交通工程专业土力学试验指导书样本.doc

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土 工 试 验
教 学 指 导 书

姓名______________________
学号______________________
年级______________________
专业______________________

西南科技大学环资学院中心实验室
.10

目录
试验一 含水量试验……………………………………………( 1)
试验二 界限含水量试验……………………………………….( 4)
试验三 固结试验………………………………………………( 8)
试验四 直接剪切试验…………………………………………( 10)
试验一 含水量试验
1 含水量及常见测定方法
1.1 含水量
含水量是土在100~150摄氏度下烘干到恒量时所失去的水分质量和达恒量后土的质量的比值, 以百分数表示, 是描述土的干湿程度的重要指标。
1.2 常见测定方法
( 1) 烘干法: 室内试验的标准方法;
( 2) 酒精燃烧法: 精度要求不高时常使用此方法, 所需时间较短;
( 3) 比重法: 适用于砂性土;
( 4) 炒干法: 适用于含砾较多的土。
1.3试验目的
测定土样的含水量。
1.4试验原理
首先称量含水土样的质量, 然后称量去除水分后干土的质量, 将两者的差作为土样中所含水分的质量。去除水分的方法直接决定测量结果, 理论上土样中所含水的质量是指其中自由水的质量, 当温度在100~150摄氏度范围时, 一般不会破坏结合水, 因此要求精确测量时温度应控制在100~150摄氏度的范围内。
2 试验步骤
2.1 仪器设备
( 1) 烘箱: 真空电热烘箱, 温度保持100~150摄氏度;
( 2) 天平: 称量500g。感量0.01g;
( 3) 其它辅助工具, 如称量盒等。
2.2 操作步骤
( 1) 称量装土样的称量盒的质量;
( 2) 取适量代表性试样放入称量盒内, 迅速盖好盒盖, 称量得;
( 3) 去掉盒盖后, 将盛有试样的称量盒放入烘箱, 在100~150摄氏度下烘到恒量, ( 一般土质量为15g~30g时, 砂土约需1h~2h; 粉土约需6h~8h; 粘土约需10h) ;
( 4) 烘干后取出试样, 盖好盒盖冷却至室温后称量其质量;
( 5) 按下式计算含水量:

2.3 试验数据整理
含 水 量 试 验
工程名称 试 验 者
试验方法 计 算 者
试验日期 校 核 者

土样编号
土样说明
盒号
盒质量
盒+湿土质量
盒+干土质量
湿土质量
干土质量
含水量
平均值

3思考题
( 1) 测定含水量试验中, 烘干温度为什么要控制在100~150摄氏度的范围内?
( 2) 称量湿土质量时, 为什么迅速盖好盒盖?
( 4) 测定含水量试验中, 同一土样的两个试样含水量差值超过2%, 问测量结果是否合理? 若合理, 请说明理由。若不合理, 请试述可能出现错误的操作。

试验二 密度试验
1 密度及常见测定方法
1.1 密度
1.1. 1天然密度
土的密度是土的单位体积质量。对天然土求得的密度称为天然密度。
1.1.2干密度
土的干密度是土的固相质量与土的总体积之比可由下式表示:
( g/)
土的干密度越大, 土越密实, 强度也越高, 水稳定性也越好。干密度常见做填土密实度的施工控制指标。

1.1.3饱和密度
土的饱和密度是当土的孔隙中全部充满水时的密度, 由下式表示:

1.2 常见测定方法
对一般粘质土采用环刀法。如果土样易碎裂, 难以切削, 可用蜡封法。在现场条件下, 对粗粒土, 可用灌砂法和灌水法。
1.3试验目的
测定土样的密度。
1.4试验原理
试验原理即密度计算公式, 其关键是体积的测定。
2 环刀法试验步骤
2.1仪器设备
( 1) 环刀: 内径6~8cm, 高2~3cm;
( 2) 天平: 称量500g。感量0.01g;
( 3) 其它辅助工具, 如切土刀、 钢丝锯、 凡士林等。

2.1.2 操作步骤
( 1) 按工程需要取原状土样或制备所需状态的扰动土样;
( 2) 称量并计算得土样质量;
( 3) 计算土样体积;
( 4) 测定土样的含水量;
( 5) 按下式计算土样的天然密度及干密度:

2.1.3 试验数据整理
密 度 试 验
工程名称 试 验 者
土样说明 计 算 者
试验日期 校 核 者

土样
编号
土样
类别
环刀号
湿土
质量
体积
天然
密度
平均天然密度
干土
质量
干密度
平均干密度

3思考题
( 1) 测定密度试验中, 试述制备扰动土样的步骤。
( 2) 测定密度试验中, 粘土和砂性土的土样是如何取得的?
( 3) 测定密度试验中, 试述砂性土体积的测定方法及步骤
( 4) 试推导干密度计算公式: 。
( 5) 自行设计一种干密度测定方法, 或在现有方法的基础上加以改进。
( 6) 测定密度试验中, 试述可能导致误差产生的操作并加以改进。
( 7) 土样的干密度、 天然密度、 饱和密度三个指标在土力学及实际工程中所起的作用是什么。

试验二 界限含水量试验
1 界限含水量及常见测定方法
1.1 界限含水量
1.1.1界限含水量
细粒土由于含水量的不同, 分别处于流动状态、 可塑状态、 半固体状态和固体状态。液限是细粒土呈可塑状态的上限含水量, 即土体含水量若超过液限, 土体则处于流动状态;
塑限是细粒土呈可塑状态的下限含水量, 即土体含水量若低于塑限, 土体则处于半固体状态;
缩限是细粒土从半固体状态过渡固体状态时体积不在收缩的含水量。
1.1.2塑性指数、 液性指数
塑性指数用来描述土的塑性大小, 习惯上用不带百分号的数值表示, 由下式计算:

液性指数用来表示天然含水量与界限含水量的关系, 由下式计算:

1.2 常见测定方法
常见的方法有搓条法、 蝶式液限仪、 平衡锥式液限仪、 液塑限联合测定等方法。此次试验采用液塑限联合测定的方法。
1.3试验目的
测定细粒土的液限、 塑限含水量及其塑性指数、 液性指数的确定。
1.4试验原理
液塑限联合仪的圆锥下沉深度h与含水量在对数坐标中呈线性关系, 即:

2 液塑限联合试验步骤
2.1 仪器设备
( 1) 光、 电式液塑限联合测定仪;
( 2) 天平: 称量200g。感量0.01g;
( 3) 式样杯: 内径40mm, 高30mm
( 4) 其它: 烘箱、 干燥缸、 铝盒、 调土刀、 筛网( 0.5mm) 、 凡士林或润滑油、 纯水等。
2.2 操作步骤
( 1) 液塑限联合试验原则上采用天然含水量的土样制备式样, 但也可用干土制备式样。首先取土并去除土样中大于0.5mm的土颗粒。;
( 2) 按下沉深度约为4~5mm, 9~10mm和16~18mm范围制备不同稠度的土膏, 静置在保湿缸中, 静置时间视含水量大小而定, 一般为24h;
( 3) 将土膏用调土刀充分调拌均匀, 密实的填入式样杯中, 刮平表面后放在仪器底座上;
( 4) 取出圆锥仪, 在锥体表面涂上凡士林或润滑油;
( 5) 接通电源, 使电磁铁吸稳锥体;
( 6) 调节屏幕准线, 使初始读数位于零刻度处;
( 7) 调节升降座, 使锥体刚好接触土面;
( 8) 断开电磁铁电源, 使圆锥仪在自重下沉入土内, 5s后读取下沉深度并记录;
( 9) 将试样取出10g左右, 测定其含水量;
( 10) 重复( 3) ~( 9) 步, 做完其余两个试样。
2.3 试验数据整理
2.3.1制图
将三个含水量与相应的圆锥下沉深度绘于双对数坐标纸上, 三点连一直线。如果三点不在同一直线上, 经过高含水量与其余两点连两根直线, 在圆锥下沉深度为2mm处查得相应两个含水量, 如果差值小于2%, 用平均值点与高含水量点作一直线。如果差值大于2%, 应补做试验。

在此处粘贴对数坐标纸

2.3.2 记录
液 塑 限 联 合 试 验

工程名称 试 验 者
试验方法 计 算 者
试验日期 校 核 者

试样编号
圆锥下沉深度
盒号
湿土质量
干土质量
含水量
液限
塑限
塑性指数
液性指数

3思考题
( 1) 测定界限含水量试验中, 各种测量方法的优缺点是什么。
( 2) 测定界限含水量试验中, 如果土膏搅拌不均匀, 会出现什么情况, 应该从那几方面加以改进?
( 3) 测定界限含水量试验中, 试述液限的测定方法及步骤
( 4) 自行设计一种界限含水量测定方法, 或在现有方法的基础上加以改进。
( 5) 测定界限含水量试验中, 试述可能导致误差产生的操作并加以改进。
( 6) 土样的界限含水量指标在土力学及实际工程中所起的作用是什么。
( 8) 测定界限含水量试验中, 将土膏放置在保湿缸中静置的目的是什么。

试验三 固结试验
1 固结及试验方法
1.1 固结
固结: 土的压缩随时间增长的过程叫固结。
1.2 常见试验方法
常见的方法有室内侧限压缩试验和现场荷载试验。
1.3试验目的
固结试验的目的在于经过测定变形和压力的关系或者孔隙比与压力的关系、 变形和时间的关系, 进而计算单位沉降量、 压缩系数、 压缩指数、 回弹指数、 压缩模量、 固结系数及原状土的先期固结压力等。测定项目根据工程而定。
1.4试验原理
试验基于构成土骨架的矿物颗粒在土体变形过程中保持刚性且竖向变形是连续的假设前提。
2 室内侧限压缩试验步骤
2.1 仪器设备
( 1) 固结仪: 试样面积30或50, 高为2cm;
( 2) 加压设备: 称量500kg~1000kg。感量为0.2kg~0.5kg的磅秤或杠杆式加压设备;
( 3) 百分表: 量程10mm, 分度值为0.01mm;
( 4) 其它: 钢丝锯、 天平、 刮土刀等。
2.2 操作步骤
( 1) 制备式样: 取原状土或按规定的密度及含水量制备式样;
( 2) 将带有环刀的试样小心装入护环, 在装入固结仪容器内, 然后放上透水石和加压盖板, 至于加压框下, 对准加压框架的正中, 安装量表。( 透水石的湿度应尽量与试样保持一致) ;
( 3) 为保证试样与仪器上下各部件之间接触良好, 应施加1的预压荷载, 然后调整量表归零;
( 4) 对试样施加压力, 加压等级一般为12.5、 25.0、 50.0、 100、 200、 400、 800、 1600、 3200, 最后一级压力应大于上覆土层的100~200;
( 5) 需要确定原状土的先期固结压力时, 加压率应小于1, 可采用0.5或0.25倍。最后一级压力应大于1000;
( 6) 第一级压力的大小取决于土的软硬程度, 可用12.5、 25、 50等, 注意要减去预压压力;
( 7) 如果是饱和试样, 则在施加第一级压力后, 立即向水槽中注水至满。如果是非饱和试样, 需用湿棉纱围住加压盖板四周, 避免水分蒸发;
( 8) 如果需要测定沉降速率, 加荷后按下列时间顺序计量表读数: 6”、 15”、 1’、 2’15”、 4’、 6’15”、 9’、 12’15”、 16’、 20’15”、 25’、 30’15”、 36’、 42’15”、 49’、 64’、 100’、 200’、 400’、 23h和24h, 至稳定为止。如果不需要测定沉降速率, 可按下列时间顺序计量表读数; 10’、 20’、 60’、 120’、 23h和24h, 至稳定为止;
( 9) 固结稳定标准规定为每级压力下压缩24h;
( 10) 如果做回弹试验, 可在某级压力下固结稳定后卸荷, 直至卸完为止;
( 11) 整理设备。
2.3 试验数据整理
2.3.1计算、 制图
按下式计算各级荷载下对应的孔隙比:

按下式计算压缩系数:

按下式计算压缩模量:

按下式计算压缩指数:

在此处粘贴绘图纸

2.3.2 记录
固 结 试 验
工程名称 试 验 者
土样编号 计 算 者
试验日期 校 核 者
试样原始高度
试验前孔隙比
加压历时
压力
试样总变形量
压缩后试样高度
孔隙比
压缩系数
压缩模量
压缩指数
0
24h
24h
24h
24h
24h
24h
24h
24h
24h
24h

3思考题
( 1) 在土的固结试验中, 如何确定压缩系数、 压缩模量。
( 2) 在土的固结试验中, 为什么透水石的湿度应尽量与试样保持一致; 在操作时是如何保证的?
( 3) 在土的固结试验中, 确定加压等级的依据是什么。
( 4) 自行设计一种土的固结方法, 或在现有方法的基础上加以改进。
( 5) 在土的固结试验中, 试述可能导致误差产生的操作并加以改进。
( 6) 在土的固结试验中, 如何确定原状土的先期固结压力。
( 7) 试从基本概念、 计算公式及适用条件等方面比较压缩模量、 变形模量与弹性模量, 它们与材料力学中的杨氏模量有什么区别。
( 8) 在土的固结试验中, ”加压至试样稳定”和”卸荷至试样稳定”中的”稳定”
二字的含义是什么。
试验四 直接剪切试验
1土的抗剪强度及试验方法
1.1 土的抗剪强度
土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。
直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常见的方法。一般采用四个试样, 分别在不同的垂直压力下, 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参数: 内摩擦角和凝聚力。
直接剪切试验分为快剪、 固结快剪和慢剪三种。快剪是在试样上施加垂直压力后, 立即施加水平剪切力进行剪切; 固结快剪是在试样上施加垂直压力后, 待排水固结稳定后, 施加水平剪切力进行剪切; 慢剪是在试样上施加垂直压力及水平剪切力的过程中均需排水固结。
1.2试验目的
测定土体的内摩擦角和凝聚力。
1.3试验原理
库仑定律。四个试样要在四种不同的垂直压力下进行剪切试验: 一个要相当于现场压力、 一个要大于现场压力、 另外两个要小于现场压力
2 直接剪切试验步骤
2.1 仪器设备
( 1) 应变控制直接剪切仪: 试样面积30或50, 高为2cm;
( 2) 加压设备: 称量500kg~1000kg。感量为0.2kg~0.5kg的磅秤或杠杆式加压设备;
( 3) 百分表: 量程10mm, 分度值为0.01mm;
( 4) 天平: 称量200g。感量0.01g;
( 5) 其它: 环刀、 直尺、 刮土刀、 秒表等。
2.2 操作步骤
2.2.1 快剪试验
( 1) 制备式样: 取原状土或按规定的密度及含水量制备式样;
( 2) 对准上下盒, 插入固定销。在下盒内放与透水石厚度相等的不透水板。将装有试样的环刀平口向下, 对准剪切盒口, 在试样上放不透水板, 然后将试样徐徐推入剪切盒内, 移去环刀( 透水石的湿度应尽量与试样保持一致) ;
( 3) 转动手轮, 使上盒前端钢珠刚好与量力环接触, 调整量力环中量表归零。顺次加上加压盖板、 钢珠、 压力框架、 垂直量表并记录起始读数;
( 4) 对试样施加垂直压力后, 立即拔去固定销, 开动秒表, 以每分钟4~12转的均匀速率旋转手轮, 使试样在3~5min内剪坏。如果量力环中量表指针不再前进或有显著后退, 表示试样已剪坏。但一般宜剪至剪切变形达到4mm。如果量力环中量表指针继续前进, 则剪切变形应达到6mm为止;
( 5) 剪切结束后, 吸去剪切盒中的积水, 倒转手轮, 尽快移去垂直压力, 框架, 钢珠和加压板等。取出试样, 测定剪切面附近土的含水量。
2.2.2 固结快剪试验
( 1) 制备式样: 取原状土或按规定的密度及含水量制备式样;
( 2) 对准上下盒, 插入固定销。在下盒内放透水石。将装有试样的环刀平口向下, 对准剪切盒口, 在试样上放湿滤纸, 然后将试样徐徐推入剪切盒内, 移去环刀( 透水石的湿度应尽量与试样保持一致) ;
( 3) 转动手轮, 使上盒前端钢珠刚好与量力环接触, 调整量力环中量表归零。顺次加上加压盖板、 钢珠、 压力框架、 垂直量表并记录起始读数;
( 4) 对试样施加垂直压力后, 待试样达到固结稳定。( 如果是饱和试样, 则在施加垂直压力5min后, 向剪切盒内注水; 如果是非饱和试样, 只要在加压板周围包以湿棉花, 以防水分蒸发) ;
( 5) 然后拔去固定销, 开动秒表, 以每分钟4~12转的均匀速率旋转手轮, 使试样在3~5min内剪坏。如果量力环中量表指针不再前进或有显著后退, 表示试样已剪坏。但一般宜剪至剪切变形达到4mm。如果量力环中量表指针继续前进, 则剪切变形应达到6mm为止;
( 6) 剪切结束后, 吸去剪切盒中的积水, 倒转手轮, 尽快移去垂直压力, 框架, 钢珠和加压板等。取出试样, 测定剪切面附近土的含水量。
2.2.3 慢剪试验
( 1) 制备式样: 取原状土或按规定的密度及含水量制备式样;
( 2) 对准上下盒, 插入固定销。在下盒内放透水石。将装有试样的环刀平口向下, 对准剪切盒口, 在试样上放湿滤纸, 然后将试样徐徐推入剪切盒内, 移去环刀( 透水石的湿度应尽量与试样保持一致) ;
( 3) 转动手轮, 使上盒前端钢珠刚好与量力环接触, 调整量力环中量表归零。顺次加上加压盖板、 钢珠、 压力框架、 垂直量表并记录起始读数;
( 4) 对试样施加垂直压力后, 待试样达到固结稳定。( 如果是饱和试样, 则在施加垂直压力5min后, 向剪切盒内注水; 如果是非饱和试样, 只要在加压板周围包以湿棉花, 以防水分蒸发) ;
( 5) 然后拔去固定销, 开动秒表, 剪切速率应小于0.02mm/min, 直至试样被剪坏;
( 6) 剪切结束后, 吸去剪切盒中的积水, 倒转手轮, 尽快移去垂直压力, 框架, 钢珠和加压板等。取出试样, 测定剪切面附近土的含水量。
2.3 试验数据整理
2.3.1计算、 制图
按下式计算所测试样的剪应力及剪切位移:

式中:
量力环定率系数, ; 量力环量表读数, 0.01mm
剪切位移, 0.01mm; 手轮转数。
以剪应力为纵坐标, 剪切位移为横坐标绘剪应力与剪切位移关系曲线;
选取剪应力与剪切位移关系曲线上的峰值点或稳定值作为抗剪强度。以抗剪强度为纵坐标, 垂直压力为横坐标绘制图象, 直线的倾角为土的内摩擦角, 直线与纵坐标轴上的截距为凝聚力

在此处粘贴绘图纸

2.3.2 记录
直 接 剪 切 试 验

工程名称 试 验 者
试验方法 计 算 者
试验日期 校 核 者

手轮转数
量力环量表读数
剪切位移
剪应力
垂直位移
手轮转数
量力环量表读数
剪切位移
剪应力
垂直位移

3思考题
( 1) 在直剪试验中, 试述砂性土样的快剪试验步骤。
( 2) 在直剪试验中, 快剪试验、 固结快剪试验、 慢剪试验的主要区别是什么?
( 3) 在直剪试验中, 经过什么来判断上盒前端钢珠刚好与量力环接触。
( 4) 自行设计一种内摩擦角和凝聚力测定方法, 或在现有方法的基础上加以改进。
( 5) 在直剪试验中, 试述可能导致误差产生的操作并加以改进。
( 6) 土样的内摩擦角和凝聚力在土力学及实际工程中所起的作用是什么。