土力学实验指导书.docx
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土力学实验指导书
土力学实验指导书
目 录
土力学实验的目的……………………………………………………………
（1）
一、颗粒分析试验……………………………………………………………
（1）
[附1-1]筛析法………………………………………………………………
（1）
[附1-2]密度计法（比重计法）………………………………………………
（2）
二、密度试验（环刀法）……………………………………………………（4）
三、含水率试验（烘干法）……………………………………………………（5）
四、比重试验（比重瓶法）……………………………………………………（6）
五、界限含水率试验……………………………………………………………（8）
液限、塑限联合测定………………………………………………………（8）
六、击实试验…………………………………………………………………（10）
七、渗透试验…………………………………………………………………（12）
[附7-1]常水头试验（70型渗透仪）………………………………………（12）
[附7-2]变水头试验（南55型渗透仪）………………………………………（14）
八、固结试验（快速法）……………………………………………………（16）
九、直接剪切试验……………………………………………………………（18）
十、相对密度试验……………………………………………………………（20）
十一、无侧限抗压强度试验…………………………………………………（22）
十二、无粘性土休止角试验…………………………………………………（24）
十三、三轴压缩试验…………………………………………………………（25）
土力学实验指导书
《土力学实验》的目的
土力学试验是在学习了土力学理论的基础上进行的，是配合土力学课程的学习而开设的一门实践性较强的技能训练课。
根据教学计划的需要，安排试验内容，以突出实践教学，突出技能训练。
试验课的目的：
一、是加强理论联系实际，巩固和提高所学的土力学的理论知识；二、是增强实践操作的技能；三、是结合工程实际，让学生掌握土工试验的全过程和运用实验成果于实际工程的能力。
《土力学实验》的内容及要求
土力学实验指导书是依据中华人民共和国水利部发布《土工试验规程》（SL237－1999）规范编写的。
根据教学大纲要求，安排下列实验项目。
一、颗粒分析试验
[附1－1]筛析法（筛分法）
（一）试验目的
测定干土各粒组占该土总质量的百分数，以便了解土粒的组成情况。
供砂类土的分类、判断土的工程性质及建材选料之用。
（二）试验原理
土的颗粒组成在一定程度上反映了土的性质，工程上常依据颗粒组成对土进行分类，粗粒土主要是依据颗粒组成进行分类的，细粒土由于矿物成分、颗粒形状及胶体含量等因素，则不能单以颗粒组成进行分类，而要借助于塑性图或塑性指数进行分类。
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。
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。
（三）仪器设备
1．标准筛：
孔径10、5、2、1.0、0.5、0.25、0.075mm；
2．天平：
称量1000g，分度值0.1g；
3．台称：
称量5kg，分度值1g；
4．其它：
毛刷、木碾等。
（四）操作步骤
1．备土：
从大于粒径0.075mm的风干松散的无粘性土中，用四分对角法取出代表性
的试样。
2．取土：
取干砂500g称量准确至0.2g。
3．摇筛：
将称好的试样倒入依次叠好的筛，然后按照顺时针或逆时针进行筛析。
振摇
时间一般为10～15分钟。
4．称量：
逐级称取留在各筛上的质量。
（五）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。
（六）计算及制图
·1·
1．按下列计算小于某颗粒直径的土质量百分数：
式中：
X—小于某颗粒直径的土质量百分数，％；
mA—小于某颗粒直径的土质量，g；
mB—所取试样的总质量（500g）。
2．用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。
（七）试验记录（见附表1－1）
颗粒分析试验记录表（筛析法）
附表1－1
土样编号14－2干土质量500g试验者陈炳崇
土样说明粗砂试验日期2003年5月20日校核者黄国怡
[附1－2]密度计法（比重计法）
（一）试验目的
测定小于某粒径的颗粒占土总质量的百分数，以便了解土粒的大小分配情况，并作为粘性土分类的依据及土工建筑选材之用。
（二）试验原理
密度计法，是将一定量的土样（粒径<0.075mm）放在量筒中，然后加蒸馏水，经过搅拌，使土的大小颗粒在水中均匀分布，当土粒在液体中靠自重下沉时，较大的颗粒下沉较快，而较小的颗粒下沉则较慢。
让土粒沉降过程中，用密度计测出在悬液中对应于不同时间的不同悬液密度，根据密度计读数和土粒的下沉时间，就可计算出粒径小于某一粒径d（mm）的颗粒占土样的百分数。
（三）仪器设备
1．密度计：
目前通常采用的密度计有甲、乙两种，现介绍甲种密度计。
甲种密度计
刻度自0～60，最小分度单位为1.0；如附图1－1所示。
2．量筒：
容积1000ml；
3．天平：
称量200g，分度值0.01g；
4．搅拌器：
轮径50mm，孔径3mm；
·2·
5．煮沸设备：
电热器、三角烧瓶等；
6．分散剂：
4％六偏磷酸钠或其它分散剂；
7．其它：
温度计、蒸馏水、烧杯、研钵和秒表等。
（四）操作步骤
1．称取试样：
取有代表性的风干或烘干土样100～
200g，放入研钵中，用带橡皮头的研棒研散，将研散后的土过0.075mm筛，均匀拌和后称取试样30g。
2．浸泡试样：
将称好的试样小心倒入烧瓶中，注入
200ml蒸馏水对试样进行浸泡，浸泡时间不少于18小时。
3．煮沸分散：
将浸泡好后的试样稍加摇荡后，放在电
热器上煮沸。
煮沸时间从沸腾时开始，粘土约需要1小时，
附图1－1甲种比重计
其它土不少于半小时，对教学试验，浸泡试样及煮沸分散均由实验室准备。
4．制备悬液：
土样经煮沸分散冷却后，倒入量筒内。
然后加4％浓度的六偏磷酸钠约
10ml于溶液中，再注入蒸馏水，使筒内的悬液达到1000ml。
5．搅拌悬液：
用搅拌器在悬液深度上下搅拌1分钟，往复各30次，使悬液内土粒均
匀分布。
6．定时测读：
取出搅拌器，立即开动秒表，测定经过1、5、30、120、1440分钟时
的密度计数读。
每次测读完后，立即将密度计取出，放入盛水量筒中，同时测记悬液温度，准确至0.5℃。
（五）试验注意事项
1．5分钟时的读数是包括1分钟读数的时间，其余30、120、1440分钟的读数时间也
是如此累加。
2．读数后甲种密度计必须立即从量筒里取出，否则会阻碍土粒下沉速度。
（六）计算及制图
1．由于刻度、温度与加入分散剂等原因，密度计每一次读数须先经弯液面校正后，由
实验室提供的R－L关系图，查得土粒有效沉降距离，计算颗粒的直径d，按简化公式计算：
式中：
d—颗粒直径，mm；
K—粒径计算系数（由实验室提供的资料查得）；
L—某时间t内的土粒沉降距离（由实验室提供的资料查得）；
t—沉降时间，s。
2．将每一读数经过刻度与弯液面校正、温度校正、土粒比重校正和分散剂校正后，按
下列计算小于某粒径的土质量百分数：
·3·
式中：
X—小于某粒径的土质量百分数，％；
ms—试样干土质量（30g）；
Cs—土粒比重校正系数，可查甲种密度计的土粒比重校正值表（由实验室提供的资料查得）；
R—甲种密度计读数；
mt—温度校正值，可查甲种密度计的温度校正值表（由实验室提供的资料查得）；
n—刻度及弯液面校正值（由实验室提供的图表中查得）；
CD—分散剂校正值（由实验室提供资料）。
3．用小于某粒径的土质量百分数X（％）为纵坐标，粒径d（mm）的对数为横坐标，
绘制颗粒大小级配曲线。
（七）试验记录（见附表1－2）
颗粒分析试验记录表（密度计法）
附表1－2
土样编号18密度计号甲2试验者黄丽娟
干土质量
量筒号3校核者黄国怡
土粒比重GS=2.75比重计校正值CS=0.979试验日期2003.5.8
二、密度试验（环刀法）
（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。
·4·
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（见附表2－1）
密度试验记录表（环刀法）
附表2－1
试验者张芳枝校核者黄国怡试验日期2003年3月18日
三、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。
·5·
（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（见附表3－1）
含水率试验记录表（烘干法）
附表3－1
试验者吴煌峰校核者黄国怡试验日期2003年3月20日
四、比重试验（比重瓶法）
（一）试验目的
测定土的比重，为计算土的孔隙比、饱和度以及土的其它物理力学试验（如颗粒分析的密度计法试验、固结试验等）提供必需的数据。
·6·
（二）试验原理
根据土粒粒径不同，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。
比重瓶法就是由称好质量的干土放入盛满水的比重瓶的前后质量差异，来计算土粒的体积，从而进一步计算出土粒比重。
（三）仪器设备
1．比重瓶：
容重100ml或50ml；
2．天平：
称量200g，分度值0.001g；
3．其它：
烘箱、蒸馏水、温度计、筛、漏斗、滴管等。
（四）操作步骤
1．取样称量：
取通过5mm筛的烘干土样约15g（如用50ml的比重瓶，可取干土约
12g）用玻璃漏斗装入洗净烘干的比重瓶内，称瓶与土的质量。
2．煮沸排气：
将蒸馏水注入比重瓶内，约至瓶的一半高处，摇动比重瓶，并将比重瓶
放在砂浴上煮沸，使土粒分散排气。
煮沸时间自悬液沸腾时算起，砂及砂质粉土不少于30分钟；粘土及粉质粘土应不少于1小时。
煮沸时不要使土液从瓶内溢出。
3．注水称量：
将蒸馏水注入比重瓶内至近满，待瓶内悬液温度稳定后及瓶内土悬液澄
清时，盖紧瓶塞，使多余的水分从瓶塞的毛细管中溢出，擦干瓶外的水分，称出瓶、水、土总质量。
称量后立即测定瓶内水的温度。
4．查取瓶、水质量：
根据测得的温度，从已绘制的温度与瓶、水质量关系曲线（由实
验室提供）查取瓶、水质量。
（五）试验注意事项
1．称重前比重瓶的水位要加满至瓶塞的毛细管；
2．称重时精确至小数点后三位。
（六）计算公式
按下列计算土粒的比重：
式中：
Gs—土粒比重，计算精确至0.001；
ms—干土质量，g；
m1—瓶、水质量，可查瓶、水质量关系曲线（由实验室提供）；
m2—瓶、水、土质量，g；
Gwt—t℃时蒸馏水的比重，准确至0.001，查下表（不同温度时水的比重）。
比重试验需进行二次平行测定，其平行差不得大于0.02，取其算术平均值。
不同温度时水的比重（近似值）
·7·
（七）试验记录（见附表4－1）
比重试验记录表（比重瓶法）
附表4－1
工程名称龙江口试验者黄丽娟
土样说明粘土计算者陈炳崇
试验日期2003年4月10日校核者黄国怡
五、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5－1，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
·8·
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5－2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5－2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5－1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5-2圆锥入土深度与含水率关系图
·9·
（七）试验记录（见附表5－1）
液限、塑限联合试验记录表
附表5－1
工程名称珠江堤岸试验者黄国怡
试样编号16计算者吴煌峰
试验日期2003.5.22校核者陈炳崇
六、击实试验
（一）试验目的
在击实方法下测定土的最大干密度和最优含水率，是控制路堤、土坝和填土地基等密实度的重要指标。
（二）试验原理
土的压实程度与含水率、压实功能和压实方法有密切的关系。
当压实功能和压实方法不变时，土的干密度随含水率增加而增加，当干密度达到某一最大值后，含水率继续增加反
而使干密度减小，能使土达到最大密度的含水率，称为最优含水率ωop，与其相应的干密度
称为最大干密度ρdmax。
（三）仪器设备
1．击实仪：
如附图6－1所示。
锤质量2.5kg，筒高116mm，体积947.4cm
。
2．天平：
称量200g，分度0.01g。
3．台称：
称量10kg，分度值5g。
4．筛：
孔径5mm。
5．其它：
喷水设备、碾土器、盛土器、推土器、修土刀等。
（四）操作步骤
1．制备土样：
取代表性风干土样，放在橡皮板上用木碾碾散，过5mm筛，土样量不
少于20kg。
2．加水拌和：
预定5个不同含水量，依次相差2％，其中有两个大于和两个小于最优
含水量。
所需加水量按下式计算：
式中：
mw—所需加水质量，g；
mwo—风干含水率时土样的质量，g；
ωo—土样的风干含水率，％；
ω—预定达到的含水率，％。
·10·
按预定含水率制备试样，每个试样取2.5kg，平铺于不吸水的平板上，用喷水设备向土样均匀喷洒预定的加水量，并均匀拌和。
3．分层击实：
取制备好的试样600～800g，倒入筒内，整平表面，击实25次，每层击实后土样约为击实筒容积1/3。
击实时，击锤应自由落下，锤迹须均匀分布于土面。
重复上述步骤，进行第二、三层的击实。
击实后试样略高出击实筒（不得大于6mm）。
4．称土质量：
取下套环，齐筒顶细心削平试样，擦净筒外壁，称土质量，准确至0.1g。
附图6－1击实仪示意图
5．测含水率：
用推土器推出筒内试样，从试样中心处取2个各约15～30g土测定含水
率，平行差值不得超过1％。
按2～4步骤进行其它不同含水率试样的击实试验。
（五）试验注意事项
1．试验前，击实筒内壁要涂一层凡士林。
2．击实一层后，用刮土刀把土样表面刨毛，使层与层之间压密，同理，其它两层也是
如此。
3．如果使用电动击实仪，则必须注意安全。
打开仪器电源后，手不能接触击实锤。
（六）计算及绘图
1．按下式计算干密度：
式中：
ρd—干密度，g/cm3；
ρ—湿密度，g/cm3；
ω—含水率，％。
以干密度ρd为纵坐标，含水率ω为横坐标，绘制干密度与含水率关系曲线（附图6－2）。
曲线上峰值点所对应的纵横坐标分别为土的最大干密度和最优含水率。
如曲线不能绘出准确峰值点，应进行补点。
附图6－2
关系曲线
·11·
（七）试验记录（见附表6－1）
击实试验
附表6－1
土样编号10－2土粒比重2.72试验者黄丽娟
土样类别CI每层击数25校核者黄国怡
风干含水率4.0％试验仪器轻型击实仪试验日期2003.9.10
试验序号
干密度
含水率
筒加土质量
（g）
筒
质
量
（g）
湿土质量
（g）
密
度
（g/cm3）
干
密
度
（g/cm3）
盒
号
盒加湿土质量
（g）
盒加干土质量
（g）
盒质量
（g）
水的
质量
（g）
干土
质量
（g）
含水率
（%）
平均含水率
（%）
⑴
⑵
⑶
⑷
⑸
⑹
⑺
⑻
⑼
⑽
⑾
⑿
⑴-⑵
（6）-（7）
（7）-（8）
1
2510
780
1730
1.83
1.53
731
742
31.26
30.72
28.46
28.03
14
14
2.80
2.69
14.46
14.03
19.4
19.2
19.3
2
2570
780
1790
1.89
1.56
734
739
26.59
30.32
24.38
27.46
14
14
2.21
2.86
10.37
13.46
21.3
21.3
21.3
3
2620
780
1840
1.94
1.57
751
788
26.80
28.92
24.32
26.07
14
14
2.48
2.85
10.32
12.07
24.0
23.6
23.8
4
2630
780
1850
1.95
1.55
767
724
28.29
29.65
25.35
26.44
14
14
2.94
3.21
11.35
12.44
25.9
25.8
25.9
5
2610
780
1830
1.93
1.52
812
814
29.33
34.26
26.02
29.88
14
14
3.31
4.38
12.02
15.88
27.5
27.6
27.6
七、渗透试验
[附7－1]常水头试验
（一）试验目的
测定无粘性土的渗透系数k，以便了解土的渗透性能大小，用于土的渗透计算和供建造土坝时选土料之用。
（二）试验原理
渗透是液体在多孔介质中运动的现象。
渗透系数是表达这一现象的定量指标。
土的渗透性是由于骨架
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