土工试验指导书.docx
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土工试验指导书
场地土性能检测指导书
建筑工程系
二○一○年四月
目录
1、含水量试验…………………………………………………………………..2
2、密度试验（环刀法）………………………………………………………..4
3、土粒度分析试验（筛分法）………………………………………………5
4、液、塑限联合测定试验……………………………………………………7
5、三轴压缩试验………………………………………………………………9
6、无测限抗压强度试验………………………………………………………16
7、直接剪切试验………………………………………………………………19
8、击实试验……………………………………………………………………22
9、压缩性试验………………………………………………………………..25
实验一含水量试验
一、基本原理
土的含水量是试样在105~
C下烘至恒量时所失去的水质量和干土质量的比值，用百分比表示。
含水量是土的基本物理性质指标之一，它是计算土的干密度、孔隙比、饱和度等的必要指标。
目前国内外测定含水量的方法有多种，但能确保质量，操作简便又能符合含水量定义的试验方法仍以烘干法为主。
故本试验采用烘干法。
本试验方法适用于粘性土、砂性土和有机质土类。
二、仪器设备
（1）烘箱：
可采用电热烘箱或温度能保持100~1050C的其它能源烘箱，也可用红外线烘箱。
（2）天平：
感量0.01g。
（3）其它：
干燥器、称量盒等。
三、操作步骤
（1）取具有代表性试样，粘性土为15~20g，沙性土、有机质土为50g放入称量盒内，盖上盒盖，称湿土质量，精确至0.01g。
（2）打开盒盖,将盒置于烘箱内,在105~1100C的恒温下烘干。
烘干时间对黏性土不得少于8h，对砂性土不得少于6h，对含有机质超过5%的土，应将温度控制在65~700C的恒温下烘干。
（3）将称量盒从烘干箱中取出，盖上盒盖，放入干燥容器内冷却至室温，称干土质量，精确至0.01g。
四、数据处理
（1）试样的含水量，应按下式计算，精确至0.1%。
式中
——土的含水量%；m0——试样湿质量（g）；md——试样干质量（g）
（2）含水量试验应进行两次平行测定，两次测定的差值，当含水量小于40%时不得大于1%，当含水量
40%时不得大于2%。
取两次测值的平均值。
（2）记录格式见表
含水量试验记录（烘干法）
盒号
盒质量
g
1
盒+湿土质量
g
2
盒+干土质量
g
3
水分质量
g
4=2-3
干土质量
g
5=3-1
含水量
g
6=4/5*100
平均含水量
g
7
试验二密度试验（环刀法）
一、试验目的：
通过测定密度来了解土体内部的密实情况。
二、试验设备：
环刀：
内径为61.8
0.15mm和79.8
0.15mm高度为20
0.016mm
天平:
称量500g,感量0.1g,称量200g,感量0.01g
其他:
修土刀、钢丝锯、凡士林等。
三、适用范围：
本试验方法适用于粘性土。
四、操作步骤：
1、按工程需要取原状土或制配所须状态的扰动土，整平两端，将环刀内壁涂一薄层凡士林，刀口向下放在土样上。
2、用修土刀或钢丝锯将土样上部削成略大于环刀直径的土柱，然后将环刀垂直下压，边压边削至土样伸出环刀上部为止。
削去两端余土，使与环刀口面齐平，并用剩余土样测定含水量。
3、擦净环刀外壁，称环刀与土的质量m1,精确至0.1g。
4、本试验须进行两次平行测定,其平行差值不得大于0.03g/cm3.求其算术平均值。
五、试验要求：
1、按下列公式计算湿密度和干密度
式中——湿密度（g/cm
）；
——环刀与土盒质量（g）；
——环刀质量（g）
2、求出平均值。
3、记录格式见下表
密度试验记录（环刀法）
土样编号
环刀号
环刀容积
cm
①
环刀质量
g
②
土+环刀质量
g
③
土样质量
g
④
③-②
湿密度
g/cm
⑤
④/①
含水量
%
⑥
干密度
g/cm
⑦
平均密度
g/cm
⑧
试验三土粒度分析试验（筛分法）
一、试验目的：
通过筛分法来评价土的颗粒级配情况。
二、试验原理：
利用一套孔径不同的标准筛，来分离一定量的砂性土中与孔径相应的粒组，而后称重，计算各粒组的百分含量，确定砂性土的粒度成分。
三、试验仪器：
（1）标准筛：
粗筛（圆孔）：
孔径为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm；细筛：
孔径为2mm、0.5mm、0.25mm、0.074mm。
（2）天平：
称量5000g/感量5g；称量1000g/感量1g；称量200g/感量0.2g。
（3）摇筛机。
（4）其他烘箱、筛刷、烧杯、木碾、研钵等。
四、备样：
（1）从风干、松散的土样中，用四分法按照下列规定取出具有代表性的试样：
（2）小于2mm颗粒的土100~300g。
（3）最大粒径小于10mm的土300~900g。
（4）最大粒径小于20mm的土1000~2000g。
（5）最大粒径小于10mm的土2000~4000g。
（6）最大粒径小于10mm的土4000g以上。
五、试验步骤：
1、对于无粘性土
（1）按规定称取试样，将试样分批过2mm筛。
（2）将大于2mm的试样从大到小的次序，通过大于2mm的各级粗筛。
将留在筛上的土分别称量。
（3）2mm筛下的土如果数量过多，可用四分法缩分至100g~800g。
将试样从大到小的次序通过小于2mm的各级细筛。
可用摇筛机进行震摇。
震摇时间为10~15min。
（4）由最大孔径的砂开始，顺序将各筛取下，在白纸上用手轻叩摇晃，至每分钟筛下数量不大于该级筛余质量的1%为止。
漏下的土样应全部放入下一级筛内，并将留在各筛上的土样用软毛刷刷净，分别称量。
（5）筛后各级筛上和筛底土总质量与筛前试样质量之差，不应大于1%。
（6）如2mm筛下的土不超过试样总质量的10%，可省略细筛分析;如2mm筛上的土不超过试样总质量的10%，可省略粗筛分析。
2、对于含有粘土粒的砂砾土
（1）将土样放在橡皮板上用木碾将粘结的土团充分碾散，拌匀、烘干、称量。
如土样过多时，用四分法取代表性土样。
（2）将试样置于盛有清水的瓷盆中，浸泡并搅拌，使粗细颗粒分散。
（3）将浸润后的混合液过2mm的筛，边冲边洗过筛，直至筛上仅留2mm以上的土粒为止。
然后将筛上洗净的砂砾风干称量。
按以上方法进行粗筛分析。
（4）通过2mm筛下的混合液存放在盆地中，待稍沉淀，将上部悬液过0.074mm洗筛，用带橡皮头的玻璃棒研磨盆内浆液，再加清水，搅拌、研磨、静置、过筛，反复进行，直至盆内悬液澄清。
最后，将全部土粒倒在0.074mm筛上，用水冲洗，直到筛上仅留大于0.074mm净砂为止。
（5）将大于0.074mm净砂烘干称量,并进行细砂分析.
（6）将大于2mm颗粒2~0.074mm的颗粒质量从原称量的总质量中减去,即为小于0.074mm的颗粒质量。
（7）如果小于0.074mm的颗粒质量超过总土质量的10%，有必要时，将这部分土烘干、取样、另做比重计或移液管分析。
六、数据处理：
（1）计算小于粒径质量百分数
式中X——小于某粒径颗粒的质量百分数（%）；A——小于某粒径颗粒的质量（g）；B———试样的总质量（g）
（2）用四分法计算
当小于2mm的颗粒如用四分法缩分取样时，试样中小于某粒径的颗粒质量占总土质量的百分数：
式中a——通过2mm筛的试样中小于某粒径的颗粒质量（g）；b——通过2mm筛的土样中所取试样的质量（g）；p——粒径小于颗粒质量百分数。
（3）整理绘图
在坐标纸上，以小于某粒径的颗粒质量百分数为纵坐标，以粒径为横坐标，绘制颗粒大小级配曲线，求出各粗组的颗粒质量百分数，以整数（%）表示。
（4）计算不均匀系数：
（5）试验纪录表如下：
筛前总土质量=g；小于2mm取试样质量=g；小于2mm土质量=g；小于2mm土占总土质量=%
粒度分析试验记录（筛分法）
粗筛分析
细筛分析
孔径
mm
累计留筛土质量g
小于该孔径的土质量g
小于该孔径的土质量百分比%
孔径mm
累计留筛土质量g
小于该孔径的土质量g
小于该孔径的土质量百分比
占总土质量百分比%
试验四液、塑限联合测定试验
一、试验目的：
本试验的目的是测定土的液限和塑限，为划分土类，计算天然稠度、塑性指数，供工程设计和施工之用。
二、试验对象：
本试验适用于粒径小于0.5mm、有机质含量小于5%的土。
三、试验仪器：
1、LP-100游标式液塑限联合测定仪。
2、天平：
称量200g,感量0.01g。
3、其他：
调土刀、调土皿、称量盒、研钵、干燥器、吸管、凡士林、蒸溜水等。
四、试验步骤：
1、取代表性天然含水量或风干土样进行试验。
如土中含大于0.5mm的颗粒或杂质物较多时，可采用风干土样，用木棒在橡皮板上压碎土块。
试样必须反复研碎，过筛，直至将可研碎的土块全部通过0.5mm的筛为止。
取筛下土样用三皿法或一皿法进行制样。
三皿法：
用筛下土样200g左右，分开放入三个盛土皿中，用习惯加入不同数量的蒸馏水或自来水，土样的含水量分别控制在液限、塑限以上和它们的中间状态附近。
用调土刀调匀，盖上湿布，放置18h以上。
2、将制备好的土样充分搅拌均匀，分层装入土样试杯，用力压密，使空气溢出。
对于较干的土样，应先充分搓揉，用调土刀反复压实。
试杯装满后，刮成与杯边齐平。
3、调平仪器，提起锥杆（此时游标或百分表的读数为零），锥头上涂少许凡士林。
4、将装好土样的试杯放在联合测定仪的升降座上，转动升降旋钮，待锥尖与土样表面刚好接触时停止升降，扭动锥下降旋钮，同时开动秒表，经5s时，松开旋钮，锥体停止下落，此时游标读数即为锥入深度
。
5、改变锥尖与土体接触位置（锥尖两次锥入位置距离不小于1cm），重复上述2、3步骤，得锥入深度
。
、
允许误差为0.5mm，否则，应重做。
取
、
平均值作为该点的锥入深度。
6、去掉锥尖入土处的凡士林，取10g以上的土样两个，分别放入称量盒内，称其质量（准确至0.01g），测定其含水量
、
（计算到0.1%）。
计算含水量平均值
。
7、重复2~6条步骤，对其他两个土样含水量进行试验，测其锥入深度和含水量。
五、数据处理：
1、含水量应按下式计算，计算至0.1%。
2、以含水量为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制关系曲线，三点应在一直线上。
当三点不在一直线上时，通过高含水量的点与其余两点联成一条直线，在下沉深度为2mm处查得相应的两个含水量，当两个含水量的差值小于2%时，应以该两点含水量的平均值与高含水量的点连成一条直线。
当两个含水量的差值大于、等于2%时，应重做试验。
3、在含水量与圆锥下沉深度关系图上，查得下沉深度为17mm所对应的含水量为17mm液限，查得下沉深度为10mm所对应的含水量为10mm液限，查得下沉深度为2mm所对应的含水量为塑限，取直至整数。
4、塑性指数应按下式计算：
液、塑限联合测定试验记录
试验次数
试验项目
1
2
3
入土深度mm
h-w图
含水量%
盒号
盒质量g
盒+湿土质量g
盒+干土质量g
水分质量g
液限
=
干土质量g
塑限
=
含水量%
塑性指数
=
平均含水量%
备注
实验五三轴压缩试验
一、基本原理
三轴压缩实验是根据摩尔-库伦强度理论，用3～4个试样，分别在不同的恒定周围压力（即小主应力σ3）下施加轴向压力（即主应力差），进行剪切直至破坏，从而确定土的抗剪强度参数。
根据排水条件的不同，三轴试验分为以下三种试验类型：
即不固结不排水试验（UU），固结不排水试验（CU），和固结排水试验（CD），试验方法的选择应根据工程情况，土的性质，建筑物施工和运行条件及所采用的分析方法而定。
（1）不固结不排水剪试验（UU）:
是在整个实验过程中,从加周围压力和增加轴向压力直到剪坏为止,均不允许试样排水对保和试样可测得总抗剪强度参数CU、ФU或有效抗剪强度参数C′、Ф′和孔隙水压力参数。
（2）固结不排水剪试验（CU）:
试验是先使试样在某一周围压力下固结排水，然后保持在不排水的情况下，增加轴向压力直到剪坏为止，可以测得总抗剪强度指标CCu、ФCu或有效抗剪强度参数C′、Ф′和孔隙水压力参数。
（3）固结排水剪试验（CD）:
是在整个试验过程中允许试样充分排水，即在某一周围压力下排水固结，然后在充分排水的情况下增加轴向压力直到剪坏为止，可以测定有效抗剪强度指标2Cd、Фd。
二、固结不排水试验
（一）仪器设备
1、应变控制式三轴压缩仪
由周围压力系统，反压力系统，孔隙水压力量测系统和主机组成。
2、附属设备
包括击实器、饱和器、切土器、分样器、切土盘、承膜筒和对开圆筒，：
3、百分表
量程3cm或1cm，分度值〉0.01mm。
4、天平
程量200g，感量0.01g；程量1000g，感量0.1g。
5、橡皮膜
应具有弹性，厚度应小于橡皮膜直径的1/100，不得有漏气空。
（二）操作步骤
1、仪器检查
⑴周围压力的测量精度为全量程的1%，测读分值为5kPa。
⑵孔隙水压力系统内的气泡应完全排除。
系统内的气泡可用纯水或施加压力使气泡溶于水，并从试样底座溢出，测量系统的体积因数应小于1.5×10-5cm3/kPa。
⑶管路应畅通，活塞应能滑动，各连接处应无漏气。
⑷橡胶膜在使用前应仔细检查，方法是在膜内充气，扎紧两端，然后在水下检查有无漏气。
2、试样制备
⑴本试验需3～4个试样，分别在不同周围压力下进行试验。
⑵试样尺寸：
最小直径为Ф35mm，最大直径为Ф101mm，试验高度应为试样直径的2～2.5倍，试样的最大粒径应符合下表规定。
对于有裂缝、软弱面和构造面的试样，试样直径宜大于60mm。
试样的土粒最大粒径
试样尺寸（mm）
允许最大粒径（mm）
<100
≥100
试样直径的1/10
试样直径的1/5
⑶原状土试样的制备:
根据土样的软硬程度,分别用切土盘和切土器按上述步骤的规定切成圆柱形试样,试样两端应平整,并垂直于试样轴,当试样侧面或端部有小石子或凹坑时,允许用削下的余土修整,试样切削时应避免扰动,并取余土测定试样的含水量。
⑷扰动试样的制备:
根据预定的干密度和含水量，按扰动土样规定备样后，在击石器内分层击实，粉质土宜为3～5层，粘质土宜为5～8层，各层土样数量相等，各层接触面刨毛。
⑸对于砂类土，应在压力室底座上依次放上不透水板、橡胶膜和对开圆膜。
将砂料填入对开圆膜内，分三层按预定干密度击实。
当制备饱和试样时，在对开圆膜内注入纯水至1/3高度，将煮沸的砂料分三层填入，达到预定高度。
放上不透水板、试样帽、扎紧橡皮膜。
对试样内部施加5kPa负压力，使试样能站立，拆除对开膜。
⑹对制备好的试样，量测其直径和高度。
试样的平均直径按下式计算：
D0=（D1+2D2+D3）/4
式中的D1、D2、D3分别为上、中、下部位的直径。
3、试样饱和
⑴抽气饱和。
将试样装入饱和其内。
置于抽气缸内盖紧后，进行抽气。
当真空度接近一个大气压后，对于粉质土（轻亚粘土）再继续抽气半小时以上，粘质土（亚粘土、粘土）抽1小时以上，密实的粘质土抽两小时以上。
然后徐徐注入清水，并使真空度保持稳定。
待饱和器完全淹没水中后，停止抽气，解除抽气缸内的真空，让试样在抽气缸内静止10小时以上。
然后取出试样称重。
⑵水头饱和。
对于粉土，可直接在仪器上用水头饱和；对于粉质土和粘质土，有时因有特点要求。
也可用水头饱和。
其方法是先按上述规定步骤将试样安装好（但试样两端面都用透水石、试样顶面透水面上加透水帽），然后施加20kPa（≈0.2kgf/cm2）的周围压力。
并同时提高试样底部量管的水面和降低试样顶部固结排水管的水面，使两管水面高差在1m左右。
打开孔隙压力阀和排水阀。
让水自下而上通过试样，直至同一时间间隔内量管流出的水量与固结排水管内的水量相等位置。
⑶假如按上述两条不能使试样完全饱和（Sr=99%以上），而试验要求试样完全饱和时，则需对试样再用反压力饱和。
施加反压力步骤如下：
①当试样在三轴压力室装好以后，关孔隙压力阀和反压力阀，测记体变管读数。
现对试样施加20kPa（≈0.2kgf/cm2）的周围压力预压。
并打开孔隙压力阀进行测读。
孔隙压力稳定后记下读数，然后关孔隙压力阀。
②反压力应分级施加，并分级施加周围压力。
以尽量减少对试样的扰动。
在施加反压力过程中，始终保持周围压力比反压力大20kPa。
反压力和周围压力的每级增量对软粘土取30kPa。
对坚实的土或起始饱和度较低的土，取50～70kPa。
③操作时，先调周围压力至50kPa（≈0.5kgf/cm2），并将反压力系统调至30kPa（≈0.3kgf/cm2），同时同步打开周围压力阀和反压力阀，然后在缓缓打开孔隙压力阀，带孔隙压力稳定后，测记孔隙压力仪表显示读数和体变管读数，再施加下一级的周围压力和反压力。
④算出本级周围压力下引起的孔隙压力增量△u，并与周围压力增加△σ3比较，假如△u/△σ3<0.98，则表示试样尚未饱和，这时关孔隙压力阀、反压力阀和周围压力阀，继续按上述步骤加下一级周围压力和反压力。
如此逐级增加周围压力和反压力直至试样饱和。
⑤当试样在某级压力下达到△u/△σ3〉0.98时，这时即应进行检查是否饱和。
其方法是保持反压力不变，增大周围压力，假若试样内增加的孔隙压力等于周围压力的增量，表明式样确系饱和；否则应增大反压力，重复上述步骤，直至试样饱和为止。
4、试样安装
⑴将试样放在压力室底座的不透水（有机玻璃）圆板上,在试样的顶部放置不透水试样帽.
⑵将橡皮膜套在承膜筒内。
将两端翻出膜外,从吸嘴吸气。
使橡皮膜贴紧承膜筒内壁，然后套在试样外，放气，翻起橡皮膜，取出承膜筒。
用橡皮圈将橡皮膜分别扎紧在压力室底座和试样帽上。
⑶装上压力室外罩。
安装时应将活塞提高，以防碰撞式样，然后将活塞对准试样帽中心，并均匀的旋紧螺丝，在将量力环对准活塞。
⑷开压力室外罩顶面排气孔，向压力室冲水。
当压力室快注满水时，降低进水速度，水从排气孔溢出时，关闭周围压力阀旋紧排气孔闷头螺栓。
⑸开周围压力阀，施加所需的周围压力。
周围压力的大小应与工程的实际荷重相适应，并尽可能是最大周围压力与土体的最大实际荷重大致相等。
也可按100，200，300，400kPa（100kPa≈1kgf/cm2）施加。
⑹旋转手轮，当量力环的量表微动时表示活塞已与试样帽接触。
然后将量力环的量表和变形量表的指针调镇整到零位。
5、试样剪切
⑴剪切应变速率应为每分钟应变0.5～1.0%。
⑵启动电动机，开始剪切。
试样每产生0.3～0.4%的周向应变，测记一次测力计读数和轴向变形值。
当轴向应变大于3%，每隔立即0.7～0.8%的应变值测记一次读数。
⑶当测力计读数出现峰值时，剪切应继续进行，超过5%的轴向应变为止。
当测力计读数无峰值时，剪切应变进行到轴向应变为15～20%。
⑷试验结束，关电动机，关周围压力阀，开排气阀，排除压力室内的水，拆除试样，描述试样破坏形状。
称试样质量，并测定含水量。
（三）成果整理
1、轴向应变的计算
ε1=Δhi/h0
式中ε1——轴向应变值（%）；Δhi——剪力过程中的高度变化（mm）；h0——试样起始高度（mm）
2、试样面积的校正
Aa=A0/（1-ε1）
式中Aa——试样的校正断面积（cm2）；A0——试样的初始断面积（cm2）
3、主应力差计算
σ1-σ3=C•R/Aa×10
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）；10——单位换算系数
4、在直角坐标纸上绘制轴向应变与主应力差关系曲线
5、求不排水强度参数
以σ1-σ3的峰值为破坏点，无峰值时，取15%轴向应变时的主应力差值作为破坏点。
依法向应力为横坐标，在横坐标上以（σ1f-σ3f）/2为半径（f表示破坏），在τ-σ应力平面图上绘制破损应力图，并绘制不同周围压力下破损应力圆的包线。
记录如下表：
三轴压缩试验纪录
（一）
土样标号试验方法
试验者试验日期
试样状态记录
周围压力（kPa）
起始的
固结后
剪切后
反压力u0（kPa）
直径D（cm）
周围压力下的孔隙水压力μ
高度hi（cm）
面积A（cm2）
孔隙水压力系数B=μ/σ3
体积V（cm3）
质量m（g）
破损应变ε1（%）
密度ρ（g/cm3）
破损主应力差σ1-σ3（kPa）
干密度ρd（g/cm3）
破损大主应力σ1f
试样含水量记录
破损孔隙水压力系数
BF=μf/σ1f
起始的
剪切后
盒号
相应的有效大主应力σ1（kPa）
盒质量（g）
相应的有效小主应力σ3（kPa）
盒+湿土质量（g）
最大有效主应力比[σ1/σ3]max
破损点选值准则[σ1/σ3]max
湿土质量（g）
盒+干土质量（g）
孔隙水压力系数
Af=μf/B（σ1-σ3）f
干土质量（g）
水质量（g）
试样破损情况描述
饱和度Sr
三轴压缩试验记录
（二）（反压力和固结过程）
土样标号试验方法
试验者试验日期
加反压力过程
说明
时间
（min）
周围
压力
σ3
（kPa）
反压力
μ0（kPa）
隙水
压力
μ（kPa）
孔隙水
压力增
量Δμ
（kPa）
试验体积变化
读数
（cm3）
体变量（cm3）
固结过程
时间（min）
排水量管
孔隙水压力
体积变化管
读数
排水量
读数（kPa）
压力值（kPa）
读数
（cm3）
体变量（cm3）
注：
⑴体变量（-）号表示排水，（+）
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