土的物理性质试验.docx

1、土的物理性质试验试验一 土的物理性质实验（实验性质：综合性实验）一、概述土是由岩石经过物理与化学风化作用后的产物，是有各种大小不同的土粒按各种不同的比例组成的集合体，土粒之间的孔隙中包含这水和气体，因此，土为固相、气相、液相组成的三相体系。由于空气易被压缩，水能从土体流出或流进，土的三相的相对比例会随时间和荷载条件的改变而改变，土的一系列性质也随之而改变。从物理的观点，定量地描述土的物理特性、土的物理状态、以及三相比例关系，即构成土的物理性质指标，包括土的三相比例指标、界限含水量、压缩性指标等。利用这些指标，可对土进行鉴别和分类，判定土的物理状态和评价土的压缩性。二、实验目的和要求1. 测定并

2、计算土的三相比例指标2. 测定土的液塑限含水量3. 计算土的塑性指数和液性指数 4. 测定土的压缩系数和压缩模量5根据实验结果对实验土样进行分类，判断土样的物理状态评价土的压缩性。三、实验项目项目一、含水量实验土的含水量是指土在105110的温度下烘至恒量时所失去的水分质量和达恒量后干土质量的比值，以百分数表示。含水量是土的基本物理性指标之一，它反映了土的干、湿状态。含水量的变化将使土物理力学性质发生一系列的变化，它可使土变成半固态、可塑状态或流动状态，可使土变成稍湿状态、很湿状态和饱和状态，也可造成土的压缩性和稳定性上的差异。含水量还是计算土的干密度、孔隙比、饱和度、液性指数等项指标不可缺少

3、的依据，也是建筑物地基、路堤、土坝等施工质量控制的重要指标。（一）、实验方法及原理1烘干法：是将试样放在能保持105110的烘箱中烘至恒量的方法，是室内测定含水量的标准方法，一般粘性土都可以采用。 2酒精燃烧法：是将试样和酒精拌合，点燃酒精，随着酒精的燃烧使试样水分蒸发的方法。酒精燃烧法是快速简易且较准确测定细粒土含水量的一种方法，适用于没有烘箱或试样较少的情况。 3比重法：是通过测定湿土体积，估计土粒比重，从而间接计算土的含水量的方法。土体内气体能否充分排出，将直接影响到试验结果的精度，故比重法仅适用于砂类土。 4碳化钙气压法：是公路上快速简易测定土的含水量的法，其原理是将试样中的水分与碳化

4、钙吸水剂发生化学反应，产生乙炔气体，其化学方程式为： CaC2+2H2OCa(OH)2+C2H2从以上的化学方程式可以看出，乙炔（C2H2）的数量与土中水分的数量有关，乙炔气体所产生的压力强度与土中水分的质量成正比，通过测定乙炔气体的压力强度，并与烘干法进行对比，从而可得出试样的含水量。由于用烘干法测定土的含水量，试验简便、结果稳定，目前中国多以此方法作为室内试验的标准方法。这里也只介绍烘干法。（二）、仪器设备烘干法测土的含水量需要下列仪器设备（1）电热烘箱：温度能保持在105110。（2）天平：称量200g，感量0.01g；（3）其它：干燥器、称量盒等。（三）、操作步骤（烘干法）1取一个称量

5、盒并记录盒号，然后用天平称取盒的质量m0。2从土样中选取具有代表性的试样，粘性土为1530g,砂性土、有机质土和整体状构造冻土为 50g,放入称好质量的称量盒内，立即盖上盒盖，称盒加湿土的总质量m1。3揭开盒盖，将试样和盒一起放入烘干箱内，在105110恒温下烘至恒量。试样烘至恒量的时间，粘性土不得少于8h，砂性土不得少于6h。含有机质超过5%的土需在6570的恒温下进行烘干。4按规定时间烘干后，取出称量盒，立即盖好盒盖，置于干燥器内冷却至室温后，称取盒和干土的质量m2。5本实验称量应准确至0.01克。（四）、成果整理按下式计算试样的含水量（精确至0.1%）式中：含水量（），准确至0.1%；m

6、1称量盒与湿土质量，克；m2称量盒与干土质量，克；m0称量盒质量，克。本试验需进行2次平行测定，并取两个含水量测值的算术平均值，允许平行差值应符合下表规定。含水率（%）小于101040大于40允许平行差值（%）0.51.02.0项目二、密度实验土的密度是土质量密度的简称，指单位体积土样的质量，即土的总质量（m）与其体积（V）之比，是土的基本物理性质指标，单位为g/cm3或t/m3。土的密度反映了土体结构的松紧程度，是计算土的自重应力、干密度、孔隙比、孔隙度等指标的主要依据，也是挡土墙土压力计算、土坡稳定性验算、地基承载力和沉降量估算以及路基路面施工填土压实度控制的主要指标之一。当用国际单位制计

7、算土的重力时，由土的质量产生的单位体积的重力称为土的重力密度，简称重度，其单位是kN/m3。重度由密度乘以重力加速度求得，即。土的密度一般情况下是指土的湿密度，相应的重度称为湿重度，除此以外还有土的干密度、饱和密度以及有效密度，相应的有干重度、饱和重度和有效重度。（一）、实验方法及原理1环刀法：就是采用一定容积的环刀切取土样并称土样质量的方法，环刀内土的质量与环刀容积之比即为土的密度。环刀法操作简便且准确，在室内和野外均普遍采用，但环刀法仅适用于测定不含砾石颗粒的细粒土的密度。2蜡封法：也称浮称法，其原理是依据阿基米德原理，即物体在水中失去的质量等于排开同体积水的质量，来测出土的体积，为考虑土

8、体浸水后崩解、吸水等问题，在土体外涂一层蜡。特别适用于易破裂土和形状不规则的坚硬粘性土。3灌水法：是在现场挖坑后灌水，由水的体积来量测试坑容积从而测定土的密度的方法。该方法适用于现场测定粗粒土和巨粒土的密度，特别是巨粒土的密度，从而为粗粒土和巨粒土提供施工现场检验密实度的手段。4灌砂法：是首先在现场挖一个坑后，然后向试坑中灌入粒径为0.250.50mm的标准砂，由标准砂的质量和密度来测量试坑的容积，从而测定土的密度的方法，该方法主要用于现场测定粗粒土的密度。这里只介绍环刀法实验。（二）、仪器设备环刀法需要下列仪器设备（1）环刀：内径为61.8mm（面积30cm2）或79.8mm（面积50cm2

9、），高度为20mm，壁厚1.5mm；（2）天平：称量200g，感量0.1g。（3）其它：切土刀、钢丝锯、凡士林等。（三）、操作步骤：1首先取一个环刀并记录环刀上的编号，再把环刀放在在天平上称取它的质量m1。2根据工程需要取原状土或所需湿度密度的扰动土样，其直径和高度应大于环刀的尺寸。切取原状土样时，应保持原来结构并使试样保持与天然土层受荷方向一致。3先削平土样两端，然后在环刀内壁涂一薄层凡士林油，刀口向下放在土样上，用切土刀将土样削成略大于环刀直径的土柱，然后将环刀下压，边压边削，直至土样伸出环刀为止。4根据试样的软硬程度，采用钢丝锯或切土刀将两端余土削去修平，并及时在两端盖上圆玻璃片，以免水

10、分蒸发。注意修平土样时，不得用刮刀往复涂沫土样，以免土面孔隙堵塞。5擦净环刀外壁，称环刀和土的质量m2，精确至0.1克。（四）、成果整理按下式分别计算土的湿密度和干密度式中： 湿密度（ g/cm3），精确至0.01g/cm3 干密度（ g/cm3），精确至0.01g/cm3m湿土质量（g）；m1环刀质量(g)； m2环刀质量加湿土质量（g）； V环刀容积（cm3）。计算至0.01克/立方厘米。 含水量本实验应进行两次平行测定，两次测定的密度差值不得大于0.03 g/cm3 ，并取其两次测值的算术平均值。项目三、液塑限实验粘性土的物理状态随着含水量的变化而变化，当含水量不同时，粘性土可分别处于流

11、动状态、可塑状态、半固体状态和固体状态。粘性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量。土从可塑状态转到流动状态的界限含水量称为液限；土从可塑状态转到半固体状态的界限含水量称为塑限，土从半固体状态不断蒸发水分，则体积逐渐缩小，小到体积不再缩小时的界限含水量称为缩限。土的塑性指数是指液限与塑限的差值，由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素，因此，粘性土常按塑性指数进行分类。土的液性指数 是指粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，液性指数可被用来表示粘性土所处的软硬状态，所以，土的界限含水量是计算土的塑性指数和液性指数不可缺少的指标，土的界限含水量还是估算

12、地基土承载力等的一个重要依据。界限含水量试验要求土的颗粒粒径小于0.5mm，且有机质含量不超过5%，且宜采用天然含水量的试样，但也可采用风干试样，当试样中含有大于0.5mm的土粒或杂质时，应过0.5mm的筛。(一)、实验方法及原理 1液限实验 （1）圆锥仪法：圆锥仪液限试验就是将质量为76g，锥角为30且带有平衡装置的的圆锥仪，轻放在调配好的试样的表面，使其在自重的作用下沉入土中，若圆锥体经过5s恰好沉入土中10mm深度，此时试样的含水量就是液限。 （2）碟式仪法：碟式仪液限试验就是将调配好的土膏放入土碟中，用开槽器分成两半，以每秒两次的速率将土碟由100mm高度下落，当土碟下落击数为25次时

13、，两半土膏在碟底的合拢长度恰好达到13mm，此时试样的含水量即为液限。 （3）液、塑限联合测定法：液塑限联合测定是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水量在双对数坐标上具有线性关系这一特性来进行的。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量时的圆锥入土深度，并绘制圆锥入土深度与含水量的关系直线图，在图上查得圆锥下沉深度为10mm（17mm）时所对应的含水量即为土样的液限，查得圆锥下沉深度为2mm时所对应的含水量即土样的为塑限。2塑限实验（1）滚搓法：滚搓法塑限试验就是用手在毛玻璃板上滚搓土条，当土条直径搓成3mm时产生裂缝并开始断裂，此时试样的含水量即为塑限。（2）液、塑限联合测

14、定法：同上。这里只介绍液、塑限联合测定法。（二）、仪器设备 液塑限联合测定法测土的液、塑限需要下列仪器设备 （1）液塑限联合测定仪，包括带标尺的圆锥仪、电磁铁、显示屏、控制开关和试样杯。图1所示为光电式液塑限联合测定仪，圆锥质量为76克，锥角为30；读数显示为光电式；试样杯内径为4050mm，高度为3040mm。（2）天平：称量200g，分度值0.01g。（3）烘箱、干燥器。（4）铝盒、调土刀、孔径0.5mm的筛、研钵、凡士林等。（三）、操作步骤1原则上采用天然含水量试样，但也允许采用风干土样，当试样中含有大于0.5mm的土粒和杂物时应过0.5mm筛。 2当采用天然含水量土样时，取代表性土样2

15、50克；采用风干土样时，取过 0.5mm筛的代表性试样250g，放入盛土皿中，用纯水调制成均匀膏状， 然后放入密封的保湿缸中，静置24小时。3将制备好的土膏用调土刀充分调拌均匀，分层密实地填入试样杯中，注意土中不能留有空隙，装满试杯后刮去余土使土样与杯口齐平，并将试样杯放在联合测定仪的升降座上。 4将圆锥仪擦拭干净，并在锥体上抹一薄层凡士林，然后接通电源，使电磁铁吸稳圆锥。 5调节屏幕准线，使初始读数为零。然后转动升降座，使试样杯徐徐上升，当圆锥尖刚好接触试样表面时，指示灯亮，圆锥在自重下沉入试样内，经5秒后立即测读显示在屏幕上的圆锥下沉深度。 6取下试样杯，挖出锥尖入土处的凡士林，取锥体附近

16、不少于10g的试样，放入称量盒内，测定含水量。 7将剩余试样从试杯中全部挖出，在加水或吹干并调匀，重复以上试验步骤分别测定试样在不同含水量下的圆锥下沉深度和其相应的含水量。液塑限联合测定至少在三点以上，其圆锥入土深度宜分别控制在34mm，79mm和1517mm。（四）、成果整理1计算含水量： 式中：含水量（），精确至0.1% 干土和称量盒质量（g） 湿土和称量盒质量（g） 称量盒质量（g） 2确定液限、塑限以含水量为横坐标，以圆锥入土深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制含水量与圆锥入土深度关系曲线，如图2所示。三点应在一条直线上，如图中A线。当三点不在一条直线上时，应通过高含水量的一点分别与其余

17、两点连成两条直线， 在圆锥下沉深度为2mm处分别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（仍在圆锥下沉深度2mm处）与高含水量的点再连一直线，如图中B线。若两个含水量的差值大于或等于2%时，应重做试验。 在圆锥下沉深度h与含水量w关系图上，查得圆锥下沉深度为17mm所对应的含水量为17mm液限；查得圆锥下沉深度为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；取值以百分数表示，准确至0.1%。3塑性指数计算 塑性指数： 式中：塑性指数，精确至0.1% 液限（） 塑限（）4液性指数计算液性指数： 式中：液性指数，精确至0.01

18、 天然含水量（） 其余符号同上式项目四、 固结（压缩）实验（一）、基本原理1土的压缩性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。土的压缩性主要有两个特点：土的压缩主要是由于土中孔隙体积的减少而引起的。对于饱和土而言，土是由固体颗粒和水组成的，在工程上一般的压力作用下（600kPa），固体颗粒和水本身体积压缩量都非常微小，可不予考虑，但由于土中的水具有流动性，在外力作用下会沿着土中孔隙排出，从而引起土的体积减少而发生压缩；由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘性土来

19、说是需要一定时间的，土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。2土的压缩曲线及有关指标固结试验（亦称压缩试验）是研究土的压缩性的最基本的方法。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，变形和压力的关系，孔隙比和压力的关系，变形和时间的关系，以便计算土的压缩系数、压缩模量、体积压缩系数、压缩指数、回弹指数、竖向固结系数以及原状土的先期固结压力等。如图1-3所示，设土样的初始高度为H0，初始孔隙比为e0，在荷载荷载P作用下，土样稳定后的总压缩量为H，假设土粒体积Vs=1，（不变），根据土的

20、孔隙比的定义e=Vv/Vs，则受压前后土的孔隙体积Vv分别为e0和e，因为受压前后土粒体积不变，且土样横截面积不变，所有受压前后试样中土粒所占的高度不变，因此，根据荷载作用下土样压缩稳定后的总压缩量H，即可得到相应的孔隙比e的计算公式： (1-1)于是有： (1-2)式中，其中为土粒比重，为土样的初始含水量，为土样的初始密度，为水的密度。如此，根据式(1-2)各级荷载P下对应的孔隙比e，从而可绘制出土的e-P曲线及e-lgP曲线等。（1）e-P曲线及有关指标通常将由固结试验得到的e-P关系，采用普通直角坐标系绘制成如图所示的e-P曲线。压缩系数 图1-4 土的压缩曲线从图1-4可以看出，由于软

21、土的压缩性大，当发生压力变化P时，则相应的孔隙比的变化e也大，因而曲线就比较陡；反之，像密实砂土的压缩性小，当发生相同压力P变化时，相应的孔隙比的变化e就小，因而曲线比较平缓，因此，土的压缩性的大小可用e-P曲线斜率来反映。如图1-5所示，设压力由P1增加到P2，相应的孔隙比由e1增加到e2，当压力变化范围不大时，可将该压力范围的曲线用割线来代替，并用割线的斜率来表示土在这一段压力范围的压缩性，即： (1-3)式中，为土的压缩系数（Mpa-1）,压缩系数越大，土的压缩性愈高。图1-5 由压缩曲线确定压缩指标 从图1-5中还可以看出，压缩系数值与土所受的荷载大小有关。为了便于比较，一般采用压力间

22、隔P1=100kPa至P2=200kPa时对应的压缩系数1-2l来评价土的压缩性。压缩模量Es由e-P曲线，还可以得到另一个重要的压缩指标压缩模量，用Es来表示。其定义为土在完全侧限的条件下，竖向应力增量P（从P1增至P2）与相应的应变增量的比值由图1-6可以得到： (1-4)式中，Es为压缩模量（Mpa）。在无侧向变形，即横截面积保持不变的条件下，土样高度的变化H可用相应的孔隙比的变化来表示： (1-5)得到 (1-6)将式(1-6)代入式(1-5)得： (1-7)同压缩系数一样，压缩模量Es也不是常数，而是随着压力的变化而变化。显然，在压力小的时候，压缩系数大，压缩模量Es小；在压力大的时

23、候，压缩系数小，压缩模量Es大。在工程上，一般用压力间隔P1=100kPa至P2=200kPa时对应的压缩模量Es1-2；也可根据实际竖向应力的大小，在压缩曲线上取相应的值计算压缩模量。2土的回弹曲线和再压缩曲线当土体加压到某一荷载值P1(相应于图1-7a中曲线上的b点)后不再加压，逐级进行卸载直至零，并且测得各卸荷等级下土样回弹稳定后的高度，进而换算得到相应的孔隙比，即可绘制出卸荷阶段的关系曲线，如图中的bc曲线所示，称为回弹曲线（或膨胀曲线）。从图中还可以看出，回弹曲线不与初始加载的曲线ab重合，当卸载至零时，土样的孔隙比没有恢复到初始应力为零时的孔隙比e0。这就显示了土残留了一部分压缩变

24、形，称之为残余变形，但也恢复了一部分压缩变形，称之为弹性变形。图1-7 土的回弹再压缩曲线若对土样重新逐级加压，则可得到土样各级荷载作用下再压缩稳定后的孔隙比，相应地可绘制出再压缩曲线，如图1-7a中的cdf曲线所示。可以发现其中的df段象是ab段的延续，犹如期间没有经过卸荷和再压缩的过程一样。3e-lgP曲线及有关指标当采用半对数的直角坐标来绘制固结实验e-P关系时，就得到了e-lgP曲线（如图1-7b），可以看到，在压力较大部分，e-lgP关系接近直线，这是这种表示方法区别于e-lgP曲线的独特的优点。它通常用来整理有特殊要求的实验，如先期固结压力的确定，同样，图1-7a中的回弹再压缩曲线

25、也可绘制成e-lgP曲线（如图1-7b）。（1）压缩指数和回弹指数将图1-5b中e-lgP曲线直线段的斜率用Cc来表示，称为是指数，无量纲，如下式所示： (1-8)压缩指数Cc与压缩系数不同，值随压力变化而变化，而Cc值在压力较大时为常数，不随压力变化而变化，Cc值越大，土的压缩性则越高。（2）先期固结压力土层历史上所曾经承受过的最大固结压力称为先期固结压力，也就是土体在固结过程中所受的最大有效应力，用PC来表示，先期固结压力是一个非常有用的量和概念，是了解土层应力历史的重要指标。通过先期固结压力PC与土层的自重应力（即自重作用下固结稳定的有效竖向应力）状态的比较，可将天然土层划分为正常固结土

26、、超固结土和欠固结土三类固结状态，并用超固结比OCR=Pc/Po去判别：如果土层的自重应力Po等于先期固结压力Pc，也就是说土自重应力就是该土层历史上受过的最大有效应力，这种土称为正常固结土，则OCR=1。如果土层的自重应力Po小于先期固结压力Pc，也就是说该土层历史上受过的最大的有效压力大于自重应力，这种土称为超固结土，如覆盖的土层由于被剥蚀等原因，使得原来长期存在于土层中的竖向有效应力减小了，则OCR1。如果土层的先期固结压力Pc小于土层的自重应力Po，也就是说该土层在自重作用下的固结尚未完成，这种土称为欠固结土，如新近沉积粘性土、人工填土等，由于沉积的时间短，在自重作用下还没有完全固结，

27、则OCR1。（二）、实验方法1标准固结试验：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，然后在侧限与轴向排水条件下测定土在不同荷载下的压缩变形，且试样在每级压力下的固结稳定时间均为24h。2快速固结试验：规定试样在各级压力下的固结时间为1小时，仅在最后一级压力下除测记1小时的量表读数外，还应测读达压缩稳定时的量表读数。3应变控制连续加荷固结试验：是试样在侧限和轴向排水条件下，采用应变速率控制方法在试样上连续加荷，并测定试样的固结量和固结速率以及底部孔隙水压力。这里只介绍标准固结试验。（三）、仪器设备 1杠杆加压式双联固结仪：包括固结容器（如图3所示）和加荷设备。2百分表：

28、量距10mm，精度0.01mm；3天平：称量200g，感量0.01g；4其它：秒表、环刀、切土刀、钢丝锯、烘干箱、铝盒、滤纸、圆玻璃片、凡士林等。（四）、操作步骤图1-8 固结容器示意图1-水槽 2-护环 3-环刀 4-加压上盖5-透水石 6-量表导杆 7-量表架 8-试样1根据工程需要，选择面积为30cm2或50cm2的环刀，切取原状土试样或制备给定密度与含水量的扰动土样。切土的方法同密度试验，注意切取原状土样时，切土的方向应和天然状态时垂直方向一致。 2测定试样的密度并在余土中取代表性土样测定其含水量。对于需要饱和的试样，应按规范规定的方法将试样进行抽气饱和。3在固结容器内依次放置透水石、

29、护环、薄滤纸，将带有试样的环刀（刀口向下），小心装入护环内，然后在环刀上放置导环，在试样上放薄滤纸、透水石和加压盖板以及定向钢珠。4将装有土样的固结容器置于加压框架下，对准加压框架的正中，调节杠杆的平衡，安装竖向变形量表，量表的位置应和定向钢珠上下对齐。 5施加1kPa的预压压力，使试样与仪器上下各部分之间接触良好，然后调整量表，使指针读数为零。6根据工程需要确定加压等级、测定项目以及试验方法。加压等级一般为12.5、25.0、50.0、100、200、400、800、1600、3200kPa。第一级压力的大小视土的软硬程度，分别采用12.5kPa，25kPa或50kPa；最后一级压力应大于土

30、层的自重应力与附加应力之和，或大于上覆土层的计算压力100200kPa，但最大压力不应小于400kPa。7当需要测定原状土的先期固结压力时，初始段的荷重率应小于1，可采用0.5或0.25，最后一级压力应使测得的曲线下段出现直线段。对于超固结土，应采用卸压再加压方法来评价其再压缩特性。8当需要做回弹试验时，回弹荷重可由超过自重应力或超过先期固结压力的下一级荷重依次卸压至25kPa，然后再依次加荷，一直加到最后一级荷重为止。卸压后的回弹稳定与加压相同，即每次卸压后24h测定试样的回弹量。但对于再加荷时间因考虑到固结已完成，稳定较快，因此可采用12h或更短的时间。9如系饱和试样，则在施加第1级压力后，立即向固结仪容器的水槽中注水浸没试样。如系非饱和试样，则不必向水槽中注水，须用湿棉纱或湿海绵围住加压盖板四周，避免水分蒸发。10当需要预估建筑物对于时间与沉降的关系，需要测定竖向固结系数，或对于层理构造明显的软土需测定水平向固结系数时，应在某一级荷重下测定时间与试样高度的变化关系。读数时间为6s，15s，1min，2.25min，4min，6.25min，9min，12.25min，16min，20.25min，25min，30.25min，36min，42.25min，49min，64min，100min，200min，400min，23h