土工试验指导书.docx
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土工试验指导书
《土质学与土力学》
室内试验指导书
姚多喜蔡劲松编写
目录
试验一含水量试验……………………………………………………1
试验二密度试验（环刀法）…………………………………………2
试验三比重试验………………………………………………………3
试验四颗粒分析试验…………………………………………………5
试验五界限含水量试验（液塑限联合测定法）…………………….11
试验六压缩试验……………………………………………………..13
试验七直接剪切试验………………………………………………..15
试验八渗透试验……………………………………………………..17
试验九击实试验……………………………………………………..19
试验十无侧限抗压强度试验………………………………………..21
试验十一三轴剪切试验……………………………………………..23
试验记录………………………………………………………………..26
试验须知
1.试验前要认真阅读试验指导书，明确所作实验的目的、要求和注意事项。
2.必须遵守实验室规章制度，遵守课堂纪律保持安静。
3.试验课必须专心听讲，服从指导教师的安排和指导，按照操作归程认真操作，正确读数，细心观察，认真记录，不得草率敷衍，拼凑数据。
4.试验报告必须独立完成，不得抄袭别人的数据。
5.爱护仪器设备，不准动用与本次试验无关的仪器设备。
如发生仪器设备损坏要及时向指导教师报告，属责任事故的，按有关规定赔偿。
6.试验完毕后做好整理工作，将试剂、材料、工具和仪器放回原处，洗刷器皿，清扫试验场地，切断电源、水源、气源，经指导教师检查合格后方可离开。
试验一含水量试验
土的含水量（也称土的湿度）是土在温度100～105℃下烘到恒重时失去的水分质量与达到恒重后干土质量的比值，以百分数表示。
一、试验目的
测定土的含水量，以了解土的含水情况，是计算土的孔隙比、液性指数、饱和度和其他物理力学性质不可缺少的一个基本指标。
二、试验方法
本试验采用烘干法测定。
烘干法适用于粘性土、砂土和有机质含量土类
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，感量0.01g；
3.其它干燥器、铝盒等。
四、操作步骤
1.称空铝盒的质量，准确至0.01g。
2.取代表形试样15～30g，放入铝盒内，并立即盖好盒盖，称试样加铝盒的质量，准确至0.01g。
3.揭开盒盖，将盒盖套在盒底下，一起放入烘箱，在100～105℃下烘至恒定质量。
烘干时间对粘性土不得少于8h，对砂性土不得少于6h。
对有机质超过5％的土，应将温度控制在65～70℃的恒温下烘干。
4.将烘干的试样与盒取出，盖好盒盖放入干燥器内冷却至室温，称干样加铝盒的质量，准确至0.01g。
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。
3.本试验需进行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（%）
＜10
10~40
＞40
允许平行差值（%）
0.5
1.0
2.0
六、计算公式
按下式计算土的含水率：
（计算至0.1％）
式中W－含水量；
－铝盒加湿土质量（g）；
－铝盒加干土质量（g）；
－铝盒质量（g）。
试验二密度试验（环刀法）
土的密度是指土的单位体积质量。
一、试验目的
测定土的湿密度，以了解土的疏密和干湿状态，供换算土的其他物理性质指标和工程设计以及控制施工质量之用。
二、试验方法
一般常用环刀法及蜡封法测定粘性土的密度，两者主要得区别在于测定土的体积的方法不同。
环刀法适用于细粒土；蜡封法适用于土中含有粗粒或者坚硬易碎难以用环刀切割的土，或者试样量少，只有小块形状不规则时使用。
三、仪器设备
1.环刀内径6～8cm，高2～3cm；
2.天平感量0.1g；
3.其它切土刀、钢丝锯、凡士林等。
四、操作步骤
1.测出环刀的容积V，在天平上称环刀质量。
2.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。
3.将环刀的刀口向下放在土样上面，然后用手将环刀垂直下压，边压边削使至土样上端伸出环刀为止，削去两端余土修平，两端盖上平滑的圆玻璃片，以免水分蒸发。
4.擦净环刀外壁，拿去圆玻璃片，秤取环刀加土的质量，准确至0.1g。
五、试验注意事项
1.密度试验应进行2次平行测定，两次测定的差值不得大于0.03g/cm3，取两次试验结果的算术平均值；
2.密度计算准确至0.01g/cm3。
六、计算公式
1.湿密度
（计算至0.01g/cm3）
式中
—湿密度（g/cm3）；
g—土的质量（g）；
V—环刀的体积（cm3）；
g1—环刀加土的质量（g）；
g0—环刀质量（g）。
2.干密度
式中
—干密度（g/cm3）；
—湿密度（g/cm3）；
—土的含水率（％）。
试验三比重试验
一、试验目的
测定土粒的比重，为计算土的孔隙比、饱和度以及为其他土的物理力学试验（如颗粒分析的比重计法试验、压缩试验等）提供必需的数据。
二、试验方法
通常采用比重瓶法（适用于粒径小于5mm的各类土），在用比重瓶法测定土粒体积时，必须注意所排除的液体体积确能代表固体颗粒的真实体积。
土中含有气体，试验时必须把它排尽，否则影响测试精度，可用沸煮法或抽气法排除土内气体。
所用的液体为蒸馏水。
若土中含有大量的可溶盐类、有机质、胶粒时，则可用中性溶液，如煤油、汽油、甲苯和二甲苯，此时，必须采用抽气法排气。
三、仪器设备
1.比重瓶容量100cm3或50cm3；
2.分析天秤感量0.001g，称量200g；
3.砂浴（或可调电加热器）；
4.真空抽气设备；
5.温度计测定范围0～50℃，精确至0.5℃；
6.其他恒温水槽；烘箱、蒸馏水、中性液体、小漏斗、干毛巾、小洗瓶、磁钵及研棒、孔径为5mm筛等。
四、操作步骤
1.取有代表性的风干土样约100g，充分研散并全部过5mm的筛。
将过筛风干土及洗净的比重瓶在100～105℃下烘干，取出后置于干燥器内冷却至室温称量后备用。
2.将比重瓶烘干，冷却后称得瓶的质量。
3.称烘干试样15g，经小漏斗装入比重瓶中，称得瓶加试样的质量。
4.将已装有干试样的比重瓶，注蒸馏水至瓶的一半处，稍加摇动后放在砂浴上煮沸排气。
煮沸时间自悬液沸腾时算起，粘土约1h，粉土、砂土约0.5h。
煮沸时应注意不使土粒溢出瓶外。
然后，将比重瓶取下冷却。
5.将事先煮沸并冷却的蒸馏水注入瓶中，如是短颈比重瓶，应注水近满瓶，如是长颈瓶，注水至略低于刻度处，然后置于恒温水槽内（水温20℃），使瓶内外水温相同。
6.取出比重瓶，用滴管加蒸馏水至满瓶（或刻度），擦干瓶表面，称得瓶、试样和水的总质量。
7.倾去悬液，洗净比重瓶，注入与试验时同温度的煮沸过的蒸馏水近于满瓶（或刻度）然后放入恒温水槽15min，取出后用滴管加蒸馏水至满瓶（或刻度），擦干瓶表面，称得瓶及水的质量。
8.用中性液体代替蒸馏水测定可溶盐、粘土矿物或有机质含量较高的土的土粒密度时，常用真空抽气法排除土中空气。
抽气时真空度应接近0.101325MPa，从达到0.101325MPa时算起，抽气时间一般为1～2h，直至悬液内无气泡逸出为止，其余步骤同前。
五、试验注意事项
1.煮沸（或抽气）排气时，必须防止悬液溅出瓶外，火力要小，并防止煮干。
必须将土中气体排尽，否则影响试验成果。
2.必须使瓶中悬液与蒸馏水的温度一致。
3.称量必须准确，必须将比重瓶外水分擦干。
4.若用长颈式比重瓶，液体灌满比重瓶时，液面位置前后几次应一致，以弯液面下缘为准。
5.本试验必须进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于0.02，取两次测值的平均值。
六、计算公式
试样的密度（
），应按下式计算：
（精确至0.01g/cm3）
式中ms—土粒的质量（g）；
m1—瓶加水加土的质量（g）；
m2—瓶加水的质量（g）；
—t℃时蒸馏水的密度（g/cm3）。
表3－1不同温度时水的密度
水温℃
4.0～12.5
12.5～19.0
19.0~23.5
23.5~27.5
27.5~30.5
30.5~33.0
水的密度（g/cm3）
1.000
0.999
0.998
0.997
0.996
0.995
试验四颗粒分析试验
颗粒分析就是用试验的方法求出小于某种粒径的颗粒所占土质量的百分数。
一、试验目的
通过颗粒组分分析可以了解土中颗粒大小的分配情况，并能为土的分类及概略判断其工程地质性质、建材选料提供所需的材料。
二、试验方法
颗粒分析试验可分为筛析法和密度计法，对于粒径大于0.075mm的土粒可用筛析法测定，而对于粒径小于0.075mm的土粒则用密度计法来测定。
4.1筛析法
筛析法是将土样通过各种不同孔径的筛子，并按筛子孔径的大小将颗粒加以分组，然后再称量并计算出各个粒组占总量的百分数。
（一）仪器设备
（1）标准筛一套：
孔径分别为5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm；
（2）普通天平：
感量0.1g，称量500g；
（3）振筛机：
筛析过程中能上下震动；
（4）其他：
磁钵及橡皮头研棒、毛刷、白纸、尺等。
（二）操作步骤
1.用研棒轻轻碾压风干土，使之分散成单粒，用四分对角法取出代表性的试样，取样数量见表4–1。
表4–1筛析法取样数量
颗粒尺寸（mm）
取样数量（g）
＜2
100～300
2～10
300～1000
10～20
1000～2000
20～40
2000～4000
＞40
4000以上
2.将试样过孔径为2mm的筛，分别称出筛上和筛下土粒的质量。
3.取2mm筛上试样倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中；取2mm筛下试样倒入依次叠好的最上层筛中，进行筛析。
细筛宜放在振筛机上震摇，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，如仍有土粒漏下，应继续轻叩摇晃，至无土粒漏下为止。
漏下的土粒应全部放入下级筛内。
并将留在各筛上的试样分别称量，准确至0.1g。
5.各细筛上及底盘内土质量总和与筛前所取2mm筛下土质量之差不得大于1%；各粗筛上及2mm筛下的土质量总和与试样质量之差不得大于1%。
（三）试验注意事项
1．将土样倒入依次叠好的筛子中进行筛析。
2．筛析法采用振筛机，在筛析过程中应能上下振动，水平转动。
3．称重后干砂总重精确至
2g。
4.若2mm筛下的土，小于试样总质量的10%，则可省略细筛筛析；若2mm筛上的土，小于试样总质量的10%，则可省略粗筛筛析。
（四）计算及误差分配
1.计算各粒组的百分含量，准确至小数后一位。
式中
—粒组百分含量，％；
—某粒组质量，g；
—试样质量，g
2.各筛盘及底盘上的土粒质量之和与筛前所称试样的质量之差不得大于1％。
否则应重新试验。
若两者差值＜1％，可视试验过程中，误差产生的原因，分配给某些粒组，最终各粒组百分含量之和应等于100％。
若粒径＜0.1mm的含量大于10％，则将这一部分用沉降法继续分析。
3.绘制颗粒大小分布曲线。
以小于某粒径的土质量百分数为纵坐标，颗粒直径（mm）的对数值为横坐标，绘制颗粒大小分配曲线。
4.求不均匀系数（Cu）和曲率系数Cc
不均匀系数（Cu）按下式计算：
Cu＝d60/d10
式中Cu—不均匀系数（Cu≥5,不均匀土；Cu<5,均匀土）；
d60—限制粒径，颗粒大小分布曲线上的某粒径，小于该粒径的土含量占总质量的60％；
d10—有效粒径，颗粒大小分布曲线上的某粒径，小于该粒径的土含量占总质量的10％。
曲率系数按（Cc）下式计算：
Cc＝
式中Cc—曲率系数（Cc=1~3，级配连续土；Cc>3或Cc<1，级配不连续土）；
d30—颗粒大小分布曲线上的某粒径，小于该粒径的土含量占总质量的30％。
5.不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：
如果Cu≥5且Cc=1~3，级配良好的土；
如果Cu<5或Cc>3或Cc<1，级配不良的土。
4.2比重计法
比重计分析法是将一定量的土样（粒径＜0.1mm）放在量筒中，加水制成一定量的土悬液（例如1000cm3），经过搅拌，使土的大小颗粒在水中均匀分布，成为均匀浓度的土悬液。
静止悬液，让土粒沉降，在土粒下沉过程中，用比重计在悬液中测读出对应于不同时间的不同悬液密度，根据比重计读数和土粒的下沉时间，计算出粒径小于某一粒径D（rnm）的颗粒占土样总重的百分数。
（一）仪器设备
1.比重计
甲种比重计刻度单位以20℃时每1000ml悬液内所含土粒质量的克数表示，刻度﹣5～50，最小分度值为0.5。
乙种比重计刻度单位以20℃时每1000ml悬液的密度表示，自0.995～1.020，最小刻度单位为0.0002。
2.量筒容积1000、500和250mL；
3.筛孔径0.075mm、0.1mm、0.25mm、0.5mm、1mm、2mm；
4.烘箱（自动恒温控制）；
5.天平称量500g，感量0.01g；
6.温度计刻度0～50℃，最小刻度单位0.5℃；
7.搅拌器；
8.煮沸设备（附冷凝管）；
9.化学药品（浓度25％氨水，4％六偏磷酸钠）；
10.蒸馏水或清水（可取原地下水做比较试验，如对试验无影响可采用清水或自来水）；
11.三角烧瓶、洗瓶、烧杯、蒸发皿、瓷皿、钵及橡皮头研棒，量杯，秒表、干燥器等。
（二）操作步骤
1.比重计分析可采用天然含水量的土样来进行，若土样在分析前无法测定代表性的
天然含水量时，允许用干土或风干土进行分析；
2.取代表性干土样100～300g，放入瓷钵体内，用橡皮头研棒研散，然后过0.5mm筛，如土中含大于0.5mm的颗粒时，需求出占试样总重的百分数，如数量多时则要用筛进行大于0.5mm的颗粒分析；
3.根据干土或估计土的含水量，秤取一定数量的试样（秤量准确至0.01g）；使试样干重约为：
粘土20g，粉质粘土30g，粘质粉土40g作为分析之用。
并另取两个以上土样测定风干含水量（试样中易溶盐含量＞0.5％时须进行洗盐）；
4.在盛有试样的三角烧瓶中，注入蒸馏水，使悬液体积约达200cm3，将瓶稍加摇荡后，放在煮沸设备上，用连接冷凝管下端的橡皮塞塞紧瓶口，进行煮沸，沸腾1小时后，冷却至室温。
5.取1000cm3量筒一只，在量筒口放一大玻璃漏斗，并取0.1mm筛子1只，将烧瓶
内土液倒入筛中，使过筛的土液进入量筒，反复用蒸馏水冲洗，直至小于0.1mm颗粒全部
进入量筒；
6.将留在0.1mm筛上的砂粒洗入蒸发皿内，倾去上部清水，烘干秤重，准确至0.01g，
然后进行筛分析，求出0.5～0.25mm和0.25～0.1mm粒粗土重。
7.注蒸馏水（或清水）入量筒，加4％浓度的六偏磷酸钠10mL，使筒内悬液达1000mL；
8.另取量筒一只，盛蒸馏水（或清水）1000cm3，将比重计放在其中，每逢需用比重计时，在前1分钟读出并记录比重计在蒸馏水（或清水）中的读数。
每次用毕后，洗净放回蒸馏水（或清水）中。
9.用搅拌器在量筒内沿整个悬液深度上下搅拌约1min，往返各约30次，使悬液均匀分布。
10.取出搅拌器，同时立即计时。
测经1、2、5、15、30、60、120和1440min时的比重计读数和悬液温度。
每次读数均应在预定时间前10～20s将比重计小心放入悬液接近读数的深度，而且不得贴近筒壁。
11.比重计读数均以弯液面上缘为准。
甲种比重计应准确至0.5，乙种比重计应准确至0.002。
每次读完后立即取出比重计放入有蒸馏水的量筒中。
（三）试验注意事项
1.每次测得悬液密度后，应将比重计轻轻放在盛水的量筒中。
2.比重计读数要迅速准确，不宜在悬液中放置时间过久。
在正式试验前，必须多次练习比重计的准确读数方法。
3.试验前量筒应放在固定平稳的地方，不得移动，并保持悬液温度稳定。
（四）计算及作图
1.L值的求法
L=L0+L1－
式中L—土粒有效沉降距离（cm）；
L0—浮泡中心至最底刻度的距离（cm）；
L1—最底刻度至读数之间的距离（cm）；
V0—比重计浮泡体积（cm3）；
A—1000mL量筒的横断面积（cm2）。
2.计算土粒直径（d）
式中d—土粒直径（mm）；
η—水的动力粘滞系数（g/cm﹒s）；
—土粒密度（g/cm3）；
—水的密度（g/cm3）；
g—重力加速度（cm/s2）；
L—某一时间内的土粒沉降距离（mm）；
t—沉降时间（s）
对于某一种土而言，当温度一定时，
、
及η均为定值，故
为一常数（表4–2）。
3.计算小于某粒径土含量占土质量的百分数：
甲种比重计：
乙种比重计：
℃
或
式中P—小于某粒径土含量占土质量的百分数（％）；
V—悬液体积（1000ml）；
Cs、
—分别表示乙种、甲种比重计比重校正系数；
Rs—甲、乙种比重计悬液读数；
RW—乙种比重计的清水（或蒸馏水）读数；
—20℃时的水的密度（g/cm3）；
、n、CD—分布代表温度、弯液面和分散剂校正值。
表4–2粒径系数
值表
温度
（℃）
土粒密度（g/cm3）
2.45
2.50
2.55
2.60
2.65
2.70
2.75
2.80
2.85
5
0.1385
0.1360
0.1339
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
0.1262
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
0.09767
23
0.1091
0.1072
0.1055
0.1038
0.1023
0.1007
0.09930
0.09793
0.09659
24
0.1078
0.1061
0.1044
0.1028
0.1012
0.09970
0.09823
0.09600
0.09555
25
0.1065
0.1047
0.1031
0.1014
0.09990
0.09839
0.09701
0.09566
0.09434
26
0.1054
0.1035
0.1019
0.1003
0.09879
0.09731
0.09592
0.09455
0.09327
27
0.1041
0.1024
0.1007
0.09915
0.09767
0.09623
0.09482
0.09349
0.09225
28
0.1032
0.1014
0.09975
0.09818
0.09670
0.09529
0.09391
0.09257
0.09132
29
0.1091
0.1002
0.09859
0.09706
0.09555
0.09413
0.09279
0.09144
0.09028
30
0.1008
0.0991
0.09752
0.09597
0.09450
0.09300
0.09176
0.09050
0.08927
表4–3土粒比重校正系数
土粒比重（g/cm3）
2.60
2.62
2.64
2.65
2.66
2.68
2.70
2.72
校正值
1.012
1.007
1.002
1.000
0.998
0.993
0.989
0.985
土粒比重（g/cm3）
2.74
2.76
2.78
2.80
2.82
2.8
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