土力学指导实验1.doc

土质学与土力学实验指导书 (1)

一、试验名称：
土的液塑限试验
二、试验目的：
测定土的液、塑限，用于计算土的塑性指数与液性指数，作为黏土分类以及估算地基承载力等的一个依据。
三、实验原理：
大量的试验表明，在以含水量为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标的双对数坐标系中，土壤的含水量——圆锥下沉深度符合线性关系。因此，根据有关标准规定（建设部：锥尖角30o，锥体重76g，贯入土中2mm时为塑限，10mm时为液限；交通部：锥尖角30o，锥体重100g，贯入土中2mm时为塑限，20mm时为液限。），可从依据试验数据绘制的某土壤样品的含水量——圆锥下沉深度的直线上查得该类土壤的液、塑限。
四、试验设备
光电式液塑限联合测定仪（GYS-2，GYS-3），天平，烘箱。

五、内容和要求(试验步骤)
1. 调节仪器底角螺钉，使水准器水泡居中，接通电源。
2. 将仪器后部开关打开，仪器前部电源灯亮，按下“吸/放”键，使吸/放指示灯亮。
3. 放入圆锥仪，使电磁铁吸牢圆锥仪（此时投影屏上的线条字迹应清晰，圆锥仪无晃动，反之则未吸好，应重新吸好）。
4. 转动微调旋钮，使投影屏零线与微分尺零线重合。
5. 将预先制备好的三份具有不同含水量的土样取出一份，密实填入试样杯中，填满后沿杯口刮平土样表面，然后将试样杯放在测定仪的升降座上。
6. 选择圆锥仪下落方式，若选择手动落下方式，则按下“手/自”键，使手/自键指示灯灭，若选择自动落下则相反。
7. 在“手动”状态下，转动升降座旋钮，使试样杯上升。当土样与锥尖接触时，蜂鸣器发出一声声响，此时停止升降座上升，按下“吸/放”键，电磁线圈断电，圆锥仪下落，仪器自动计时，5秒后再发一声声响，此时应立即在投影屏上读出圆锥仪入土深度(1mm/大格，0.1mm/小格)。
8. 若“手/动”灯亮，当土样与锥尖一接触，电磁线圈断电，圆锥仪下落，并开始自动计时，5秒后发出一声声响，此时应立即读数。
9. 转动升降座旋钮，使试样杯下降，取下圆锥仪与试样杯；从试样杯中取出部分土样放入铝盒中，封好，称重，并记录重量M0与铝盒编号。
10. 按下“吸/放”键，使吸/放指示灯亮，然后重复3~9，测第二、第三土样。
11. 将三盒土样完全烘干后再分别称重，得Md，然后按下式计算含水量

12. 将所得试验数据在以含水量为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标的双对数坐标系中按直线进行拟合，并根据有关标准规定确定液、塑限。

实验数据，分析与结论：

(1) 数据记录
GYS-3（交通部标准）
铝盒编号
906
907
909
M0(g)
132.60
126.56
131.37
Md(g)
98.86
93.11
99.61
盒重(g)
21.66
21.58
21.69
含水量w
43.7%
46.8%
40.8%
锥入深度(mm)
15.70
22.95
15.30

(2) 分析与结果

对上表所列的实验数据用最小二乘法进行直线拟合，得到如下的直线方程：
h = 184.92525w - 44.82961
该直线方程与离散实验数据之间的相关系数为95%，因此可断定实验数据是按线性规律变化的；据此可得到液限wl = 35.1%，塑限wp= 25.3%。下图是用Oringin绘制的离散数据及由这些数据拟合的直线。

土质学与土力学实验指导书 (2)

一、试验名称：
土的压缩试验
二、试验目的：
测定土在外力作用下，其孔隙比与压力之间的关系曲线即e-p压缩曲线，为判别土的压缩性的高低或计算建筑物的沉降提供必须的资料。
三、实验原理：
采用无侧向变形的单向压缩仪，这样，在垂直压力作用下，只有可能发生垂直方向的形变，因此，在试验时，只要我们测出在相应的压力下的垂直变形，即可求得孔隙比与压力的关系。
设压缩前试样的高度为h0，孔隙比为e0，试样中土粒的净高为hs。在某一压力pi的作用下，其压缩量（即垂直变形）为Dhi，试样的高度由原来的h0减少到hi，其相应的孔隙比为：
(1)
因为试样的初始孔隙比按照定义为
即 (2)
而初始孔隙比又可以按照下式计算

(3)
式中：ds ---土粒的比重，其值为2.7；
g0---压缩前试样的容重；
w0---压缩前试样的含水量；
gw---水的容量。
上式h0、ds为已知，只要我们在试样前测出g0、w0，由（3）式算出e0，代入（2）式算出hs，再在试验过程中测出各级压力pi作用下的Dhi，代入（1）式即可以算出ei。

四、试验设备
1，GJY型固结仪，构造见图一；
2，环刀，面积为30平方厘米，高2厘米；
3，百分表，最大量距为5毫米，精度为0.01毫米；
4，其他：天平、秒表、削土刀、烘箱、铝盒等。

五、内容和要求(试验步骤)
1、按工程需要取原状土或制备所需状态的扰动试样，整平其两端，并用削土刀将试样上端修成比环刀内径略大一些的截头土锥。
2、将环刀内壁上涂一薄层凡士林，刃口向下，放在试样上端表面，先用两手将环刀轻轻地下压，再用削土刀修削试样，边压边削，直至试样突出环刀为止，然后用削土刀将上下两端多余的土削去并与环刀齐平。在修削试样时，要避免往复涂刮，防止扰动试样而影响成果的精确性。
3、擦净粘在环刀外壁上的土屑，称环刀与土的含量，求得试样在试验前之容重g0（采用30cm2的环刀，其高为h0=2cm，故土样体积为60cm3），同时取环刀四边修削下来的试样重约10克左右装入铝盒，称得铝盒与土的总重后，再放入烘箱烘至恒重，再称重量，以测得试验前土的含水量w0。
4、先在土样容器底部的透水石上加一润湿的滤纸，再将试样连同环刀一起推入容器内，套上导环，然后在试样顶面再放一润湿的滤纸，继而加上透水石，再放上传压板（如图二所示）。
5、试验前，应先将手轮顺时针旋转，使升降杆上升到顶点，并调节平衡锤使杠杆前端水平仪中的水泡刚好居中，然后将土样容器放置到工作台面上。适当移动并使传压板正好对中加压头，此时在1:12的吊钩上预加最小的砝码（25.5g），同时将百分表固定在表夹上并使测微表的短针在读数“5”附近，再将百分表上的长针调整到零。至此，试验的准备工作已经就绪。
6、开始加荷试验
用吊盘换下25.5g的砝码，逐级加载。本试验由于受课时的限制，统一规定按50、100、200、400（kPa）四级荷重顺序施加，每级荷重的历时为10分钟，即每加一级荷重经过10分钟，记下百分表读数，然后再加一级荷重，余类推，直至第四级荷重施加完毕为止。试验时必须注意，在试验过程中，如发现杠杆上的水准泡偏离，表示杠杆已不水平，则应随时以逆时针方向转动手轮，使水准泡重新居中。
7、最后根据试验所得到的资料进行计算，并绘制压缩曲线，求出压缩系数。

1 手轮，2 台板，3 土样容器，4 百分表，5 表夹，6 横梁，7 传压头，
8 平衡锤，9 升降杆，10 下横梁，11 杠杆，12 水准泡，13 吊钩1:12，14 吊钩1:10

图一 GJY固结仪结构示意图

1 土样容器，2 透水石，3 小护环，4 小环刀，5 小透水石，6 传压板，
7 小导环，8 大护环，9 表杆，10 表夹

图二 土样安装示意图
实验数据，分析与结论：

(1) 数据记录
土样湿容重测试数据
环刀重+湿土重(g)
环刀重(g)
环刀体积(cm3)
容重g0(g/cm3)
153.34
42.32
60
1.850
含水量试验记录
铝盒编号
盒重+湿土重(g)
盒重+干土重(g)
盒重(g)
含水量(%)
15
19.08
16.38
9.84
41.3
压缩试验记录
h0 = 20mm w0 = 41.3% ds =2.7
g0 = 1.85g/cm3 e0 = 1.062 hs = 9.7mm
荷重
(kg)
加载时间
(min)
压力pi
(kPa)
百分表读数
Dhi(mm)
hi
(mm)
孔隙比ei
0

0
0
20
1.062
1.275
10
50
0.820
19.180
0.977
2.55
10
100
1.810
18.190
0.875
5.1
10
200
3.040
16.960
0.748
10.2
10
400
4.950
15.050
0.552

(2) 分析与结果
根据上表所列试验数据，采用Oringin绘制的压缩曲线如下，据此可得到土的压缩系数a = 2.04，因此，该土属于高压缩性土。

压缩曲线
13.

土质学与土力学实验指导书 (3)

一、试验名称：
土的直接剪切试验
二、试验目的：
根据库伦摩擦准则，使用等应变直剪仪快剪测定砂土的抗剪强度指标，即内聚力C和内摩擦角j。
三、实验原理：
如图所示，实验时将土样放在上下能够相对移动的剪切盒中，在一定法向压力s作用下，逐渐施加水平力T于下盒，而上盒被钢环所阻。钢环以等值及反向的水平力作用于上盒，于是土样沿用1-1面产生剪应力t并发生相应的位移。不断增加水平力T，1-1面的剪应力t也相应地增大。当达到破坏时，1-1面上的剪应力就等于抗剪强度（即t=tf）。在不同的法向压力s作用下进行试验，可以得到相应的抗剪强度tf，点绘tf ~s关系曲线。即可求得c、j值。
剪应力是通过钢环的变形来测的。在受力不大的情况下，钢环为弹性变形，其所受的水平力T与变形R成正比。这一比值对于某一钢环为常数。因此，在试验前只要做好钢环的率定曲线（即力与变形曲线），即可求得钢环的换算系数称为钢环系数m。
试验时，在钢环内安置测微表，量出相应于某一垂直压力作用下，土样破坏时钢环的变形量R，即可按下式求得抗剪强度值：

四、试验设备
电动式等应变直剪仪，切土环刀，百分表。

五、内容和要求(试验步骤)
14. 调节加力杠杆水平，使杠杆下缘与立柱中间的刻线平齐。
15. 安装并调节剪切盒至适当位置，使之与前后限位开关的间距小于实验所需的距离，同时使推进螺杆、剪切盒与测力环顶杆之间的间距为零。
16. 按土工实验要求取样，将所取的样品用透水石均匀压入剪切盒，然后盖上盖板，放好钢珠。
17. 将传压螺杆置于钢珠上，调节传压螺杆，使加力杠杆下缘抬至立柱上刻线左右。
18. 旋转立柱手轮，使加力杠杆略为上抬后加垂直载荷（砝码），再旋转立柱手轮，放下加力杠杆，使所加载荷传到试样上。
19. 根据剪切加载速率调整速度挡位，取出定位销，将百分表调零，然后开始实验，至测力环中百分表长指针不再前进时记下读数。
20. 推进螺杆复位，旋转立柱手轮，时传压螺杆与钢珠脱离。
21. 更换实验样品，重复上述步骤，直至实验完成。

实验数据，分析与结论：

(3) 数据记录

剪切加载速率：4(转/分)，钢环系数m：1.951(kPa/0.01mm)
正压力s(kPa)
100
200
300
400
R读数(mm)
0.39
0.57
0.85
1.42
剪应力tf(kPa)
76.089
111.207
165.835
277.042

(4) 分析与结果

对上表所列的实验数据用最小二乘法进行直线拟合，得到如下的直线方程：

式中变量的单位均为kPa。该直线方程与离散实验数据之间的相关系数为96.7%，因此可断定实验数据是按线性规律变化的，遵循库伦摩擦准则；并据此可得到内聚力c = -6.828，内摩擦角j= 33.3o。负的内聚力可能是实验误差所致。下图是用Mathcad绘制的离散数据及由这些数据拟合的直线。