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土力学实验

邓初首

适用专业：

土木工程

建筑工程学院

目录

实验一土的基本物理性质指标测定……………………………………

（1）

实验二土的液限、塑限联合测定………………………………………（8）

实验三土的标准固结实验………………………………………………（12）

实验四土的直接剪切实验………………………………………………（18）

附录：

土工实验相关要求………………………………………………（24）

实验一土的基本物理性质指标测定

一、含水率实验（烘干法）

1.实验目的

学习使用烘干法测定土的含水率，了解土的含水情况，并为计算土的干密度、孔隙比、液性指数、饱和度，以及土的其它物理力学试验提供必需的数据。

2.实验原理

土的含水率是试样在105-110℃温度下烘至恒量时所失去的水质量和达恒量后干土质量的比值，用百分数表示。

土的含水率是土的基本物理性指标之一，含水率实验方法有多种：

如烘干法、酒精燃烧法、炒干法等。

烘干法：

将已知质量的土样放人烘箱内，在规定温度下烘至恒重，冷却后称出干土的质量，计算土的含水率。

此法为标准实验方法，适用于粘土、砂土、有机质土和冻土类。

酒精燃烧法：

将无水酒精加入土样中点火燃烧，将土样烧干使土中水分蒸发，重复燃烧数次，称出燃烧后土的质量，计算土的含水率。

此为非标准实验方法，适用于不含或少含有机质的土。

炒干法：

将土样放在铁盘内在电炉上炒干，称出炒干前后试样的质量，计算土的含水率。

此为非标准实验方法，适用于含砂砾较多的土。

本实验只介绍烘干法测定土的含水率。

3.仪器设备

（1）电热烘箱：

应能控制温度为105-110℃。

（2）天平：

称量200g，最小分度值0.01g，称量1000g，最小分度值0.1g。

（3）其它：

干燥器（内有硅胶或CaCl2干燥剂）；称量盒（铝盒）。

4.操作步骤

（1）先称空铝盒的质量m0，准确至0.01g。

（2）取代表性试样15～30g或用环刀中的试样，有机质土、砂类土和整体状的冻土50g，放入称量铝盒内，并立即盖好盒盖，称铝盒加湿土质量m1，准确至0.01g。

（3）打开盒盖，将盒盖套在盒底下（以免丢失或拿错），一起放入烘箱内，在105～110℃下烘至恒量。

烘干时间对粘土、粉土不得少于8h，对砂土不得少于6h。

对含有机质超过超过干土质量5％的土，应将温度控制在65～70℃的恒温下烘至恒量。

（4）将称量盒从烘箱中取出，盖上盒盖，放入干燥容器内冷却至室温，称盒加干土质量m2，准确至0.01g。

5.结果计算

（1）按下式计算土的含水率，精确至0.1%。

式中：

ω—含水率（%）；

m0—称量盒（铝盒）质量（g）；

m1—盒加湿土质量（g）；

m2—盒加干土质量（g）。

（2）本实验应进行两次平行测定，两次测定的差值，当含水率小于40%时不得大于1%；

当含水率等于、大于40%时不得大于2%。

取两次测值的平均值。

（3）数据记录见表1-1

6.注意事项

（1）含水率实验应在打开土样包装后立即进行，以免水分改变，影响结果。

（2）使用称量盒前，应检查盒盖与盒底号码是否一致，发现不一致时应另换相符者进行称重。

（3）含有机质土在105~110℃温度下经度时间烘干后，有机质特别是腐植酸会在烘干过程中逐渐分解而且不断损失，使测得的含水量比实际的含水率大，土中有机质含量越高误差就越大。

故本试验对有机质含量超过5%的土，规定在65~70℃的恒温下进行烘干。

（4）烘干的试样应先在干燥器内冷却至室温再称质量，一是避免因天平受热不均影响称量精度，二是防止热土吸收空气中的水分。

二、密度实验（环刀法）

1.实验目的

（1）掌握使用环刀法测定土的密度。

（2）通过测定土的密度，了解土的疏密和干湿状态，为计算土的其它物理性质指标和工程设计以及控制施工质量提供必需的数据。

2.实验原理

土的密度是指单位体积内土的质量。

测定方法有：

环刀法、蜡封法、灌水法和灌砂法等。

环刀法适用于一般细粒粘土；蜡封法适用于易破碎土或形状不规则的坚硬土；灌水法、灌砂法适用于现场测定粗粒土的密度。

这里仅介绍环刀法。

环刀法就是采用一定体积的环刀切取土样并称土质量的方法，环刀内土的质量与环刀体积之比即为土的密度。

3.仪器设备

（1）环刀：

内径61.8mm和79.8mm，高度20mm；

（2）天平：

称量500g，最小分度值0.1g；称量200g，最小分度值0.01g；

（3）其它：

削土刀、钢丝锯、玻璃片、凡士林等。

4.操作步骤

（1）在天平上称环刀质量m1，准确至0.1g。

（2）取原状土或制配所需状态的扰动土，整平两端，将环刀内壁涂一薄层凡士林,将环刀刃口向下放在土样上，

（3）将环刀垂直均匀下压，并用切土刀沿环刀外侧切削土样两侧余土，边压边削，至土样高出环刀上口为止。

（4）用切土刀整平环刀两端土样，使与环刀口面齐平，立即用玻璃片盖住环刀上下两端，以免水分蒸发。

（5）擦净环刀外壁，取下玻璃片，称环刀加土的质量m2，准确至0.1g。

5.结果计算

（1）分别按下式计算土样的湿密度和干密度：

式中ρ—湿密度（g/cm3），准确到0.01g/cm3；

m2—环刀加湿土质量（g）；

m1—环刀质量（g）；

V－环刀容积（cm3）；

ρd—干密度（g/cm3），准确到0.01g/cm3；

ω—含水率（%），代入计算时要去掉百分号，如含水率为36.2％，ω取36.2代入。

（2）环刀法密度试验应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于0.03g/cm3，取两次试验结果的平均值。

（3）数据记录见表1-2。

6.注意事项

（1）用环刀切试样时，环刀应垂直均匀下压，以防环刀内试样的结构被扰动。

（2）土样用环刀切取整平后，在称量前应在环刀两端盖上玻璃片，以防水分损失。

三、土粒比重实验（比重瓶法）

1.实验目的

测定土粒比重，为计算土的孔隙比、饱和度以及为土的其它物理力学试验提供必须参数。

2.实验原理

土粒比重是土粒在105～110℃下烘至恒重时，土粒质量与同体积4℃时纯水质量的比值，亦称为土的相对密度。

对小于、等于和大于5mm土颗粒组成的土应分别采用比重瓶法、浮称法和虹吸管法测定比重。

本实验只介绍用比重瓶法测定颗粒粒径小于5mm的土的比重。

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实际体积。

土中含有气体，实验时必须把它排尽，否则影响测试精度，可用沸煮法或抽气法排除土内气体。

所用的液体为纯水。

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、甲苯等，此时，必须采用抽气法排气。

3.仪器设备

（1）比重瓶：

容量100mL或50mL，分长径和短径两种（见图1）。

（2）恒温水槽：

准确度应为

℃；

（3）砂浴：

应能调节温度的；（或可调电加热器）

（4）天秤：

称量200g，最小分度值0.001g；

（5）温度计：

测定范围刻度为0～50℃，最小分度值为0.5℃；

（6）其它：

干燥器、烘箱、纯水、小漏斗、孔径为2mm及5mm筛、滴管等。

4.操作步骤

（1）试样制备：

取有代表性的风干的土样约100g，碾散并全部过5mm的筛。

将过筛的风干土在105～110℃下烘干，取出后置于干燥器内冷却至室温备用。

（2）将比重瓶洗净、烘干，置于干燥器内冷却后，称其质量m0，准确至0.001g。

（3）称烘干试样土15g（当用50mL的比重瓶时，称烘干试样10g），用漏斗装入比重瓶内．并称其质量，得瓶加干土总质量m1，准确至0.001g。

（4）在装干土的比重瓶内注人蒸馏水至瓶的1/2处，摇动比重瓶，使土粒初步分散，再将比重瓶放砂浴上煮沸（注意将瓶塞取下），煮沸时应调节砂浴温度，避免瓶内悬液溢出。

煮沸时间从开始沸腾时算起：

砂土不少于30min，粘土、粉土不少于1h。

（5）将煮沸经冷却的蒸馏水注人装有试样悬液的比重瓶。

当用长颈比重瓶时注至刻度，当用短颈比重瓶时注满，塞紧瓶塞，多余的水分自瓶塞毛细管中溢出。

（6）将比重瓶置于恒温水槽内至温度稳定，待瓶内上部悬液澄清。

取出比重瓶，擦干瓶外水分，称得比重瓶、水和土总质量m2，准确至0.001g。

然后再立即测量瓶内水的温度，准确至0.5°C。

量测时，将瓶放在桌上或用手捏住瓶颈，不宜用手握住比重瓶测量。

（7）倒出悬液，洗净比重瓶，装满煮沸并冷却的蒸馏水，并使瓶内温度与步骤（6）中称量后得的温度相同，塞紧瓶塞，擦干瓶外水分，称得比重瓶和水总质量m3，准确至0.001g。

5.结果计算

（1）土粒比重按下式计算：

式中：

Gs—土粒比重

ms—干土质量（g），ms＝m1－m0；

m0—比重瓶质量（g）；

m1—比重瓶加干土总质量（g）；

m2—比重瓶、水、土总质量（g）；

m3—比重瓶加水总质量（g）；

GiT—T°C时纯水或中性液体的比重。

水的比重可查物理手册（见表1-3）；中性液体的比重应实测，称量应准确至0.001g。

（2）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。

（3）数据记录见表1-4

6.注意事项

（1）若用长颈式比重瓶，注入液体至刻度时，液面位置前后几次应一致，以弯液面相切为准。

（2）对含有可溶盐、有机质和亲水性胶体的土，其相对密度的测定采用中性液体（如煤油、苯）代替水，以防止盐类溶解，并用真空抽气法排气，而不能用煮沸法排气。

四、实验难点

1.环刀试样两端的整平操作（不得有突起或凹陷）；

2.含水率、密度实验结果满足误差要求；

3.比重实验加热时防止土样随液体溅出，也要防止被蒸发干。

五、容易出错处

1.没有事先称取空环刀和空铝盒的质量就切土和装上散土；

2.没有立即用切取环刀试样后的余土测含水率；

3.放入干燥箱的铝盒盖没有打开。

六、仪器故障及处理方法

电子天平称量不准，应校准后称量，

表1-1含水量实验记录（烘干法）

工程名称___________________________试验者_________________

工程编号___________________________计算者_________________

试验日期___________________________校核者_________________

试样

编号

盒

号

称量

盒质量m0（g）

盒+湿土质量

m1（g）

盒+干土

质量

m2（g）

水分

质量

（g）

干土

质量

（g）

含水率

（%）

平均

含水率

（%）

表1-2密度实验记录（环刀法）

工程名称___________________________试验者_________________

工程编号___________________________计算者_________________

试验日期___________________________校核者_________________

试样

编号

环

刀

号

环刀质量

m1（g）

环刀

容积

V（cm3）

环刀+

湿土质量

m2（g）

湿土

质量

（g）

湿密度ρ（g/cm3）

试样

含水率

ω（%）

干密度ρd

（g/cm3）

平均

干密度

（g/cm3）

表1-3T°C时水的密度ρwt

温度/°C

水的密度/（g/cm3）

温度/°C

水的密度/（g/cm3）

温度/°C

水的密度/（g/cm3）

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

11.0

12.0

13.0

14.0

1.0000

1.0000

0.9999

0.9999

0.9999

0.9998

0.9997

0.9996

0.9995

0.9994

0.9992

15.0

16.0

17.0

18.0

19.0

20.0

21.0

22.0

23.0

24.0

25.0

0.9991

0.9989

0.9988

0.9986

0.9984

0.9982

0.9980

0.9978

0.9975

0.9973

0.9970

26.0

27.0

28.0

29.0

30.0

31.0

32.0

33.0

34.0

35.0

36.0

0.9968

0.9965

0.9962

0.9959

0.9957

0.9953

0.9950

0.9947

0.9944

0.9940

0.9937

注：

GiT=ρwt/ρwo，ρwt即从上表查得；ρwo—4°C时水的密度即ρwo=1g/cm3）

表1-4

比重实验记录（比重瓶法）

工程名称___________________________试验者_________________

工程编号___________________________计算者_________________

试验日期___________________________校核者_________________

试样编号

比重瓶号

温度

（℃）

液体比重

Git

比重瓶

质量

m0（g）

瓶+干

土质量

m1（g）

干土

质量

ms（g）

瓶+液

体质量

m3（g）

瓶+液

体+干土质量

m2（g）

与干土同体积的液体质量

（g）

比重

Gs

平

均

值

=

-

=

+

-

=

实验二土的液限、塑限联合测定

一、实验目的

测定粘性土的液限和塑限，用以计算土的塑性指数和液性指数，从而判别土的软硬程度，并对土进行定名分类以及估算地基土的承载力。

二、实验原理

粘性土随含水率变化，其物理状态和力学性质均发生显著变化。

液限和塑限是标志土的物理状态变化的界限含水率。

液限是土的流动状态与可塑状态的界限含水率，也就是可塑状态的上限含水率；塑限是土的可塑状态与半固体状态的界限含水率，也就是可塑状态的下限含水率。

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所对应的含水率为17mm液限；查得圆锥下沉深度为10mm所对应的含水率为10mm液限；查得圆锥下沉深度为2mm所对应的含水率为塑限。

液限、塑限联合测定法适用于粒径小于0.5mm以及有机质含量不大于试样总质量5％的土。

三、仪器设备

1.液、塑限联合测定仪（见图2）：

包括带标尺的圆锥仪、电磁铁、显示屏、控制开关、测读装置、升降支座等，圆锥质量76g，锥角30°，试样杯内径40mm，高30mm。

读数显示形式宜采用光电式、游标式、百分表式。

图2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

2.天平：

称量200g，最小分度值0.01g；

3.其它：

烘箱、干燥器、调土刀、不锈钢杯、凡士林、称量盒、孔径0.5mm的筛等。

四、操作步骤

1.本试验宜采用天然含水率试样，当土样不均匀时，采用风干试样，当试样中含有粒径大于0.5mm的土粒和杂物时应过0.5mm筛。

2.当采用天然含水率土样时，取代表性土样250g；采用风干试样时，取0.5mm筛下的代表性土样200g，将试样放在橡皮板上用纯水将土样调成均匀膏状，放入调土皿，浸润过夜。

3.将制备的试样充分调拌均匀，填入试样杯中，填样时不应留有空隙，对较干的试样应充分搓揉，密实地填入试样杯中，填满后刮平表面。

4.将试样杯放在联合测定仪的升降座上，在圆锥上抹一薄层凡士林，接通电源，使电磁铁吸住圆锥。

5.调节零点，将屏幕上的标尺调在零位，调整升降座，使圆锥尖接触试样表面，指示灯亮时圆锥在自重下沉入试样，经5s后测读圆锥下沉深度（显示在屏幕上），取出试样杯，挖去锥尖入土处的凡士林，取锥体附近的试样不少于10g，放入称量盒内，测定含水率。

6.将全部试样再加水或吹干并调匀，重复步骤（3）-（5），分别测定第二点、第三点试样的圆锥下沉深度及相应的含水率。

液塑限联合测定应不少于三点。

注：

圆锥入土深度宜为3～4mm，7～9mm，15～17mm。

五、结果计算

1.各测点含水率计算，准确至0.1%。

计算公式、计算方法参见“含水率试验”部分。

2.绘制圆锥下沉深度与含水率关系曲线。

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（如图3），三点应在一直线上（如图3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处查得相应的两个含水率。

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（如图3中的B线）；当两个含水率的差值≥2％时，应重做试验。

3.液限和塑限按以下方法确定。

在含水率与圆锥下沉深度的关系图（见图3）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，取值以百分数表示，准确至0.1%。

4.塑性指数应按下式计算，准确至0.1。

式中：

Ip—塑性指数；

ωL—液限，％（计算Ip时去掉%）；

ωp—塑限，％（计算Ip时去掉%）。

5.液性指数应按下式计算，准确至0.01。

式中：

IL—液性指数；

ω—天然含水率，%（计算IL时去掉%）；

ωp—塑限，％（计算IL时去掉%）。

根据塑性指数进行土的定名分类，即Ip>17时为粘性土，10

同样可根据液性指数IL定出土的状态（见表-2）。

表-2粘性土的软硬状态按IL划分

状态

坚硬

硬塑

可塑

软塑

流塑

液性指数

IL≤0

0

0.25

0.75

IL>1.0

6.数据记录见表2-1，双对数坐标纸见图2-1。

六、注意事项

土样分层装杯时，注意土中不能留有空隙。

七、实验难点

1.土样要充分润湿且揉捏均匀；每次调土时加水量要控制得当。

2.在双对数坐标纸上的三个点的入土深度值要满足要求。

八、容易出错处

1.土样没充分润湿或揉捏均匀就开始试验；

2.作图错误（各点与数据不对应，或偏离应有的位置，或不是直线随意连接）；

3.没有在双对数坐标纸上作图；.液限和塑限确定错误。

九、仪器故障及处理方法

1.液塑限测定仪看不到标尺，可能是灯泡坏了；

2.标尺用旋钮调不到零点，要先粗调，再用旋钮微调。

表2-1液、塑限联合测定实验记录

工程名称___________________________试验者_________________

试验日期___________________________校核者_________________

试样

编号

盒

号

圆

锥

下

沉

深

度（mm）

盒

质

量

m0（g）

盒+

湿

土

质

量

m1（g）

盒+

干

土

质

量

m2（g）

水分

质量

（g）

干土

质量

（g）

各测点

含水率

（%）

液

限

ωL

（%）

塑

限

ωp

（%）

天然

含水率ω（%）

塑性指数Ip

土的定名分类

液性指数IL

土的软硬状态

实验三土的标准固结实验

一、实验目的

测定土的压缩性指标，如压缩系数、压缩模量、压缩指数、回弹指数和固结系数等，评价土的压缩性，为计算地基变形和建筑物沉降量提供依据。

二、实验原理

土在外荷载的作用下，其孔隙间的水和空气逐渐被挤出，土的骨架颗粒之间相互挤紧，封闭气泡的体积也将缩小，从而引起土层的压缩变形，土在外力作用下体积缩小的这种特性，称为土的压缩性。

土的压缩量的大小与土样上所施加的荷载大小，土样的性质和状态有关，如在相同的荷载作用下，软土的压缩量就大，而坚硬密实的土则压缩量小，又如在同一种土样的条件下，压缩量随着荷载的加大而增加。

固结试验就是将天然状态下的原状土或人工制备的扰动土，制备成一定规格的土样，然后将土样置于固结仪容器内，逐级施加荷载，测定试样在侧限与轴向排水条件下压缩变形，绘制孔隙比—压力关系曲线，变形—时间关系曲线，并计算土的压缩系数、压缩模量、体积压缩系数、压缩指数、回弹指数、固结系数等压缩性指标。

三、仪器设备

1.固结容器由环刀、护环、透水板水槽、加压上盖组成（见图4）。

①环刀：

内径为61.8mm和79.8mm，高度为20mm。

环刀应具有一定的刚度，内壁应保持较高的光洁度，宜涂一薄层硅脂或聚四氟乙烯。

②透水板：

氧化铝或不受腐蚀金属材料制成，其渗透系数应大于试样渗透系数。

用固定式容器时顶部透水板直径应小于环刀内径0.2~0.5mm；当用浮环式容器时上下端透水板直径相等，均应小于环刀直径。

2.加压设备应能垂直地在瞬间施加各级规定的压力，且没有冲击力。

3.变形量测设备量程10mm，最小分度值为0.0lmm的百分表或准确度为全量程0.2%的位移传感器。

4.其他：

天平、刮刀、钢丝锯、玻璃片、秒表等。

四、操作步骤

1.按土的密度实验方法，用环刀切取土样，擦净环刀外壁，称环刀与土的总质量，求得试样的密度，取环刀两侧余土测含水率和土粒比重。

2.在固结容器内放置护环、透水板和薄型滤纸，将带有试样的环刀装入护环内，放上导环，再在试样上依次放上薄型滤纸、透水板（滤纸和透水板的湿度应接近试样的湿度）和加压上盖，并将固结容器置于加压框架正中，使加压上盖与加压框架中心对准，安装百分表或位移传感器。

3.施加1kPa的预压力使试样与仪器上下各部件之间接触，将百分表或传感器调整到零位或测读初读数。

4.确定需要施加的各级压力，压力等级宜为12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa、1600kPa、3200kPa。

第一级压力的大小应视土的软硬程度而定，宜用12.5kPa、25kPa或50kPa。

最后一级压力应大于土的自重压力与附加压力之和。

只需测定压缩系数时最大压力不小于400kPa。

5.对于饱和试样，施加第一级压力后应