测定粘性土天然强度。

应变控制式直剪仪结构示意图

1－垂直变形百分表；2－垂直加压框架；

3－推动座；4－剪切盒；5－试样；6－

测力计；7－台板；8－杠杆；9－砝码

（三）仪器设备

1．应变控制式直接剪切仪：

如图，有剪力盒、垂直加压框架、测力计及推动机构等。

2．其它：

量表、砝码等。

（四）试验步骤

1．切取试样：

按工程需要用环刀切取一组试样，至少四个，并测定试样的密度及含水

率。

如试样需要饱和，可对试样进行抽气饱和。

2．安装试样：

对准上下盒，插入固定销钉。

在下盒内放入一透水石，上覆隔水蜡纸一

张。

将装有试样的环刀平口向下，对准剪切盒，试样上放隔水蜡纸一张，再放上透水石，将试样徐徐推入剪切盒内，移去环刀。

3．施加垂直压力：

转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触，调整测力计中的量

表读数为零。

顺次加上盖板、钢珠压力框架。

每组四个试样，分别在四种不同的垂直压力下进行剪切。

在教学上，可取四个垂直压力分别为100、200、300、400kPa。

4．进行剪切：

施加垂直压力后，立即拔出固定销钉，开动秒表，以每分钟4～6转的均匀速率旋转手轮（在教学中可采用每分钟6转）。

使试样在3～5分钟内剪破。

如测力计中的量表指针不再前进，或有显著后退，表示试样已经被剪破。

但一般宜剪至剪切变形达4mm。

若量表指针再继续增加，则剪切变形应达6mm为止。

手轮每转一圈，同时测记测力计量表读数，直到试样剪破为止。

5．拆卸试样：

剪切结束后，吸去剪切盒中的积水，倒转手轮，尽快移去垂直压力、框架、上盖板，取出试样。

附τ～σ关系曲线

（五）试验注意事项

1．先安装试样，再装量表。

安装试样时要用透水石把土样从环刀推进剪切盒里，试验

前量表中的大指针调至零。

2．加荷时，不要摇晃砝码；剪切时要拔出销钉。

（六）计算及制图

1．按下式计算各级垂直压力下所测的抗剪强度：

式中：

τf—土的抗剪强度，kPa；

C—测力计率定系数，N/0.01mm；

　R—测力计量表读数，0.01mm。

2．绘制τf～σ曲线

以垂直压力σ为横坐标，以抗剪强度τf为纵坐标，纵横坐标必须同一比例，根据图中各点绘制τf～σ关系曲线，该直线的倾角为土的内摩擦角φ，该直线在纵轴上的截距为土的凝聚力C，如附图。

（七）试验记录（图表中数据为其他实验数据，仅作为示意，不用作参考依据）

直接剪切试验记录表

土样编号仪器编号试验者

土样说明测力计率定系数？

kPa/0.01mm校核者

试验方法快剪手轮转数？

转/min试验日期

仪器

编号

垂直压力

测力计读数

抗剪强度

τf

（kPa）

（0.01mm）

（kPa）

16＃

100

32.5

73.5

200

58.2

131.5

300

80.5

181.9

400

112.2

253.6

五、三轴压缩试验

（一）试验目的

三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法。

对堤坝填方、路堑、岸坡等是否稳定，挡土墙和建筑物地基是否能承受一定的荷载，都与土的抗剪强度有密切的关系。

（二）试验原理

土的抗剪强度是土体抵抗破坏的极限能力，即土体在各向主应力的作用下，在某一应力面上的剪应力（τ）与法向应力（σ）之比达到某一比值，土体就将沿该面发生剪切破坏。

常规的三轴压缩试验是取4个圆柱体试样，分别在其四周施加不同的周围压力（即小主应力）σ3，随后逐渐增加轴向压力（即大主应力）σ1直至破坏为止。

根据破坏时的大主应力与小主应力分别绘制莫尔圆，莫尔圆的切线就是剪应力与法向应力的关系曲线。

三轴压缩试验适用于测定粘性土和砂性土的总抗剪强度参数和有效抗剪强度参数，可分为不固结不排水试验（uu）；固结不排水试验（

）和固结排水试验（CD）。

（三）试验设备

1．三轴仪：

包括轴向加压系统、压力室、周围压力系统、孔隙压力测量系统和试样变

形量测系统等。

2．其它：

击样器、饱和器、切土盘、分样器、承膜筒等。

（四）试验步骤

1．切取土样：

先用钢丝锯或切土刀切取一稍大于规定尺寸的土柱，放在切土架上，用

钢丝锯或切土刀紧靠侧板，由上往下细心切削，边切削边转动圆盘，按规定的高度将两端削平、称量；并取余土测定试样的含水率。

2．试样饱和：

试样有抽气饱和、水头饱和及反压力饱和三种方法，最常用的是抽气饱

和。

即将试样装入饱和器内，放入真空缸内，与抽气机接通，开动抽气机，连续真空抽气2～4h，然后停止抽气，静止12h左右即可。

3．试样安装：

将压力室底座的透水石与管路系统以及孔隙水测定装置充水并放上一张滤纸，然后再将套上乳胶膜的试样放在压力室的底座上，最后装上压力筒，并拧紧密封螺帽，同时使传压活塞与土样帽接触。

4．施加周围压力：

分别按100、200、300、400Kpa施加周围压力。

5．测孔隙水压力：

在不排水条件下测定试样的孔隙水压力。

6．调整测力计：

移动量测轴向变形的位移计和轴向压力测力计的初始“零点”读数。

7．施加轴向压力：

启动电动机，合上离合器，开始剪切。

剪切应变速率取每分钟

0.5％～1.0％，当试样每产生轴向应变为0.3％～0.4％时，测记一次测力计，孔隙水压力和轴向变形读数，直至轴向应变为20％时为止。

8．试验结束：

停机并卸除周围压力，然后拆除试样，描述试样破坏时形状。

（五）试验注意事项

1．试验前，透水石要煮过沸腾把气泡排出，橡皮膜要检查是否有漏洞。

2．试验时，压力室内充满纯水，没有气泡。

（六）计算与绘图

1．试样面积剪切时校正值：

式中：

ε1—轴向应变，％，（不固结不排水试验ε1＝△hi/ho；固结不排水和固结排水试验ε1＝△hi/hc）。

2．固结后实测固结下沉量：

3．主应力差的计算：

式中：

σ1—大主应力，kPa；

σ3—小主应力，kPa；

C—测力计率定系数（N/0.01mm或N/mV）；

R—测力计读数（0.01mm或mV）；

Aa—试样剪切时的校正面积，cm2；

10—单位换算系数。

4．孔隙水压力系数的计算：

式中：

B—初始孔隙水压力系数；

uo—施加周围压力后产生的孔隙水压力，kPa；

Af—破坏时的孔隙水压力系数；

ui—试样破坏时，主应力差产生的孔隙水压力，kPa；

附图固结不排水剪强度包线

5．绘制应力圆及强度包线

对不固结不排水试验及固结不排水试验，以法向应力σ为横坐标，剪应力τ为纵坐标。

在横坐标上以（σ1f+σ3f）/2为圆心，（σ1f－σ3f）/2为半径，绘制破坏总应力圆，该包线的倾角为内摩擦角φu或φcu，包线上纵轴上的截距为粘聚力Cu或Ccu。

在横坐标轴上以

为圆心，以（σ1f－σ3f）/2为半径绘制有效破坏应力圆，包线的倾角为有效内摩擦角φ′，包线在纵轴上的截距为有效粘聚力C′，如附图所示。

（七）试验记录（图表中数据为其他实验数据，仅作为示意，不用作参考依据）

三轴压缩试验记录表

附表13－1

工程名称土样高度试验者

土样编号土样面积计算者

土样说明粉质粘土剪切速率校核着

试验方法固结不排水测力计率定系数？

N/0.01mm试验日期

周围压力

固结下沉量

固结后面积

固结后试样高度

轴向变形读数

轴向

应变

试样校正后面积

测力计量表读数

主应力差

大主

应力

孔隙水压力

有效大主应力

有效小主应力

有效主应力比

△hc

△h

ε1

σ1－σ3

σ1

σ1′

σ3′

σ1’/σ３＇

kPa

cm2

0.01mm

kPa

100

0.10

11.72

7.9

0.3

3.75

12.18

19.8

121.82

221.82

193.82

2.69

200

0.10

11.56

7.9

0.6

7.59

12.51

33.0

197.68

397.68

307.68

110

2.80

300

0.11

11.48

7.89

0.7

8.75

12.58

43.2

257.35

557.35

173

384.35

127

3.03

400

0.12

11.36

7.88

0.8

10.00

12.62

62.4

370.54

770.54

230

540.54

170

3.20

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