土工实验指导书.docx
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土工实验指导书
土力学试验指导书
1概述
土工试验包括的内容很多，本讲义主要介绍室内试验的一部分；{建筑地基基础设计规范》GBJ7—89规定的试验项目为：
一、粘性土：
颗粒分析，天然密度，天然含水率、比重、可塑性及抗剪强度。
二、砂土：
颗粒分析，天然密度，天然含水率，比重及自然休止角。
三、碎石土：
必要时可作颗粒分析。
对含粘性土较多的碎石土，宜测定天然土的天然含水量和可塑发生。
必要时，可作现场大体积密度试验。
四、岩石：
必要时，应测定饱和状态的无侧限抗压强度。
土木工程，教学大纲规定的试验项目为：
天然密度，天然含水量，流塑限试验，压缩试验和抗剪强度试验。
本试验指导书按《土工试验方法标准》编写，试验最后结果为SI单位。
2密度试验
密度试验的目的是测定土的单位体积的质量（称为密度），以便了解土的疏密和干湿状态，供换算土的其他物理力学指标和设计之用。
对一般粘牲土，多采用环刀法，即用一定体积的环刀切土，然后称重，得出环刀内土的体积和质量即可算出土的密度。
如果土样易碎裂，难以切削，可改用蜡封法。
现场条件下，对粗颗粒土，可用灌砂法或灌水法。
环刀法
1．仪器设备
（1）环刀，内径61.8mm和79.8mm，高度20mm。
（体积分别为60cm3和100cm3）。
（2）天平：
称量500g，最小分度值0.18或称量200g，最小分度值0.018。
（3）其它：
修土刀、刮刀、凡士林油等。
2．操作步骤
（1）在环刀内壁涂一层薄薄的凡士林油，并将其刃口向下放在土样上。
（2）用修土刀沿环刀外缘将土样削成略大于环刀直径的土柱，然后慢慢将环刀垂直下压，边压边削，到土样伸出环刀为止。
（3）用刮土刀仔细刮平两端余土，注意刮平时不得使土样扰动或压密。
（4）擦净环刀外壁，称量环刀加土的质量，准确至0.01g。
（5）按下式计算土的密度
——土的密度（
）
——环刀加土的质量（g）
V——环刀体积（cm3）
3．试验记录与计算
测量时，为了减小误差，要求测两次，且两次平行测定的允许值，不得超过0.03g/cm3
密度试验
（环刀法）
工程编号：
试验者：
钻孔编号：
计算者：
试样说明：
校核者：
试验
日期
土样
编号
环刀
号码
环刀质量
（g）
环刀+土
质量（g）
环刀体积
（cm3）
湿土质量（g）
试样密度
（g/cm3）
m0
m0+m
V
m
结果分析：
附：
1．当土样坚硬、易碎或含有粗颗不易修成很规则形状，采用环刀法有困难时，一般采有蜡封法——将要测定密度的土样，称出质量后浸入刚熔化的石蜡中，使试样表面包上一层蜡膜，分别称量蜡加土在空气及水中的质量，已知蜡的密度，通过简单的计算便可求得土的密度。
也可采用水银排出法一将土样称量后，压入盛满水银的器皿中，根据排出水银体积便可换算求得土的密度。
2．在野外现场遇到砂或砂卵石不能取原状土样的，一般可采用灌砂法进行现场密度测定—在测定地点挖一小坑，称量挖出来的砂卵石质量，然后将事先率定（知道质量和体积关系）的风干标准砂轻轻倒入小坑，根据倒入砂的质量可以计算出坑的体积，从而计算出砂卵石的密度。
思考题
1．测定土的密度方法有哪几种，各适用于什么情况?
2．测定密度用的环刀直径和高度比过大过小对密度测定会产生什么影响?
3含水率试验
土的含水率是指土在100—105℃下烘到质量恒定时所失去的水分质量和达到恒定后干土质量的比值，以百分数表示。
在实验室通常用烘干法测定土的含水率——将土样放在烘箱内烘至质量恒定，在野外如无烘箱设备或要求快速测定含水率时，可根据土的性质和工程情况分别采用；红外线灯烘干法；酒精燃烧法；烘干法等。
烘箱烘干法
1．仪器设备
（1）烘箱：
可采用电热烘箱或温度能保持在是100—105℃的其它能源烘箱。
（2）天平：
称量100g，最小分度值0.01g。
（3）其它：
称量盒、干燥器（内有硅胶或氯化钙作为干燥剂）等。
2．试验步骤
（1）取代表性土样15—30g，放入称量盒内，立即盖好盒盖。
（2）放天平上称量，准确至0.01g。
（3）揭开盒盖，套在盒底，放入烘箱，在温度100—150℃下烘至质量恒定。
（4）将烘干后的土祥和盒从烘箱中取出，盖好盒盖收入干燥器内冷却至室温，称干土质量（准确至0.01g）。
（5）按下式计算含水量
式中：
w——含水率（%）
m0——盒质量（g）
（m0+m）——盒加湿土质量（g）
（m0+ms）——盒加干土质量（g）
3．试验记录
密度试验
（环刀法）
工程编号：
试验者：
钻孔编号：
计算者：
试样说明：
校核者：
试验
日期
土样
编号
盒号
盒质量
（g）
盒+湿
土质量
（g）
盒+干
土质量
（g）
水质量
干土质量
（g）
含水率
（%）
附：
酒精燃烧法——取代表性的土样（粘性土5—10g，砂性土20—30g），放入称量盒内称量，然后用滴管将酒精注入盒内，直到盒内出现自由液面为止，为使酒精和土样混盒均匀，可将盒在桌上轻轻敲击，点燃盒中酒精，烧至火焰熄灭，重复二次，盖好盒盖立即称干土质量，便可计算出含水率。
思考题
含水率试验烘箱温度为什么要在100—105℃间，高了、低了有什么影响?
4液限试验
粘性土由于其含水量的变化，其状态可呈固定、半固态、可塑态及流动态等。
粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水率叫界限含水率。
界限含水率对粘性土的工程分类及其性质评价都具有重要意义。
液限，就是指土由可塑状态转到流动状态时的界限含水率。
如果从强度来考虑，也可以说是土体的抗剪强度“从无到有”的分界点，液限用符号wI表示。
液限用圆锥式液限仪测定。
在试验时，当其它条件不变时，仅改变含水量，则液限仪的圆锥入土深度必将随着土样中的含水量的增加而增加。
经过多次反复进行无侧限抗压强度和圆锥仪的对比试验中，发现当圆锥的入土深度达到l0mm时，土样的抗剪强度最小。
因此，在工程上取圆锥的入土深度为l0mm时，土样的含水率作为液限。
锥形液限仪法
1．仪器设备
重76g的液限仪、秒表、铝盒、切土刀、凡士林等。
2．试验步骤
（1）应尽可能采用天然含水量的土样进行测定。
如为风干土时，应预先进行研碎并过0．5mm筛。
再喷洒适当的水拌和后放在有盖的玻璃瓶中湿润静止24小时。
（2）取制备好的土样180g左右于磁碗中，加蒸馏水或清水用调土刀调成均匀的粘糊状。
然后用刮土刀分层装入试验杯中，填装时勿使土内留有空隙或气泡。
再刮去多余的土，使与杯口平齐。
注意，刮去多余土时，不得用刮土刀在土面上反复涂抹。
（3）将盛满土样的试验杯连同底面的玻璃一起拿起，检查底部有无孔隙，同时检查液限仪的锥尖是否在平衡环的正中并保持垂直状态。
（4）用布擦净锥式液限仪，并在锥尖上涂一薄层凡士林，提住锥体上端手柄，放在试样表面中部，至锥尖与试样表现接触时，放开手指，使锥体在其自重作用下下沉入土中。
（5）在松开手指的同时，打开秒表，当锥体经约15秒钟深入土中的深度恰等于
l0mm时，表示土的含水率刚好为液限。
如果锥尖在15秒内入土深度大于或小于
l0mm时，则说明试样的含水率高于或低于液限，须重新试验。
此时，应先用调土刀将锥体深入处沽有凡士林的土样挖去后将全部土样挖出，放入磁碗中，如含水量过高，则放子红外线烘箱中适当烘烤或用电吹风吹干，降低含水量。
含水量小时，加适量清水后再行调拌，如此直至试锥尖沉入度刚好是l0mm时为止。
（6）将所得合格试样挖去沾有凡士林的那部分土，取试杯中央约15g放入盒中，盖好盒盖称重，精确至0.0lg，而后在105℃下烘干至恒重，冷却后称得其干土重，测定含水率。
3．试验记录与计算
液限试验
（环刀法）
工程编号：
试验者：
钻孔编号：
计算者：
试样说明：
校核者：
试验
日期
土样
编号
盒号
（g）
盒+湿
土质量
（g）
盒+干
土质量
（g）
水质量
（g）
干土质量
（g）
液限WL
天然含水率w=
液性指数
根据液性指数此土处于状态。
结果分析：
5塑限试验
塑限是指粘性土可塑状态的界限含水率。
试验目的是测定塑限。
并与液限试验结合计算的塑性指数，作为粘土分类以及估计地基承栽力的依据。
塑限试验的方法一般采用搓条法。
1．仪器设备
（1）毛玻璃板约20×30cm
（2）卡尺：
分度值为0.02mm
（3）天平：
称量200g，最小分度值0.01g
（4）其它：
称量盒等。
2．操作步骤
（1）按做液限试验制备土样（100g）
（2）为使试验土样的含水量接近塑限，可将土样放在手中捏揉至不粘手，或用吹风机稍吹干些，然后将土样捏成扁饼状如出现裂缝，表示土样含水量接近塑限。
（3）取接近塑限土样的一小块，先用手搓成橄榄状，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样条上，不得使土样条在毛玻璃上无力滚动。
土条长度不宜超过手掌宽度。
在滚动时，不应从手掌下任一边脱出，土样条在任何情况下，不得产生中空现象。
（4）若土条搓至直径3mm时。
（5）取合格的断裂土样条放入称量盒中，随即盖紧盒盖，待收集约3—5g后（至少10条以上）称量，测定其含水率，即得该土的塑限。
（6）计算公式
式中：
——塑限
——盒+湿土质量（g）
——盒+干土质量（g）
——盒质量（g）
塑性指数（
）
根据塑性指数，可对粘性土进行分类。
定出土的名称。
3．试验记录
工程编号：
试验者
钻孔编号：
计算者：
土样说明：
校对者：
试验
日期
土样
编号
盒号
盒质量
（g）
盒+湿土质量
（g）
盒+干土质量
（g）
水质量
（g）
干土质量
（g）
塑限
wP
天然含水量
塑性指数
按塑性指数定出土的名称为土。
结果分析：
思考题
1．塑限的大小与哪些因素有关，工程上为什么按塑性指数对粘性上进行分类?
2．土的天然含水率越大，其塑性指数是否也越大?
3．采用原状土和扰动土测定的塑限值是否一样?
为什么?
6压缩试验
土在压力作用下体积缩小的特性称为土的压缩性。
其压缩量的大小与土样上所施加的荷重大小和土样的性质有关，如在相同的荷重下，软土的压缩量就大。
而坚密土的压缩量就小。
又如在同一个土样的情况下，压缩量随着荷重的加大而增加。
那么，在外力作用下为什么会引起土体的压缩?
这是因为在荷载作用下，土体产生下面三种变形：
（1）土体本身的压缩；
（2）土体孔隙中的水和空气的压缩；（3）土孔隙中的水和空气被挤出。
土的颗粒互相靠拢。
孔隙体积变小。
实际上，土体和水本身的压缩量很小，可以忽略不计。
所以土体的压缩通常是指土体在某一外力作用下，其孔隙体积变小的现象。
压缩试验的目的就是测定一般粘性土在外侧限条件下受荷的稳定压缩量及固结过程。
绘制孔隙比与压力之间的关系曲线——压缩曲线。
从而确定压缩系数
，压缩模量Es。
为评价土的压缩性及为计算建筑物的沉降量提供必要的资料。
压缩试验目前通常采用单向压缩仪。
土样是放在不能发生侧向变形的压缩环内。
在垂直压力作用下，只可能发生垂直方向的变形。
因此试验中只要测出应压力下的垂直变形。
即可求得孔隙比与压力的系数。
一般的可在同一种土样上，施加不同的荷重，荷重分级不宜过大。
可依土的软硬程度及工程情况取为0.125、0.25、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0、8.0、kg／cm2等。
最后一级荷重应大于土层的计算压力的1—2kz／cm2。
这样使可测得不同的压缩量。
从而可以算出相应荷重时的土样孔隙比。
设土样的初始高为H0。
则H=H0—S，S为外力P作用下土样压缩稳定后的变形量。
根据孔隙比的定义。
假设土粒体积为VS=1，则土样孔隙体积Vv在受压前就相应与初始孔隙比eo，在受压后，柏应于孔隙比e。
为求土样压缩稳定后的孔隙比e，利用受压前后土样体积不变横截面积不变的两个条件，得
即：
式中：
、
、
分别为土样比重、土样初始含水率和初始密度
——土样初始高度
因此试验时只需测出S即可求得
。
1．仪器设备
固结仪（或称压缩仪、渗压仪）、杆杠式加压设备、测微表、秒表、天平及切土刀、大铝盒、滤纸、凡士林等。
2．试验步骤：
（1）用环刀切取土样。
环刀要边削土边压入。
用力要均匀，速度要适宜。
以免将土样揉碎。
如果所取的土样是原状土样。
则压入时应使受荷方向与天然土样受荷方向一致。
当整个环刀压入土样后，将上下面削平。
将外壁擦净后称重。
并测定该土样的含水率及比重。
（2）将渗压环套上透水石后放入固结仪中，面上放一张湿润的滤纸。
而后将带有土样的环刀压入渗压环中，并在土样表面放湿润滤纸一张后再依次加上透水石、加压活塞和传压块。
（3）采用杆杠式加压设备加荷。
先检查各部连接处是否转动灵活然后将固结仪放入框架内。
使横梁压帽的弧圆中心与传压块接触。
插入活塞杆装上测微表。
使测微表侧杆与活塞杆顶面接触。
使扛杆水平。
上述步骤完成后，即可加载。
先直接加第一级荷载，使土样承受50kPa的压力。
在加上压力的同时，开动秒表，分别在1、2、3、5、10、15分钟等记录测微表读数。
直到稳定。
再依次逐级加荷100kPa、200kPa、300kPa。
测定变形量直到稳定为止。
一般读到15分钟即假定一级变形已经稳定。
在最后一级荷重达到稳定并读得变形数后，即可松开测微表，卸除全部荷重、拆开固结仪，清除土样。
3．试验记录与计算
（1）计算试样的原始孔隙比eo精确到小数点后三位）
（2）试样中的土粒净高
计算：
式中：
——环刀高度。
20mm
（3）在某一荷重下压缩稳定后试样的孔隙比：
式中：
H——试样原始高度与各级荷重下稳定后变形量S之差。
即
。
所以，H即为在某荷重下压缩稳定后试样的高度。
——在同一荷重下试样和仪器的总变形量。
即等于加第一级荷重前预压调整时的测微表起始读数（mm）与在某级荷重下压缩稳定后测微表的读数（mm）之差。
——在同一荷重的仪器的变形量。
（mm）
（4）以压力P为横坐标，和与之相应的孔隙比e为纵坐标，绘制e——p曲线。
并求出P1=100kPa，P2=200kPa时的压缩系数
以及压缩模量时ES。
并判别土的压缩性。
4．注意事项
（1）在每级的加荷过程中，要调节升降杆使杠杆始终保持水平位置，因此，在试验之前，应将手轮顺时钟旋转到初始位置，即旋不动为止，千万不能硬旋，以免损坏仪器。
（2）在压缩过程中，如发现杠杆不在水平位置，则可以逆时针转动手轮。
以保杠杆水平。
思考题
为什么要研究土的压缩性?
进行压缩试验的主要目的是什么?
为此需取得哪些技术数据?
7直接剪切试验
直接剪切试验是测定土样的抗剪强度指标的一种常用方法。
通常采用四个试样，分别在不同的垂直压力下，分别施加水平剪切力进行剪切，求得破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度指标c和
。
本试验使用应变控制式直剪仪。
可根据实际情况选用快剪、固结快剪、慢剪三种方法。
1．仪器设备
（1）应变控制直剪仪（如图）仪器主要部件有：
a．剪切盒
剪切盒分上下两盒（附一个传压缩及两个透水石）。
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．加力及量测设备
垂直荷重：
通过杠杆（1：
10）放砝来施加。
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：
内径61.8mm（面积30.0cm2），高度20mm。
（3）测微表（百分表）：
最大量程10mm，分度值为0.01m。
（4）其它：
秒表、天平、烘箱、修土刀、推土器等。
2．操作步骤
（1）将试样表面削平，用环刀切取试样，称环刀加湿土重，测出密度，四块式样的密度误差不得超过0.03g／cm3。
（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、在下盒透水石上放一张滤纸。
（3）将带试样的环刀平口向下，对准上盒盒口放好，在试样上面顺序放滤纸和透水石，然后用推土器将试样平稳推入上下盒中，移去环刀。
（4）顺次放上透水石、传压板和钢珠，按规定加垂直荷重（一般一组四次试验，建议采用100，200，300，400kPa）。
（5）按顺时针徐徐转动手轮至上盒前端的钢珠刚好与量力环接触（即量力环内的测微计指针刚好开始移动），调整测微计读数为零。
（6）拨去固定销，开动秒表，以每分钟4-12转的均匀速率转动手轮（本试验以每分钟6转为宜），转动过程中不途停顿或时快时慢。
使试样在3-5分钟内剪损，手轮每转一圈应测记测微表读数一次，直至量力环的测微表指针不再前进或有后退，即说明试样已剪损。
如测微表指针一直缓慢前进，说明不出现峰值，则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。
（7）剪切结束后，倒转手轮，然后顺序去掉荷载，加压架、钢珠、传压板与下盒，取出试样。
（8）重复上述步骤，做其他各垂直压力下的剪切试验。
3．计算与绘图
（1）密度的计算（略）
（2）抗剪强度的计算
式中：
——抗剪强度（KPa）
——量力环中测策表最大读数，或位移量4mm时的读数（0.01mm）；
C0——量力环率定系数（1kPa/0.01mm）
（3）剪切位移量的计算
式中：
——剪切位移（0.01mm）
R——同上；
n——手轮转数。
（4）以抗剪强度
为纵坐标，垂直应力口为横坐标，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，即为强度包线。
该线的倾角即为土的内摩擦角，该线在纵坐标上的截距即为土的粘聚力C。
8击实试验
土体击实过程中，随着击实功增加，体积不断减小。
对于非饱和土，在一定击实作用下，当含水量很低时，土粒间的水主要为吸着水，土粒间引力较大，在外力作用下，由于吸着水能随剪应力作用，使土的骨架不易变形，因而击实困难，相应的干密度较小。
随着含水量增加，吸着水膜变厚，粒间引力减小，土体易于击实，相应干密度增加；当土体含水量接近饱和水量时，土样出现大量的自由水和封闭气体，外力功大部分变成孔隙应力，因而土粒受到的有效击实功减小，干密度降低。
对于细粒饱和土，由于渗透系数小，在击实过程中来不及排水，故认为是不可击实的。
（a）击实曲线（b）饱和曲线
图2—1击实曲线
1．仪器设备
击实试验用到的主要试验仪器包括：
（1）击实仪：
示意图见图2—l所示，击实仪参数风表2—1所示；
（2）推土器：
用特制的螺旋式千斤顶或液千斤顶加反力框架组成；
（3）台秤：
称量5000g，感量5g；
（4）其它设备：
同烘干法含水量代验的全部仪器设备。
2．实验步骤
①试样制备，击实试验制备分干法和湿法两种：
（1）干法制样：
取代表性土样20kg，风干碾碎，过5mm筛下土样拌匀，并测定土样的风干含水量
。
据土的最优含水量略低于塑限的经验，由塑限预估最优含水量。
选择五个含水量制备5份试样，每份试样质量2kg或5kg（小击实筒2kg，大击实筒5kg），各试样间含水量相差2—3%。
加入需要的水拌和均匀后，密封静置一昼夜后备用；
（2）湿法制样：
将天然含水量的土样碾碎后，过51Tim筛，在最优含水量左右制份土样，土样之间的含水量2—3%。
静置一昼夜使含水量均匀分布备用。
②击实：
将击实筒内壁涂一簿层凡士林或润滑油，固定在击实仪刚性底板上，装好护筒。
（土工试验方法标准）（GB／T50123—1999）规定的轻型击实仪分三层击实，每层装入试样600—800g，每层击25击。
其它规范规定的击次和分层见2—1所示。
每层击实后高度不超过理论高度5mm，最后余高应小于6mm；
③拆除护筒，用刀修平击实筒顶部的试样。
拆除底板，试样底部若超过筒外，也应修平，擦净筒外壁，称筒+试样总质量，估读至1g。
计算出试样湿密度；
④用推土器将试样从筒中推出，在试样中心取两块代表性土样测定含水量，当两个含水量值相差小于2%时，计算得到试样平均含水量，计算试样的干密度；
⑤重复步骤2至多，对不同的含水量试样进行击实试验，得到各试样的湿密度，含水量，计算等到干密度；
⑥画出击实曲线，得到最大干密度
和对应的最优含水量
。
表2-1击实仪参数
参数
击实仪
击实筒
直径
（cm）
击实筒
高度
（cm）
击实筒
体积
（cm3）
击锤
质量
（kg）
击锤
落高
（cm）
分层数
每层
击数
（次）
备注
普氏击
实仪
10.16
11.64
944
2.50
30.48
3
25
ASTM
轻型击
实仪
10.2
11.6
948
2.50
30.5
3
25
GB123-88
重型击
实仪
15.2
11.6
2105
4.50
45.7
5
56
GB123-88
标准击
实仪
10.0
12.73
1000
2.5
30
3
27
SD128-84
公路I型
II型
10.0
15.2
12.7
12.0
977
2177
25（45）
25（45）
30（45）
30（45）
3（3）
3（3）
27（27）
59（98）
括号外
轻型
括号内
轻型
（1）试验记录和试验成果
击实试验记录见表所示。
击实曲线见图2-1所示。
由击实曲线得到击实关验成果为最大干密度
和最优含水量
。
（2）附加说明
1．击实试验中，每一层击实后须量测全高，从而算出每层土击实后高度。
然后把土面打毛后到入下层土击实（有工程单位证明土面不打毛对试验结果影响不大）；
2．因不同型号的击实仪击实功不同，因此，试验时必须标明所用击实仪体积、分层数和每层击数；
3．当土样中大于5mm土含量不超过30%时，先筛去大于5mm颗粒后进行击实试验，然后用下式修正得到有粗粒土的最优含水量
和最优含水量
。
（8-1）
（8-2）
式中：
、
—校后土样最大干密度和最优含水量；
、
—粒径小于5mm土的最大干密度和最优含水量；
、P—粒径大于5mm土粒比重、百分含量和含水量；
、
—粒径大于5mm土粒表面湿润含水量的关系为：
4．饱和度
其中：
—土样饱和含水量，%；
其余符号同前。
表2-2击实试验记录
工程名称：
试验者：
送检单位：
计算者：
土样编号：
校
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