新 土力学指导书.docx

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新土力学指导书

土力学综合性实验指导书

河北科技师范学院土木建筑系

土力学综合性实验实验目的：

土力学课程是理论性和实践性较强的一门学科，搞好实践教学环节，是土力学教学中必不可少的一环，由于土力学各个实验的连贯性不强，学生对各个实验在实际工程中的作用不是很清楚，为加强各个实验的连贯性，为了巩固学生对理论知识的掌握，把理论知识应用到实际工程中去，提高教学质量，因此安排了本综合性实验。

土力学综合性实验内容：

实验内容主要让学生按工程要求进行土样的天然含水量实验、土样的密度实验、土样的界限含水量实验、土样的压缩实验和土样的直接剪切实验，测定出土样的天然密度、含水量、液限、塑限，计算出该土样的塑性指数和液性指数、并提供自备土样的压缩系数、压缩模量及土体的抗剪强度指标内摩擦角和粘聚力；从而判断土的压缩性大小及抗剪强度大小。

本实验要求学生掌握实验原理和操作过程，掌握实验参数在工程设计和施工中应用。

通过实验使得学生更加注重土力学理论知识的学习，使学生进一步掌握和理解课堂所学的理论知识，掌握实验基本技能，有利于理论联系实际，锻炼学生的实际操作能力，培养学生分析能力和解决实际问题的能力，以便更好地为工程建设服务。

含水量实验

一、实验目的：

测定土的含水量，是指土在温度105～110℃下烘到恒量时所失去的水质量与达到恒量后干土质量的比值，以百分数表示。

二、实验方法

含水率实验方法有烘干法、酒精燃烧法、比重法、炒干法等，其中以烘干法为室内实验的标准方法。

三、实验步骤（烘箱烘干法）

1．仪器设备

烘箱；天平：

称量280g，感量0.01g；称量盒；干燥器等。

仪器设备：

（1）烘箱：

电热恒温烘箱。

（2）天平：

感量0.01g

（3）其它：

干燥器、称量盒等。

2.操作步骤：

（1）从原状土样中，选取有代表性的试样，对于粘性土取15－30g，对于粉土、砂土或有机质土约取50g，放入称量盒内立刻盖好盒盖，称湿土加盒总质量m1，精确至0.01g。

（2）打开盒盖，套在盒底，放入烘箱，在温度105～110℃下烘至质量恒定。

（3）将烘干后的式样和盒取出，盖好盒盖，放入干燥器内冷却至室温，称干土加盒总质量m2,精确至0.01g。

3.计算含水量:

按下式计算含水率

式中m―――湿土试样质量（g）

ms―――土粒试样质量（即干土质量）（g）

m0―――称量盒质量（g）

四、实验数据及成果整理

本实验需进行2次平行测定，取其算术平均值

密度实验

一、实验目的：

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。

在天然状态下的密度为土的天然质量密度。

二、实验方法：

实验方法有环刀法、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（测定原状砂和砾质土的密度），可用灌水法或灌砂法。

下面仅介绍环刀法：

三、实验步骤（环刀法）

1．仪器设备

（1）环刀：

内径61.8±0.15mm,高20±0.016mm,体积为60cm3、100cm3（图一）

（2）天平：

称量500ｇ，感量0.1g，或称量200g，感量0.01g.

（3）其它：

刮刀、削土刀、玻璃片、凡士林等。

2．操作步骤

（１）准备工作：

①取直径和高度略大于环刀的原状土样，放在玻璃片上。

②在天平上称环刀的质量。

（2）环刀取土

①环刀内壁　涂一薄层凡士林，将环刀口向下放在土样上。

②用削土刀或刮刀将土样削成略大于环刀的直径的土柱。

③将环刀慢慢垂直下压，边压边削，直到土样以上伸出环刀为止。

④将环刀两端的余土削去修平（严禁在土面上反复刮，防止土样扰动或压密。

）然后擦净环刀的外壁，两端盖上玻璃片。

（3）称量土的质量。

称量环刀加土的质量，准确至0.1g。

（4）按下式计算土的密度：

式中v―――试样的体积（即环刀内净体积）（cm3）

m―――试样的质量（g）

m1―――环刀加试样总质量（g）

m2―――环刀的质量（g）

土的重力密度γ=ρg=9.8ρ

3．实验数据及成果整理

密度实验需进行两次平行测定，要求平行差值≤0.03g/cm3；取两次实验结果的平均值。

界限含水量实验

一、实验目的：

测定细粒土的界限含水率，是指土从一种状态转到另一种状态的分界含水量称为界限含水率。

二、实验方法：

（一）、液限实验

液限指粘性土从流动状态转变到可塑状态的界限含水量，测定土的液限主要有圆锥仪法、碟式仪法等实验方法，本实验采用液塑限联合测定法测定土的液限。

1．仪器设备

⑴液塑限联合测定仪：

有圆锥、测读装置、升降支座等，圆锥质量76g,锥角30。

。

⑵天平：

称量200g，感量0.01g。

⑶其它：

调土刀、盛土器、小刀、凡士林、称量盒、烘箱、干燥器、孔径为0.5mm的标准筛等设备。

2．操作步骤

⑴选取具有代表性的天然含水率土样或风干土样，若土中含有较多大0.5mm的顺粒或夹有多量的杂物时，应将土样风干后用带橡皮头的研材研碎或用木棒在橡皮板上压碎，然后再过0.5mm的筛。

当采用天然含水率土样时，取代表性土样250g，将试样放在橡皮板或毛玻璃板上搅拌均匀；当采用风干土样时，取过0.5mm筛的代表性土样200g，将试样放在橡皮板上用纯水将土样调成均匀膏状，然后放入调土皿中，盖上湿布，浸润过夜。

⑵取某一含水量下制备好的土，将土样用调土刀充分调拌均匀后，分层装入样杯中，并注意土中不能留有空隙，土样装满试杯后刮去余土使其与杯口齐平，用调土刀反复搅压、使其空气溢出，待土样盛满土杯时，刮平试样、使其与土杯边缘齐平。

⑶将土样杯放在仪器的微调丝盘上，测量前，调好锥体刻度数为“零”（保持锥尖接触土壤表面）。

测试前注意检查锥尖，将圆锥仪擦拭干净，可在锥尖附近涂以簿层凡士林油。

⑷保持锥体垂直，顺时针方向转动旋扭，使圆锥在其目重作用下沉入土体，通过锥杆和臂上的刻度，即可读出入土深度H1，精确至0.01毫米。

⑸改变锥尖与土样接触的位置，重复2、3、4项步骤得读数H2,使得H1与H2的差值不超过0.5毫米。

若锥体入土深度超过或小于H1，表示试样的含水率高于或低于液限，应该用小刀挖去沾有凡士林的土，然后将试样全部取出，放在橡皮板或毛玻璃板上，根据试样的干、湿情况，适当加纯水或边调拌边风干重新拌和，然后重复上述实验步骤。

⑹测定土样的液限时锥深入土度标准

H=20毫米

注：

上述数据根据交通部科研院公路所土工组编的《土的液塑限测定法》

⑺取出锥体，用小刀挖去沾有凡土林的土，然后取锥孔附近土样约10～15g，放人称量盒内，称量准确至0.01克。

测定其含水量，准确到0.1%。

⑻重复以上步骤，测定巳制备好的其它含水量土样的入土深度及含水量。

3．实验数据及成果整理

计算各试样的含水量：

同含水量计算。

式中

―――液限。

m―――湿土试样质量（g）

ms―――土粒试样质量（即干土质量）（g）

m0―――称量盒质量（g）

（二）、塑限实验

塑限是指粘性土可塑状态与半固体状态的界限含水量。

并与液限实验结合计算土的塑性指数和液性指数，作为粘性土分类以及估计地基承载力的依据。

塑限实验的方法：

搓条法及液塑限联合测定法。

常用的是搓条法。

方法一：

搓条法

1．仪器设备

毛玻璃板；天平：

感量0.1g；其它：

称量盒等。

2．操作步骤

（1）按做液限实验制备土样方法制备土样（约100g）。

（2）为使实验土样的含水量接近塑限，可将土样放在手中捏揉至不粘乎，或用吹风机稍吹干些，然后将土样捏扁，如出现裂缝，表示土样合水过接近塑限。

（3）取接近塑限的土样一小块，先用手搓成椭圆形，然后再用手掌在毛玻璃上轻轻地搓滚，搓滚时手掌要均匀施加压力于土条上，不得使土条在毛玻璃上无力滚动。

土条宽度不宜超过手掌宽度。

在滚动时，不应从手掌下任一边脱出，土条在任何情况下，不得产生中空现象。

（4）若土条搓至直径3mm时，仍未产生裂缝及断裂，表示这时含水量高于塑限，应将其捏成一团，按上述步骤继续搓滚。

直至土条直径达3mm时，产生裂缝并开始断裂为止。

如果土条直径大于3mm时即断裂，表示土样含水量小于塑限，应弃去，重新取土实验。

（5）取合格的断裂土条放入称量盒中，随即盖紧盒盖，待收集约3～5g后（至少10条以上）称量，测定其含水量，即得该土的塑限。

方法二：

液塑限联合测定法

仪器设备及操作方法同液限，但是测定标准不同。

测定土样塑限时锥入土深度标准

粉性土和粘性土＝2.4毫米

亚砂土±H＝5.0毫米

3．实验数据及成果整理

⑴塑限计算公式同含水量：

式中：

——塑限；

m―――湿土试样质量（g）

ms―――土粒试样质量（即干土质量）（g）

m0―――称量盒质量（g）

说明：

本实验需进行两次平行实验，取其平均值。

当

≥40%时，两次实验的差值≤2%；当

l＜40%时，两次实验值的差值≤1%。

⑵计算塑性指数Ip:

根据塑性指数，可对粘性土进行分类。

定出土的名称。

⑶计算液性指数

：

根据液性指数，可对粘性土的软硬状态进行判断。

固结实验

一、实验目的：

土的压缩实验通过测定土样在各级压力作用下产生和压缩变形值，计算在pi作用下土样相应的孔隙比ei。

绘制土的压缩系数a和压缩模量Es等,以便估算渗透和控制建筑物沉降量。

二、实验方法

目前常用的压缩仪（也称固结仪），有磅称式和杠杆式两种，本实验用杠杆式压缩仪

三、实验步骤：

1.仪器设备

（1）压缩仪

杠杆式压缩仪包括压缩容器及加压设备两部分（压缩仪及加压设备），压缩仪图如图所示。

压缩仪：

由环刀、护环、透水石、水槽、加压盖板组成。

加压设备由杠杆式组成。

⑵环刀：

内径79.8mm或61.8mm，高20mm，截面积50cm2、30cm2。

⑶透水石：

当用固定式容器时,顶部透水石直径小于环刀内径0.2－0.5mm；当用浮环式容器时，上下端透水石直径相等。

⑷量表：

也称为百分表（或称测微表），量程10mm，最小分度0.01mm。

⑸其它：

天平、刮刀、滤纸、凡士林、玻璃片、秒表等

2.操作步骤

⑴环刀取土：

取原状土（取土方向应于天然受荷方向一致），在环刀方向内壁涂一薄层凡士林，刀口向下放在土样上，然后用钢丝锯将土样修成略大于环刀直径的土柱，环刀垂直下压、边压边修，直至土样伸出环刀为止，削去两端余土，刮平（注意不得在土面是反复刮）。

⑵安放土样。

在压缩容器内，顺次放上底板、洁净而润湿的透水石及滤纸各一，将带有试样的护环放入容器内并放好导环（护环），盖覆上直径略小于试样的洁净润湿的透水石及滤纸各一，最后放上加压上盖。

⑶调整仪器。

检查加压设备是否稳固、灵敏及位置是否正确。

轻轻抬起杠杆，将装好试样的压缩容器放在加压台的正中，使加压横梁的钢珠与加压上盖紧密配合，然后装上测微表（百分表），调节表脚使其可伸长的长度不小于8mm，并检查表是否灵敏和垂直。

在砝码吊盘上加相当于试样受压约为1kPa的预压荷载，使压缩仪的各部分紧密接触。

然后调整测微表的读数（学员应在实验前熟悉测微表如何读数。

），使其大小指针均对准零点或以某正数作为起初读数，并记录。

⑷压缩步骤：

计下量表读数，施加第一级荷载，在加荷同时开动秒表时应将砝码轻轻地放在砝码盘上，避免因冲击、摇摆而使试样产生额外的变形和砝码掉落伤人。

（加压后，按土工规范应当是按下列时间顺序记下量表读数：

10’、20’、60’、120’…….23小时、24小时，至稳定沉降。

稳定沉降的标准为每级压力下压缩24小时，对于某些高压缩性土，若24小时后尚有较大的压缩变形时，以量表读数的变化不超过0.005mm/小时认为稳定。

记下稳定读数，加第二级压力，依照加第一级压力时读数时间记下量表读数，直至稳定。

依次逐级加压，至实验结束。

一般的加压等级为：

12.5、25、50、100、200、300、400、800、1600

。

）

由于实验时间有限，可适当缩短每级荷载的压缩时间（例如可以读到15或20分钟就假定一级变形已稳定）。

本实验可采用50、100、200、300

四个等级，第一级荷载为50

。

用杠杆式加压设备时，直接加第一级荷载，使土样承受50

的压力（这时挂上托盘，考虑托盘自重后，加法码到50

），在加上压力的同时，开动秒表分别在1、2、3、5、10、15、20分钟……记录测微表读数，例如20分钟即认为稳定。

再依次在托盘上逐缓加荷达100、200、300

四个等级，同样测定变形量至稳定为止。

⑸实验结束后，迅速顺次拆去百分表，卸除砝码，取下容器，拿出护环，小心地取出带环刀的试样。

3．实验数据及成果整理

⑴计算初始孔隙比e0

按下式计算试样的初始孔隙比e0

式中：

ds——土颗粒相对密度；

——实验开始时土试样的含水量，%；

ρ0——实验开始时土试样的密度，g/cm3；

ρω——水的密度，g/cm3，ρω=1g/cm3。

（2）按下式计算试样的初始孔隙比e0

式中：

ds——土颗比重；

w0——试样开始时的含水量，%；

ρ0——试样开始时的密度，g/cm3；

ρw——水的密度，g/cm3，ρw=1g/cm3。

（3）计算各级荷载下压缩稳定后的相对沉降量

式中：

——某一级荷载下，试样压缩稳定后的总沉降量（等于该荷载下压缩稳定后的测微表读数减去仪器变形量。

仪器变形量由实验室提供）。

——试样的初始高度（等于环刀高）。

（4）各级荷载下压缩稳定后的孔隙比

（5）以孔隙比e（包括e0）为纵坐标，荷载（单位压力）p为横坐标（或对数坐标）绘制e—p或e—logp曲线。

（6）根据e—p曲线，确定在指定荷载变化范围p2-p1内（p1相当于土层所受的平均自重应力，p2相当于土层所受的平均自重应力和附加应力之和）土的压缩系数α：

用p1=0.1N/mm2（即100Kpa）及p2=0.2N/mm2（即200KPa）求得压缩系数a1-2评价土的压缩性：

（7）计算某一压力范围内的压缩模量ES

式中e1――――对应于p1时的孔隙比

直接剪切实验

直接剪切实验是测定土的抗剪的强度指标c、φ的一种常用的方法。

一、实验目的：

测定土的抗剪强度指标φ和c，土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。

二、实验方法：

本实验使用应变控制式直剪仪。

一般可根据实际情况选用快剪、固结快剪、慢剪三种方法。

本实验采用快剪、即在施加坚向压力后立即施加水平推力至土样破坏，在整个过程中，始终不让土样排水。

三、实验步骤

1．仪器设备

（1）应变控制直剪仪（如图）:

主要部分由剪切盒、加荷设备、剪切传动装置、位移量测系统等组成

主要部件有：

a.剪切盒

剪切盒分上下两盒（一个传压板及两个透水石，上盒一端顶在量力环的一端，下盒与底座连接，底座放在两条轨道滚珠上，可以移动）。

b.加荷设备及量测设备

垂直荷重：

通过杠杆放砝码来施加。

水平荷重：

通过旋转手轮推进螺杆顶压下盒来施加，荷重大小，从量力环的变形间接求出。

（2）环刀；

（3）位移量测设备百分表；

其它：

天平、削土刀、玻璃片、蜡纸、秒表等。

2．操作步骤

（1）先制备土样，同土的密度实验。

制备四个或四个以上试样。

（2）将剪切盒内壁擦净，上下盒口对准，插入固定销，使上下盒固定在一起，不能相对移动，在下盒盒内放入一块透水石。

然后将带有环刀的试样（两面各贴一张蜡纸），环刀口向上，平口向下，对准剪切盒口，再在试样上放一块透水石，将试样徐徐推入剪切盒内，移去环刀。

（3）顺次放上传压板、钢珠和加压板，按规定加垂直荷重（一般一组四次实验，建议采用100，200，300，400kPa四级荷载）。

（4）按顺时针方向徐徐转动手轮，使上盒前端有钢球恰好与量力环接触（百分表微动表示恰好接触）调整百分表读数为零，然后加传压活塞、钢球、压力框架。

（5）轻轻地施加垂直压力，立即拔去固定销，开动秒表、均匀转动手轮，以每分钟4～12转的均匀速率转动手轮（本实验以每分钟6转为宜），转动过程中不应中途停顿或时快时慢。

使试样在3～5分钟内剪损，到土样剪损为止，土样剪损的标志为：

量力环的百分表读数有显著后退或读数不再增大。

手轮每转一圈应测记百分表读数一次。

如百分表指针一直缓慢前进，不出现峰值，则说明破坏以变形控制进行到剪切变形达4mm时为止。

注：

手轮每转一圈推进下盒0.2mm。

（6）剪切结束后，倒转手轮，顺序去掉荷载、加压架、钢珠、传压板与上盒，取出试样。

（7）重复上述步骤，做其他各垂直压力下的剪切实验。

本实验至少四个试样，分别加以不同垂直压力进行剪切实验。

垂直压力一般可取0.1、0.2、0.3、0.4N/mm2。

注：

如做固结快剪实验，应在试样两面各放一张滤纸，直剪仪上需要安装垂直量表，施加垂直压力后，使试样排水固结，并测记垂直变形，若试样的垂直变形＜0.005mm/小时，认为巳经达到固结稳定，记下稳定读数，然后按照步骤进行测试。

3.实验数据及成果整理

（1）计算剪应力τf：

τf=CR（N/mm2）

式中C―――量力环系数（N/mm2/0.01mm）

R―――剪损时量力环中百分表读数（0.01mm）

（2）以抗剪强度τf为纵坐标，垂直应力σ为横坐标，绘出坐标点（注意纵、横坐标比例尺应一致），根据这些点绘一视测直线，即为抗剪强度线。

该线的倾角即为土的内摩擦角，分该线在纵坐标上的截距即为土的粘聚力c。

综合实验要求：

对于本次综合实验，要认真预习实验内容及步骤，实验过程中，要勤思考，勤动手，鼓励创新精神。

实验结束后，按要求写出实验报告，及总结体会。