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《土力学》实验指导书

娄国充 编
岳祖润 审

石家庄铁道学院岩土工程系
2007年6月
7

《土力学》实验指导书

目录

教学实验注意事项 2
实验一 土的密度试验 4
实验二 土的含水量试验 5
实验三 土的颗粒分析试验 7
实验四 土的液限、塑限试验 10
实验五 土的压缩固结试验 13
实验六 土的直接剪切试验 16
实验七 土的三轴剪切试验 19

教学实验注意事项

为确保实验顺利进行，达到预定的实验目的，必须做到下列几点：
一、作好实验前的准备工作：
1．预习实验指导书，明确本次实验的目的、方法和步骤。
2．弄清与本次实验有关的基本原理。
3．对实验中所用到的仪器、设备实验前应事先阅读有关仪器的使用说明。
4．必须清楚地知道本次试验需记录的数据项目及数据处理的方法，并事前作好记录表格。
5．除了解实验指导书中所规定的实验方案外，亦可多设想一些其它方案。
二、遵守实验室的规章制度：
1．实验时应严肃认真，保持安静。
2．爱护设备及仪器，并严格遵守操作规程，如发生故障应及时报告。
3．非本实验所用的设备及仪器不得任意动用。
4．实验完毕后，应将设备和仪器擦试干净，并恢复到原来正常状态。
三、认真做好实验：
1．注意听好教师对本次实验的讲解。
2．清点实验所需设备，仪器及有关器材，如发现遗缺，应及时向教师提出。
3．实验时，应有严格的科学作风，认真细致地按照实验指导书中所要求的实验方法与步骤进行。
4．对于带电或贵重的设备及仪器，在接线或布置后应请教师检查，检查合格后，才能开始实验。
5．在实验过程中，应密切观察实验现象，随时进行分析，若发现异常现象，应及时报告。
6．记录下全部测量数据，以及所用仪器的型号及精度、试件的尺寸、量具的量程等。
7．教学实验是培养学生动手能力的一个重要环节，因此学生在实验小组中虽有一定的分工，但每个学生都必须自己动手，完成所有的实验环节。
8．学生在完成试验全部规定项目后，经教师同意可进行一些与本实验有关的其它实验。
9．实验记录需要教师审阅签字，若不符合要求应重做。
四、写好实验报告
实验报告是实验的总结，通过写实验报告，可以提高学生的分析能力，因此实验报告必须由每个学生独立完成，要求清楚整洁，并要有分析及自己的观点。实验报告应具有以列基本内容：
1．实验名称、实验日期、实验者及同组人员。
2．实验目的。
3．实验原理、方法及步骤筒述。
4．实验所用的设备和仪器的名称、型号。
5．实验数据及处理。
6．对实验结果的分析讨论。
实验一 土的密度试验

一、实验目的
测定土在天然状态下单位体积的质量。
二、实验设备和器材
1．符合规定要求的环刀，（内径6~8mm,高2~3mm）；
2．精度为0.01g的天平；
3．其他：切土刀，凡士林等。
三、实验方法和步骤
1、测出环刀的容积V，在天平上称环刀质量m1。
2、取直径和高度略大于环刀的原状土样或制备土样。
3、环刀取土：在环刀内壁涂一薄层凡士林，将环刀刃口向下放在土样上，随即将环刀垂直下压，边压边削，直至土样上端伸出环刀为止。将环刀两端余土削去修平（严禁在土面上反复涂抹），然后擦净环刀外壁。
4、将取好土样的环刀放在天平上称量，记下环刀与湿土的总质量m2。
5、计算土的密度

四、试验要求
1、密度试验应进行2次平行测定，两次测定的差值不得大于0.03g/cm3，取两次试验结果的算术平均值；
2、密度计算准确至0.01 g/cm3
实验二 土的含水量试验

一、实验目的
用烘干法测定土的含水率
二、实验仪器、设备
1．烘箱：采用电热烘箱；。
2．天平：称量200g,分度值0.01g；
3．其他：干燥器，称量盒。
三、实验方法和步骤。
1、取代表性试样，粘性土为15~30g，砂性土、有机质土为 50g，放入质量为m0的称量盒内，立即盖上盒盖，称湿土加盒总质量m1，精确至0.01g。
2、打开盒盖，将试样和盒放入烘箱，在温度105~110℃的恒温下烘干。烘干时间与土的类别及取土数量有关。粘性土不得少于8小时；砂类土不得少于6小时；对含有机质超过10%的土，应将温度控制在65~70 ℃的恒温下烘至恒量。
3、将烘干后的试样和盒取出，盖好盒盖放入干燥器内冷却至室温，称干土加盒质量为m2，精确至0.01g。
四、试验数据整理
计算土的含水量：
五、实验要求
1．计算准确至0.1%；
2．本试验需要进行2次平行测定，取其算术平均值，允许平行差值应不大于1.0%。

实验三 土的颗粒分析试验

一、实验目的
1 测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数，借以明了颗粒大小分布及级配组成。
2 供土分类及概略判断土的工程性质及作建筑材料用。
二、试验内容
对粒径大于0.075mm且粒径大于2mm的颗粒不超过总质量的10%的无粘性土用标准细筛进行筛分试验。
三、实验仪器和设备
1 标准细筛：孔径为2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm、底盘；
2 电子天平：称量200g，感量0.01g；称量1000g，感量0.1g；
3 摇筛机、恒温烘箱；
4其他：毛刷、匙、瓷盘、瓷杯、白纸。
四、实验方法与步骤
1 取有代表性的风干土样或烘干冷却至室温的土样200～500g，称量准确至0.1g。
2 将标准细筛依孔径大小顺序叠好，孔径大的在上，最下面为底盘，将称好的土样倒入最上层筛中，盖好上盖。进行筛析。标准细筛放在摇筛机上震摇与约10分钟左右。
3 检查各筛内是否有团粒存在，若有则碾散再过筛。
4 由最大孔径筛开始，将各筛取下，在白纸上用手轻叩摇晃，如有土粒漏下，应继续轻叩摇晃，至去土粒漏下为止。漏下的砂粒应全部放入下级筛内。逐次检查至盘底。
5 并将留在各筛上的土样分别分别倒在白纸上，用毛刷将走色中砂粒轻轻刷下，再分别倒入瓷杯内，称量准确至0.1g。
6 各细筛上及底盘内砂土质量总和与筛前称量的砂土样总质量之差不得大于1%。
五、试验数据整理
1 按下式计算小于某粒径的试样质量占总质量的百分数：
×100%
式中 x—小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分数（%）；
mA—小于某粒径的试样质量（g）；
mB—用标准细筛分析时所取的试样质量（g）。
2 以小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分数为纵坐标，以粒径（mm）为对数横坐标，绘制颗粒大小分布曲线。
3 计算级配指标
①按下式计算颗粒大小分布曲线的不均匀系数：

式中 Cu—不均匀系数；
d60—限制粒径，在粒径分布曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的60%的
粒径；
d10—有效粒径，在粒径分布曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的10%的
粒径。
　　②按下式计算颗粒大小分布曲线的曲率系数：

式中 Cc—曲率系数；
d30—在粒径分布曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的30%的粒径。
4 对试样土料分类并作出级配良好与否的判断
依据土的分类标准对土样进行分类，定名为粗砂、中砂、细砂、粉砂等；
当颗粒大小分布曲线的Cu≥5且Cc =1～3 ，则级配良好，否则为级配不良。

实验四 土的液限、塑限试验

一、实验目的
1了解细粒土界限含水量的特征、定义及测定方法。液性界限（ωL）是细粒土从塑性状态转变为液性状态的界限含水量，简称液限；塑性界限（ωP）是细粒土从半固体状态转变为塑性状态的界限含水量，简称塑限。
2测定土的液、塑限，用以计算土的塑性指数和液性指数，作为细粒土分类及估计地基土承载力的一个依据。供设计、施工使用。
二、试验方法
在实验室中，液限（ωL）通常采用锥式液限仪测定；塑限（ωP）通常采用搓条法测定。目前工程中常用液、塑限联合测定仪一起测定粘性土的液限和塑限，本次试验采用液、塑限联合测定仪法，如图。
三、实验仪器、设备
1．液塑限联合测定仪：圆锥仪、读数显示；
2．试样杯：直径40—50mm，高30—40mm；
3．天平：称量200g，分度值0.01g；④其他：烘箱、干燥器、铝盒、调土刀、孔径0.5mm的筛、凡士林等。
四、测试方法、步骤
1．当采用天然含水量的土样时，应剔除大于0.5mm的颗粒，然后分别按接近液限、塑限和二者之间状态制备不同稠度的土膏，静置湿润。静置时间可视原含水量的大小而定。当采用风干土样时，取过0.5mm筛的代表性土样约200g，分成3份，分别放入3个盛土皿中，加入不同数量的纯水，使分别接近液限、塑限和二者中间状态的含水量，调成均匀土膏，然后放入密封的保湿器中，静置24小时。
2．将制备好的土膏用调土刀调拌均匀，密实地填入试样杯中，应使空气逸出。高出试样杯的余土用刮土刀刮平，随即将试样杯放在仪器底座上。
3．取圆锥仪，在锥体上涂以薄层凡士林，接通电源，使电磁铁吸稳圆锥仪。
4．调节屏幕准线，使初读数为零。调节升降座，使圆锥仪锥角接触试样面，指示灯亮时圆锥在自重下沉入试样内，经5秒后立即测读圆锥下沉深度。
5．取下试样杯，然后从杯中取10g以上的试样2个，测定含水率。
6．按（2）-（5）的步骤，测试其余2个试样的圆锥下沉深度和含水率。
五、试验数据整理
1、计算含水量
2、绘制圆锥下沉深度h与 含水量w的关系曲线
⑴三点连一条直线。
⑵当三点不在一直线上，通过高含水量的一点分别与其余两点连成两条直线，在圆锥下沉深度为2mm处查得相应的含水量，当两个含水量的差值小于2%，应以该两点含水量的平均值与高含水量的点连成一线。
⑶当两个含水量的差值大于或等于2%时，应补做试验。
3、确定液限、塑限
在圆锥下沉深度h与含水量w关系图上，查得下沉深度为17mm所对应的含水量为液限wL；查得下沉深度为2mm所对应的含水量为塑限wP，以百分数表示，取整数。
4、计算塑性指数和液性指数
塑性指数：
液性指数：

六、试验要求
1．计算准确至0.1%；
2．本试验需要进行2次平行测定，取其算术平均值，允许平行差值应不大于1.0%。

实验五 土的固结压缩试验

一、实验目的
1、测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形与压力的关系，或孔隙比与压力的关系，变形与时间的关系。
2、由测得的各关系曲线计算土的压缩系数av、压缩模量Es、压缩指数Cc、回弹指数Cs、固结系数Cv、地基的渗透系数k及土的先期固结压力Pc等，测定项目视工程需要而定。
3、利用压缩试验所得的参数计算地基基础的变形量，预估地基承载力。
二、实验设备、仪器
1、 压缩固结仪：由环刀、护环、透水板、加压上盖、量表架等组成；
2、 加压设备：采用量程为5～10kN的杠杆式加压设备；
3、 变形量测设备：百分表量程10mm，分度值为0.01mm；
4、 其他：快速烘箱（300°C～350°C）、电子天平（称量1000g，感量0.01g）、测容重用环刀、刮土刀、钢丝锯、铝盒、玻璃板、秒表、凡士林、盛水盆、滤纸等。
三、试验步骤
1、按要求取原状样或制备扰动土样。
2、取环刀样，测试验前的密度与含水量。
3、取压缩仪内的环刀，内壁擦抹凡士林使其光滑少摩擦。环刀刃口向下对准制备的圆柱土样中心，慢慢垂直下压且边压边削土样，使土样成锥台形。直至土样伸出环刀顶面为止，将环刀两边余土削去修平，擦净环刀外壁。
4、在压缩容器内放置透水石、滤纸和下护环，将带有环刀的试样小心装入护环，然后在环刀试样上放薄滤纸、上护环、透水板和加压盖板，置于加压框架下，并对准加压杆，使加压杆与加压盖板中心凹槽对正。
5、安装百分表，为保证试样与仪器上下各部分之间接触良好，应施加1kPa的预压压力，然后调整百分表，使百分度指针归零（表的毫米指针应控制在5～10mm之间，以保证有足够的量程测定试样的压缩量）。
6、加荷。按50、100、200、400（kpa）四级荷重加荷，每级荷载历时10分钟，即每级荷重加上10分钟时，记测微表读数一次，然后加下一级荷载，依些类推，直到第四级荷载施加完毕为止。
四、注意事项
1．首先装好试样，再安装量表。在装量表的过程中，小指针需调至整数位，大指针调至零，量表杆头要有一定的伸缩范围，固定在量表架上。
2．压缩容器内放置的透水石、滤纸湿度尽量与试样湿度接近。
3．加荷时，应按顺序加砝码；试验中不要震动实验台，以免指针产生移动。
五、试验数据整理
1、 按下式计算试样的初始孔隙比e0：

式中 e0—土样的初始孔隙比；
Gs—.土粒比重，本实验取Gs =2.7；
ρ0—土样的初始密度（g/cm3），由试验测定；
ρω—4°C水的密度，为1 g/cm3；
ω0—土样的初始含水量（%），由试验测定。
2．计算试样的颗粒（骨架）净高hs
式中：h0 — 试样初始高度（mm）
3、计算某级压力下变形稳定后的孔隙比ei
式中：
ei—某级压力下土样的孔隙比；
— 某级压力下试样高度的累计变形量，mm；
4、计算某级压力下的压缩系数a i-i+1和压缩模量Es

式中 Pi— 某一级荷重值，MPa。根据上覆压力确定i，一般建筑物的上覆压力在100-200kPa之间，故取a1-2来表达图的压缩系数。
5、作孔隙比e和压力p的关系曲线
以孔隙比e为纵坐标，压力p为横坐标，绘制孔隙比与压力的关系曲线。

实验六 土的直接剪切试验

一、 试验目的
1、测定土的抗剪强度指标c和Φ，为计算地基承载力、挡墙土压力、验算地基及土坡稳定提供基本参数。
2、了解应变式直接剪切试验测定土的抗剪强度指标的方法。分为：快剪（Q）、固结快剪（CQ）、慢剪（S）三种试验方法。
3、明了直接剪切试验的特点。
二、 实验方法
快剪：在试样上施加垂直压力后立即快速施加水平剪应力。
固结快剪：在试样上施加垂直压力，待试样排水固结稳定后，快速施加水平剪应力。
慢剪：在试样上施加垂直压力及水平剪应力的过程中，均使试样排水固结。
本次实验内容只进行快剪试验。
三、 实验设备
1、应变控制式直剪仪：主要包括：剪切盒（水槽、上剪切盒、下剪切盒），垂直加压框架，测力环，推动机构，台板，杠杆式加压设备。
2、位移计或百分表：量程5～10mm，分度值0.01mm。
3、环刀：与直剪仪配套的至少3个；内径618mm，高度20mm。
4、其他：削土刀，秒表，玻璃板，推土器，腊纸或塑料膜
四、 实验步骤
1、制备土样：制备给定干密度和含水量范围的扰动土样，土样为土样为直径约200mm，高约100mm的土柱。（实际工程中，切取原状土样）。
2、切取土样：用与直剪仪配套的环刀切取土样。环刀刃口向下对准圆柱土样中心，慢慢垂直下压，边压边削切土样使土样成锥台形。直至土样伸出环刀顶面为止，将环刀两边余土削去修平，擦净环刀外壁。
3、安装土样：对准上下剪切盒，插入固定插销。在下盒内放不透水板，在放入，然后用推土器将试样徐徐推入剪切盒内，移去环刀。再顺次放入另一张同直径的蜡纸或塑料膜、上透水石、加压盖板与钢珠。
4、调试仪器：安装加压框架，转动手轮，使上剪切盒前端钢珠刚好与测力环接触。调整测力环百分表读数为零。对需要测记垂直变形量的，安装垂直位移计或百分表。
5、施加垂直压力：转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触，调整测力计中的量表读数为零。顺次加上盖板、钢珠压力框架。每组四个试样，分别在四种不同的垂直压力下进行剪切。在教学上，可取四个垂直压力分别为100、200、400kPa。
6、进行剪切：施加垂直压力后，立即拔出固定销钉，开动秒表，以每分钟4～6转的均匀速率旋转手轮（在教学中可采用每分钟6转）。使试样在3～5分钟内剪破。如测力计中的量表指针不再前进，或有显著后退，表示试样已经被剪破。但一般宜剪至剪切变形达4mm。若量表指针再继续增加，则剪切变形应达6mm为止。手轮每转一圈，同时测记测力计量表读数，直到试样剪破为止。（注：手轮每转一圈推进下盒0.2毫米）。
7、拆卸试样：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、上盖板，取出试样。
五、 试验注意事项
1、先安装试样，再装量表。安装试样时要用透水石把土样从环刀推进剪切盒里，试验前量表中的大指针调至零。
2、加荷时，不要摇晃砝码；剪切时要拔出销钉
六、 试验数据整理
1、按下式计算各级垂直压力下所测的抗剪强度：
式中：τf —土的抗剪强度，kPa；
C —测力计率定系数，kPa/0.01mm；
R —测力计量表最大读数，或位移4毫米时的
读数(0.01毫米)，0.01mm。
2、绘制τ～σ曲线
以抗剪强度τ为纵坐标，垂直压力σ为横坐标，绘制抗剪强度τ与垂直压力σ的关系曲线。根据图上各点，绘制一条视测的直线。则直线的倾角为土的内摩擦角Φ，直线在纵坐标轴上的截距为土的粘聚力c 。

实验七 土的三轴剪切试验

一、 试验目的
三轴剪切试验是在三向应力状态下，测定土的抗剪强度参数的一种剪切试验方法。通常用3～4个圆柱体试样，分别在不同的恒定围压下，施加轴向压力，进行剪切，直至破坏；然后根据极限应力圆包络线，求得抗剪强度参数。
二、 实验方法
根据排水条件不同，三轴剪切试验分为不固结不排水试验（UU）、固结不排水剪切(CU)和固结排水试验（CD）。本试验只作部固结不排水剪切试验。
三、 实验设备
1、应变控制式三轴剪切仪，由周围压力系统、反压力系统、孔隙水压力量测系统和主机组成。
2、附属设备：包括击实器、饱和器、切土器、分样器、切土盘、承膜筒和对开圆模。
3、天平：秤量200g，感量0.01g；称量1000g，感量0.1g。
4、橡皮膜：应具有弹性，厚度应小于橡皮膜直径的1/100，不得有漏气孔。
四、 试验步骤
1.试样制备
（1）本试验需要3～4个试样，分别在不同周围压力下进行试验。
（2）试样尺寸：最小直径为φ35mm，最大直径为φ101mm，试样高度宜为试样直径的2～2.5倍。对于有裂缝、软弱面和构造面的试样，试样直径宜大于60mm。
（3）原状试样制备，应将土切成圆柱形试样，试样两端应平整并垂直于试样轴，当试样侧面或端部有小石子或凹坑时，允许用削下的余土修整，试样切削时应避免扰动，并取余土测定试样的含水量。
（4）扰动试样制备，应根据预定的干密度和含水量，在击实器内分层击实，粉质土宜3～5层，粘质土宜为5～8层，各层土料数量应相等，各层接触面应刨毛。
（5）对制备好的试样，应量测其直径和高度。试样的平均直径应按下式计算：

（式中D1，D2，D3分别为试样上、中、下部位的直径）
取余土，测定含水率。
2. 试样的安装
（1）在压力室底座上依次放上不透水板、试样及试样帽，将橡皮膜套在试样外，并将橡皮膜两端与底座及试样帽分别扎紧。
（2）装上压力室罩，向压力室内注满纯水，关排气阀，压力室内不应有残留气泡。并将活塞对准千分表和试样顶部。
（3）关排水阀，开周围压力阀，施加周围压力，周围压力值应与工程实际荷重相适应，最大一级周围压力与最大实际荷重大致相等。
（4）转动手轮使试样帽与活塞及千分表接触，装上变形指示计，将千分表和变形指示计读数调至零位。
3. 剪切试样
（1）开动电机，接上离合器，剪切应变速率宜为每分钟应变0.5～1.0％进行。
（2）剪切开始阶段，试样每产生0.3～0.4％的轴向应变，测记一次千分表读数和轴向应变值。当轴向应变大于3％以后，每隔0.7～0.8％的应变值测记一次读数。
（3）当千分表读数出现峰值时，剪切应继续进行，超过5％的轴向应变为止。若当千分表读数无峰值时，剪切应进行到轴向应变为15～20％。
（4）试验结束，关电动机，关周围压力阀，开排气阀，排除压力室内的水，拆除压力室外罩，取出试样，描述破坏特征，称试样质量，并测定含水率。
（5）对其余几个试样，在不同围压下重复上述步骤进行剪切试验。
五、 试验数据整理
1、 计算试样剪切时的校正面积

式中：A0——起始剪切时试样的面积；
ε1——轴向应变率，%,固结排不水剪，为剪切时试样的轴向变形，cm.
2、 主应力差（σ1-σ3）计算

式中：σ1——大主应力，kPa；
σ3——小主应力，kPa；
C——测力计率定系数（N/0.01mm或N/Mv）
R——测力计读数（0.01mm或Mv）
Aa——试样剪切时的校正面积，cm2；
3、 绘制主应力差（σ1-σ3）与轴向应变（ε1）的关系曲线
以轴向应变为横向坐标，主应力差为纵向坐标，绘制（σ1-σ3）~ε1曲线
4、 绘制应力圆及强度包线

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