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土力学实验指导已上网
土力学实验指导
张心平郝仕玲李法虎
中国农业大学水利与土木工程学院
土力学实验室编
2005年5月
前言
土工试验主要是测定土的物理、力学性质指标，为工程设计、施工提供必要的计算参数和资料。
学习土工试验是《土力学与地基基础》课程教学的一个重要环节，它不仅起着巩固课堂教学，增强对土的工程性质的理解等重要作用，而且是学习试验方法和实验技能的主要途径，培养学生学会分析和解决实际问题的能力。
因此，要求学生必须认真对待每个试验环节，作好试验前的预习和准备，试验后的成果整理和分析。
土的物理力学性质指标很多，试验项目和试验方法也很多，根据各专业的教学要求，本土工试验指导书仅介绍我校土木、水利类有关专业的几个基本教学试验。
编者张心平、郝仕玲、李发虎
2005.5
目录
试验一含水量试验····················································3
试验二土的密度试验（环刀法）··········································6
试验三液限和塑限试验·················································7
试验四渗透试验·····················································11
试验五压缩试验························································15
试验六直接剪切试验····················································21
试验七击实试验························································26
试验一含水量试验
一、试验目的
1.土的含水量是土在温度105-110℃下烘到恒重时所失去的水质量对达到恒重后干土质量的比值。
以百分数表示。
2.试验目的是测定土的含水量，以了解土的含水情况，它是土的几个物理指标中较重要的一个，因它可计算土的干密度、土的密度、孔隙比、饱和度及粘性土的状态指标。
3.本试验应采用控制温度的烘干法作为标准方法，但此法常受设备和时间的限制。
因此，在工地常用一些快速测定的方法，其中酒精燃烧法是尚较准确和简易的一种方法。
4.土样的有机质（泥炭、腐殖质等）含量不应超过干土重的5%（由于在高温下的长时间焙烘，可使有机质分解或氧化，其重量因而变化，固有机质含量过多，所测得的含水量就不准确）。
如果土的有机质含量在5-10%之间，仍可按本法进行，但应加以注明。
二、仪器设备
1.烘箱可采用电热烘箱或温度能保持105－110℃的其它能源烘箱，也可用红外线烘箱。
2.酒精：
纯度95%
3.天平：
感量0.01克。
其它：
干燥器、土盒、滴管等。
三、操作步骤及计算方法
1.烘干法
（1）选取代表性试样约15－30克（沙土应多取些），放入质量为M0的土盒内（注意盒盖与盒底对号），立即盖好盒盖，称湿土加盒质量M1，准确至0.01克。
（2）揭开盒盖，将盒盖套在盒底下，一起放入烘箱，在温度105－110℃的恒温下烘干（烘到恒重的时间因土的性质及土重不同而异），对砂性土不得少于6小时，对粘性土不得少于8小时，对含有机质超过5%的土，应将温度控制在65－70℃的恒温下烘干。
（3）将烘干后的试样连盒取出，盖好盒盖，放入干燥容器内冷却至室温，称出干土加盒质量M2，准确至0.01克。
（4）按下式计算试样的含水量，计算准确至0.1%。
Ｍ1－Ｍ2
含水量ω（%）=——―――×100
Ｍ2－Ｍ0
式中M1——湿土加盒质量（克）M2——烘干土加盒质量（克）
M0——土盒质量（克）
（3）本试验需要进行两次平行测定，取其算术平均值，允许平行差见下表：
允许平行差值表
含水量ω（%）
允许平行差值（%）
40以下
≯1
≧40
≯2
2.酒精燃烧法
（1）取代表性试样若干（粘性土5－10克，砂性土20－30克）用小刀分散试样后，按烘干法称湿土加盒质量M1。
（2）揭开盒盖，用滴管将酒精注入试样，直至土盒中呈现自由液面为止。
为使酒精充分浸透试样，可将盒底在桌上轻轻敲击。
（3）将土盒放在非易燃物上（如水泥台面）点燃酒精，燃至火焰熄灭。
（4）等试样稍微冷却，重新滴入酒精，再次燃烧。
一般粘性土燃烧三次，砂土二次。
（5）最后一次火焰熄灭后，立即盖好盒盖，待冷却后称称盒加干土质量M2。
（6）本试验需要进行二次平行测定，称重、计算以及平行差值均同于烘干法。
试验二密度试验（环刀法）
一、试验目的
测定单位体积土的质量（称为土的密度）。
以便了解土的松密和干湿状态，供换算土的其它物理、力学指标和工程设计之用。
二、仪器设备
1.环刀：
环刀是一带刃脚的薄壁金属圆环，直径为6.18－6.4厘米。
高为2厘米。
2.天平：
感量0.1克。
3.其它：
修土刀、凡士林等。
三、操作步骤及计算方法
1.按工程需要取原状土或制备所需状态的扰动土样，在环刀内壁涂一薄层凡士林，并将其刃口向下放在试样上。
2.用修土刀沿环刀外缘将试样削成略大于环刀直径的土柱，然后慢慢将环刀垂直下压，随削随压，直至试样伸出环刀为止。
3.用修土刀仔细刮平环刀两端余土，（注意：
刮平时不得使试样扰动或压密）。
4.擦净环刀外壁，称环刀加土质量（M0+M）准确至0.1克。
5.按下式计算土的密度
（M0+M）－M0
ρ=————————
V
式中ρ——土的密度（克/厘米3）（M0+M）——环刀加土质量（克）
M0——环刀质量（克）V——环刀体积（厘米3）
6.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0.03克/cm3，取两次测值的平均值。
试验三液限、塑限联合试验
一、试验目的
液限、塑限联合试验是用GYS型系列光电式液塑限测定仪测定土在不同含水量时的圆锥入土深度，在双对数坐标纸上绘制圆锥深度与含水量的关系直线。
在直线上查得圆锥入土深度为10mm时的相应含水量为液限，入土深度2mm时的相应含水量为塑限。
二、仪器设备
1.GYS型系列光电式液塑限测定仪1台，仪器设备（如图）
图3-1主机示意图图3-2圆锥仪
⑴投影屏⑵零线⑶微调旋钮⑷下罩⑴磁及头⑵微分尺
⑸光源灯泡⑹工作台⑺升降旋钮⑻电器面板⑶锥头⑷平衡环
⑼水准器⑽调节螺钉⑾后盖板电路板⑸平衡锤
2.天平：
200克，感量0.01克
3.土盒6个。
4.酒精1瓶
5.调土刀（3把）、调土碗（3个）、凡士林（1盒）、蒸馏水（1瓶）、滴管（1支）、擦布（1块）
三、操作步骤及计算方法
1．土样制备：
取0.5毫米筛的风干土约300克，放在调土碗中，喷洒蒸馏水后，用玻璃板盖住，静止一昼夜再分放在调土碗中待做液塑限用（本步骤由实验室完成）。
2．把经过浸润的土分放在三个调土碗中，分别加入不同数量的蒸馏水，调制成三种不同含水量的土膏，并经静止浸润。
三种不同含水量加水要求是：
一种要求含水量接近塑限；一种含水量接近液限；再一种含水量介于前二种之间，力求使测点较均匀地分布圆锥入土深度3~10毫米的范围内。
3．调节GYS型系列光电式液塑限测定仪的底脚螺钉，使仪器正前面的水准水泡居中。
4．接通电源，将“开关”拨向“开”的方向，此时“电源”“磁铁”灯亮。
放入GYS型系列光电式液塑限测定仪的圆锥仪，使电磁铁吸牢圆锥仪（此时投影屏上线条字迹应清晰，圆锥仪无晃动，反之则未吸好，应重新吸好。
5.转动微调旋钮，使投影屏零线与微分尺零线重合。
6.将“手自”扳向“手”或“自”方向。
7.将调土碗中的土膏，用调土刀充分搅拌均匀，密实的填入试杯中，高出试杯口的余土，用刮土刀刮平，随即将试杯放在GYS型系列光电式液塑限测定仪的升降工作台上。
转动平台升降旋钮，使盛土杯上升，
在“手”位置时，当土样与锥尖一接触，
“接触”灯亮。
8.“吸放”扳向“放”方向，此时圆锥
仪下落，仪器自动计时，5秒后发出哨
响，此时便可在投影屏上读出圆锥仪入
土深度。
9.若在“自”位置时，当土样与锥尖一
接触，“接触”灯亮，此时圆锥仪自动下
落，并开始计时，5秒后发出哨响，便可图3-3圆锥下沉深度与含水量关系曲线
读数。
10．转动平台升降旋钮，使盛土杯下降取下圆锥仪与盛土杯。
11.将“吸放”扳向“吸”方向。
12.取出试杯中的土样，测定其含水量。
14．重复5-13步骤，测定其另外两个碗里土膏的圆锥入土深度和含水量。
m0
15．成果整理：
含水量应按下式计算，计算准确至0.1%；ω%=------将三种含水量
md
与相应圆锥入土深度数据汇于双对数坐标纸上，三点应接近一条直线，在圆锥入土深度
为2毫米出查得相应的两个含水量。
如果两个含水量的差值不超过2%，用该两含水量的
平均值的点与高含水量的测定点作一直线。
液塑限联合试验结果记录
工程名称试验者
土样说明计算者
试验日期校核者
试样编号
816
906
1011
圆锥入土深度（mm）
9.8
7.4
3.4
9.1
5.6
3.5
9.8
7.8
3.2
盒号
207
675
434
430
218
467
802
543
567
盒重（g）
盒+湿土重（g）
盒+干土重（g）
湿土重（g）
14.0
13.5
14.2
15.5
14.8
17.1
17.1
17.2
17.9
干土重（g）
10.5
10.3
11.3
12.3
12.0
14.1
11.8
12.2
13.7
水重（g）
3.5
3.2
2.9
3.2
2.8
3.0
5.3
5.0
4.2
含水量（%）
33.4
31.1
25.7
26.0
23.4
21.2
44.8
40.8
30.7
液限（%）
33.7
26.4
45.2
塑限（%）
22.4
18.8
25.6
塑限指数（%）
11.3
7.6
19.6
土样分类
CI
CL
CH
四、注意事项
1.试验时不得在土样下垫绝缘物。
2.周围不得有强磁场及强风。
3.“吸放”开关扳向“放”后，应待3秒发出哨响后再扳向“吸”，以免出现报时误差。
4.微分尺，光学元件如有污点，可用脱脂棉沾无水乙醇和乙醚擦拭。
5.注意保护锥尖。
不得随意改变圆锥仪平衡圆环形状。
6.换光源灯泡时，可拆下下罩，旋出灯泡，换上的灯泡丝须与镜头平行，如不平行，则可轻转动灯座。
7.由于各种土质不同，“接触”灯有时不亮系正常。
试验四渗透试验（砂土常水头渗透试验）
一、概述
1.试验目的：
测定土的渗透系数K。
2.室内试验可根据不同土质而选用各种不同的试验方法，本次实验采用70型仪常水头测定砂土及含少量砾石的无粘性土的渗透系数K。
3.试验用水采用实际作用于土中的天然水。
二、仪器设备
（1）70型渗透仪（图试4－1）其中包括装样筒、测压板、供水瓶及量筒等。
（2）其它附属设备木击锤、秒表、天平等。
三、操作步骤及计算方法
1.首先用钢尺量出仪器内金属孔板到仪器
上口的高度然后将调节管与供水管连通，
打开止水夹由仪器底部充至水位略高于金
属孔板，关止水夹。
2.取具有代表性的风干土试样3200克，称
重准确至0.1克。
并测定试样风干含水量。
3.试样分层装入仪器，每层取砂400克，用木锤轻轻击实，使其达到一定厚度，以控制其孔隙比。
试样第一层装好后，微开止水夹，使试样逐渐饱和，当水面与试样顶面齐平，关止水夹，饱和时水流不应过急，以免冲动试样。
图4-170型渗透仪装置
4.依上速步骤逐层装样，并进行饱和，直至试样低于溢水孔约2厘米止，关止水夹。
试样装好后量测试样顶面至仪器上口的剩余高度。
计算试样净高，称剩余试样的质
量，准确至1克，计算装入试样总质量。
5.在试样顶面铺厚约2厘米的砾石作缓冲层，打开止水夹，使水位缓缓上升至溢水孔，
当有水溢出时，关止水夹。
6.静置数分钟后，检查各测压管水位是否与溢水孔齐平，如不齐平，说明试样中或测压管接头处有集气阻隔，可用吸水球对准水位低的测压管口进行吸水排气。
7.测压管水位稳定后，记录测压管水位，开动秒表，与此同时用量筒接取一定时间的渗透水量并重复一次。
接取渗透水量时，调节管的管口不可没入水中。
8.测记进水与出水处水温，取平均值。
9.降低调节管管口至试样中部及下部三分之一处，即改变水力坡降，按（8）--（10）步骤重复进行测定。
10.计算及记录
（1）按下式计算试样的干密度ρd及孔隙比e
Ｍρ
ρ=------ ρｄ=--------
ＡＨ1+ω
dsρw
e=――――-1
ρd
式中M――风干试样总质量（克）；Ｈ――试样高度（厘米）；
Ａ――试样截面积（厘米２）；ω――风干后试样的含水量（％）；
E――试样的孔隙比；ds――土粒的比重；
ρw――水的密度（g/cm3）
（2）按下式计算渗透系数ＫT及Ｋ20
ＱＬηT
ＫT＝--------K20=KT--------
Ａhtη20
式中KT――水温Ｔ℃时试样的渗透系数，厘米／秒；
Ｋ20――水温度20℃时试样的渗透系数，厘米/秒；
Q――时间t秒内渗透水量，厘米3；
L――两侧压孔中心间的试样高度（10厘米）；
h1+h2
h――平均水位差，即――――
2
h1、h2――分别为测压管Ⅰ、Ⅱ与Ⅱ、Ⅲ水头差；
t――时间，秒；
ηT，η20――分别为T℃及20℃时水的动力粘滞系数,克•秒/厘米2;比值ηT/η20与温度的关系,见表4－1。
（1）在测得的结果中取3－4个允许误差范围以内的数值，求其平均值作为试样在该孔隙比e时的渗透系数。
（允许差值不大于2×10-n）.
（2）记录：
举例见P12页。
表4－1水的动力粘滞系数η、粘滞系数比ηT/η20和温度校正Tp表
温度（T℃）
动力粘滞系数η（10-6）（KPa·s）
ηT/η20
温度校正（℃）
温度（℃）
动力粘滞系数η（10-6）（KPa·s）
ηT/η20
温度校正（℃）
5.0
1.516
1.501
1.17
15.5
1.130
1.119
1.58
5.5
1.493
1.478
1.19
16.0
1.115
1.104
1.60
6.0
1.470
1.455
1.21
16.5
1.101
1.090
1.62
6.5
1.449
1.435
1.23
17.0
1.088
1.077
1.64
7.0
1.428
1.414
1.25
17.5
1.074
1.066
1.66
7.5
1.407
1.393
1.27
18.0
1.061
1.050
1.68
8.0
1.387
1.373
1.28
18.5
1.048
1.038
1.70
8.5
1.367
1.353
1.30
19.0
1.035
1.025
1.72
9.0
1.347
1.334
1.32
19.5
1.022
1.012
1.74
9.5
1.328
1.315
1.34
20.0
1.010
1.000
1.76
10.0
1.310
1.297
1.36
20.5
0.998
0.988
1.78
10.5
1.292
1.279
1.38
21.0
0.986
0.976
1.80
11.0
1.274
1.261
1.40
21.5
0.974
0.964
1.83
11.5
1.256
1.243
1.42
22.0
0.963
0.953
1.85
12.0
1.239
1.227
1.44
22.5
0.952
0.943
1.87
12.5
1.223
1.211
1.46
23.0
0.941
0.932
1.89
13.0
1.206
1.194
1.48
24.0
0.919
0.910
1.94
13.5
1.188
1.176
1.50
25.0
0.899
0.890
1.98
14.0
1.175
1.163
1.52
26.0
0.879
0.870
2.03
14.5
1.160
1.148
1.54
27.0
0.859
0.850
2.07
15.0
1.144
1.133
1.56
28.0
0.841
0.833
2.12
常水头渗透试验（见文件常水头实验记录）
试验五压缩试验
一、概述
1.试验目的测定土样在侧限与竖向排水条件下,受压时的稳定压缩量与压力或孔隙比与压力的关系,绘制压缩曲线,并根据e－p曲线计算土的压缩系数a和土的压缩模量Ea等，压缩性指标是用来判别土的压缩性及计算基础沉降的重要参数。
此外，由饱和粘性土的固结试验可得某一压力下的变形与时间关系曲线，由此估算土的渗透和控制建筑物的沉降量。
2.采用扰动土，按一定的密度与含水量制备的非饱和土样（土样由实验室提供）进行试验。
3.本次试验仪器：
单杠杆固结仪
二、仪器设备
试样面积为30cm2及50cm2两种，高为2cm，分级加荷自12.5kpa至400kpa，故附有砝码13块，其中砝码盘为第一级加荷（30cm2时为12.5kpa），本仪器杠杆比为1：
20，并附有平衡机构，当土样受压下沉时，可调节杠杆保持水平，以保证各级荷重的精确度。
仪器特性：
比较轻便，适合于工地现场使用，仪器本身净重11kg，附有仪器箱，另附砝码一套计10.2kg。
仪器外形尺寸：
长×宽×高=500×170×380毫米3
1.底板
2.平衡锤
3.手轮
4.容器
5.表夹
6.百分表
7.容器座板
8.杠杆
9.杠杆水平泡
10.砝
11.仪器水平泡
图5-1WG型单杠杆固结仪示意图
图5-250cm2式样容器示意图图5-330cm2式样容器示意图
1.表夹2.钢珠3.大传压板1.表夹2.钢珠3.小传压板
4.透水石5.大导环6.大环刀4.透水石5.小导环6.土样
7.土样8.大护环9.透水石7.小环刀8.小护环9.大护环
10.容器10.透水石11.容器
三、操作步骤及计算方法
1.将制备好的土样放在玻璃板上，用环刀切取试样。
先在环刀内壁涂一薄层凡士林，置环刀于土样上，再用削土刀将土样修成截头圆锥体，并使与环刀相接的锥顶小头直径略大于环刀的内径，然后略加压力，将环刀平稳地垂直下压少许（切勿很快压入，应双手均匀加压，并保持试样与环刀密合），再将环刀以下的土样侧面削去一层，使与环刀刃口相接处的土样直径仍只略大于环刀内径，如此边压边修，直到试样突出环刀为止。
最后大致削去环刀两端余土，再用削土刀从环刀半圆处向两边慢慢地削去突出的多余土样，直到两端平整为止。
在修面过程中不要用削土刀反复涂抹试样表面，以免土样表面的孔隙被阻塞或试样遭受压缩，影响试验成果。
如修成的试样不符合要求，应重新切取。
2.取制备样修下的土样约10克左右，按《含水量试验》酒精燃烧法测定其含水量。
测定含水量的工作应尽快进行，以防水分蒸发。
3.擦净环刀外壁。
称环刀加试样质量。
称重准确至0.1克，按《密度试验》测定试样密度。
4.将带有环刀的试样刃口向下小心地装入压缩容器的护环内。
5.在压缩容器内，顺次放上洁净而湿润的透水石和滤纸各一，再将带有试样的环刀及护环放入容器内，直径略小于试样的洁净而湿润的透水石和滤纸各一，然后放入加压环和传压上盖，安装测微表。
6.调整底板上调节螺丝，使圆水准器中气泡居中，置底板于水平位置，并杠杆位于升降支架之间，使之不产生摩擦。
7.将手轮逆时针方向旋转，使升降杆上升至顶点，再顺时针方向旋转3－5转，然后使加压头对准钢珠，调整拉杆下降螺钉，使框架向上时容器部分能自由取放（间隙约3毫米），即可按土工操作规程先施加1kpa的预压荷重，调整量表，使指针读数为零，以后按规程逐级加荷。
在加荷过程中，应不断观察水泡，并顺时方向旋转手轮保持框杆平衡，严禁逆时针方向转动手轮，以防产生间隙震动土样。
8.调整测微表，使测微表表脚接触活塞杆顶面，调节表脚，使其可伸长的长度不小于5mm，并检查测微表是否灵活和垂直。
然后转动测微表的刻度盘使指针对准零点。
9.加载等级：
按教学要求本次试验定为（0.5、1.0、2.0、4.0Kg/cm2）四级。
施加第一级荷载（0.5Kg/cm2）时，砝码应轻轻放在砝码盘上，避免冲击、摇晃。
在加荷的同时开动秒表记录测微表的读数（一般读数时间为15"、30"、1'、2'、4'、6'、9'、12'、15'、20'、25'、30'…….等）直到测微表读数（即土样变形）每小时不超过0.005mm为止，（此时即为压缩稳定）由于时间关系，本次试验每级荷载读到12分钟，即认为已压缩稳定。
10.测记压缩稳定读数后按步骤9施加第二级荷载。
依次逐级加荷至试验结束。
11.试验结束，迅速顺次拆去测微表，卸除砝码，取下容器，拿出护环，取出带有环刀的试样。
将仪器全部试擦干净，如估计仪器有较长时期不用，应在表面涂以薄层油脂，以防锈蚀。
12.计算与记录：
按下式计算试样的初始孔隙比e0
ds（1+0.01ω0）ρω
e0=---------------------------1
ρ0
式中：
ds----土粒比重；ω0-----试验开始时试样的含水量（百分数的绝对值）
ρ0----试验开始时试样的密度（克/厘米3）。
ρω------水的密度。
Si
13.计算各级荷载下试样压缩稳定时的垂直应变λz。
λz=----------
h0
Si-----某一级荷载下试样压缩稳定时的垂直变形量（等于该荷载下压缩稳定时的测微表读数减去仪器变形量。
仪器变形量由实验室给出）mm；
h0-----试样的初始高度（等于环刀高）mm；
14.按下式计算各级荷载下试样压缩稳定时的孔隙比e
e=e0-λz（1+e0）
15.以孔隙比e为纵坐标，荷载（单位压力）p为横坐标，绘制压缩曲线，即e~p曲线。
16.根据e~p曲线，计算在指定的荷载变化范围P1=100
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