《土力学》实验指导书.doc

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1、土力学实验指导书王保林 编土木建筑学院实验中心2013年9日前 言土力学是土木工程和交通工程（道路与桥梁方向）专业的一门重要的专业基础课。土力学实验是土力学课程教学的重要组成部分。土力学实验主要是测定土的物理力学性质指标，为土木工程的设计、施工提供必要的测试数据和资料。掌握土力学实验技术，不但对于巩固课堂所学理论知识、增强对土的工程性质的理解起重要作用，而且是学习土工实验方法和实验技能的主要途径。因此，要求学生必须认真对待每个实验，做好实验前预习。土的物理力学性质指标很多，实验项目也很多。根据课程教学大纲要求，结合我院实验条件，本实验指导书仅列出土木工程和交通工程（道路与桥梁方向）专业的五个基

2、本教学实验（有些实验可合并为综合试验）。每个实验的方法和标准主要是根据土工试验方法标准（GB/T 50123-1999）结合教学要求而编写的。同时也参考了一些其他行业规范的标准。限于水平有限，不妥之处，请批评指正。 编者 2013年9月目 录实验一 含水率实验（烘干法）实验二 密度实验（环刀法）实验三 液限和塑限实验（液、塑限联合测定法）实验四 直接剪切实验实验五 压缩实验实验一、含水率实验（烘干法）一、实验目的及用途土的含水率表示土中含水的比例，为土体中水的质量与干土质量的比值，用百分数表示。式中： 含水率 (%)； 土样中水的质量（g） 土样中干土质量（g） 土样总质量（g）土的含水率是土

3、的几项基本物理指标中较重要的一个。利用含水率可计算土的干密度、重度、空隙比、饱和度及黏性土的状态指标。含水率测定方法比较多。烘干法适用于粗粒土、细粒土、有机质土和冻土。二、 实验设备及用品1、烘箱（干燥箱）：应能控制温度在 105 110oC之间；2、天平：称量200g，最小分度值0.01g；称量1000g，最小分度值0.1g；3、烘土盒、调土刀、干燥器等。三、实验步骤1、记录烘土盒号码，称量（或查阅）烘土盒质量 。取具有代表性土样，黏性土为15 30g，砂性土、有机质土为50g，放入烘土盒内，盖上盒盖。在天平上称盒加湿土质量，精确到0.01 g；2、打开盒盖，放在托盘上一起放入烘箱中，在10

4、5 110oC的恒温下烘干。烘干时间对黏性土、粉土不得少于8小时。然后连同托盘一起取出，加盖后，立即放入干燥器中冷却至室温；3、将烘土盒从干燥器中取出立即称重，称得盒加干土质量，精确到0.01 g；4、将干土倒入土盘中，晾干烘土盒。5、本实验须进行两次平行测定。四、成果整理1、按下式计算含水率： (计算精确至0.1%)式中 土样中水的质量； 干土质量。 2、两次平行测定结果的差值不应超过如下规定：含水率（%）允许平行差值（%） 40 1.0 40 2.0五、实验报告含水率实验（烘干法）记录计算表班级： 小组： 实验日期：土样编号烘土盒号盒+湿土质量（g）盒+干土质量（g）盒的质量 ()水的质量

5、 ()干土质量 ()含水率(%)平均含水率(%)备注实验者: 计算者: 校核者:实验二 密度实验（环刀法）一、实验目的及用途土的密度（）为（g / cm3 ）式中 土的质量， 土样体积密度可用来计算土的其他物理指标。测定密度的方法有环刀法、蜡封法、灌水法、灌砂法等。环刀法适用于细粒土。二、实验设备及用品1、 天平：称量500g，最小分度值0.1g；称量200g，最小分度值0.01g。2、 环刀：内径为6.18cm或7.98cm，高度2cm。三、实验步骤1、取原状土或人工配制的重塑土，用切土刀将上下端削平，在环刀内侧涂少许凡士林，抹匀，刀口向下，放在土样上面；2、用切土刀将土样上部削去略大于环刀

6、的外侧部分，将环刀垂直下压，边压边削，直至环刀内土样略高出环刀，用钢丝锯沿环刀刀口锯下土样；3、用切土刀将环刀两端削平，擦净环刀外侧，称环刀与土的总质量，准确到0.1g；4、记录环刀号码，抄写环刀质量，计算体积；该实验进行两次平行测定。四、成果整理1、计算（精确到0.01g cm3）式中： 环刀加土质量 (g) ； 环刀质量 (g)； 环刀体积 （cm3）2、试样的干密度，应按下式计算：3、允许误差本实验应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于0.03gcm3；取算术平均值作为计算结果。五、实验报告密度实验（环刀法）记录计算表班级： 小组： 实验日期：土样编号环刀号环刀+土质量（g）环刀质量

7、（g）土的质量 ()环刀体积(cm3)密度（g/cm3）平均密度（g/cm3）备注实验者: 计算者: 校核者:实验三 液限和塑限实验（液、塑限联合测定法）一、实验目的及用途黏性土最主要的物理特征是土粒与土中水相互作用产生的稠度（即软硬程度）。黏性土随其含水量的变化，各不同状态之间的分界含水量具有重要的意义。黏性土呈液态与塑态之间的分界含水量称为液限。黏性土呈塑态与半固态之间的分界含水量称为塑限。液限和塑限也是计算塑性指数和液性指数的基本量。测定液限的方法有锥式液限仪法、碟式液限仪法；测定塑限的方法有滚搓法。本实验用液、塑限联合测定法同时测定液限与塑限。其工作原理是利用电磁铁吸住圆锥仪，电路控制

8、或手动控制使电磁铁吸放。圆锥仪上30角部分的入土5秒时间，由讯响器自动发出笛声。圆锥入土深度由圆锥仪上装有的光学分微尺通过光学系统予以放大，在屏幕上精确显示。二、实验设备及用品1、光电式液塑限联合测定仪：圆锥质量为76克，锥角为30；2、天平：称量200g，分度值0.01g；3、烘箱、干燥器、烘土盒、调土碗等。三、实验步骤1、宜采用天然含水率试样和风干试样。当试样中含有粒径大于0.5mm的土粒和杂物时，应过0.5mm的筛；2、取筛下的代表性试样200g，分成三份，放入不同的盛土皿中，加入不同数量的纯水，制成不同稠度的试样。试样的含水量应分别接近塑限、液限和二者的中间状态。将试样调匀，盖上湿布，

9、湿润过夜。3、将制备的试样搅拌均匀，填入试样杯中；对较干的试样应充分搓揉，密实地填入试样杯中，填满后刮平表面；4、将试样杯放在联合测定仪的升降座上，在圆锥尖部抹少许凡士林，接通电源使电磁铁吸住圆锥；5、调节零点，调整升降座，使圆锥尖接触试样面，接触指示灯微微发亮时，搬动吸放开关，使圆锥在自重状态下沉入试样，经5秒钟仪器发出笛声，测读圆锥下沉深度。6、下降升降座取出土杯，取出部分试样，不少于10g，放入烘土盒中测定其含水量。7、按上述步骤，分别测定三个试样的圆锥下沉深度和含水率。（注：圆锥入土深度宜为3-4mm，7-9mm，15-17mm）四、成果整理1、含水率按下式计算，计算精确至0.1% 式

10、中： 湿土加盒质量（g） 干土加盒质量（g） 烘土盒质量（g）2、以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制关系曲线，三点应在一直线上。当三点不在一直线上时，通过高含水率的点与其余两点连成两条直线，在下沉深度为2mm处查得相应的两个含水率。当两个含水率的差值小于2%时，应以该两点含水率的平均值与高含水率的点连一直线。当两个含水率的差值大于、等于2%时，应重做实验。3、在含水率与圆锥下沉深度关系图上，查得下沉深度为17mm所对应的含水率为17mm液限；下沉深度为10mm所对应的含水量为10mm液限；下沉深度为2mm所对应的含水量为塑限，取值至整数。4、塑性指数按下式计算式中：

11、塑性指数； 液限含水率（%）； 塑限含水率（%）5、液性指数应按下式计算： 土的天然含水率（%）；五、实验报告6液塑限联合测定法记录计算表班级： 第 大组 第 小组 实验日期：2013年 月 日圆锥入土深度h(mm)烘土盒号土盒质量（g）盒+湿土质量（g）盒+干土质量（g）水的质量（g）干土质量（g）含水率（%）平均含水率（%）液限（%）塑限（%）塑性指数土样分类实验者： 计算着： 校核者：实验四 直接剪切实验一、实验目的及用途土的抗剪强度是在极限应力条件下，土的一部分相对于另一部分滑动（剪切）时，土体抵抗剪切破坏的能力。其数学表达式是：式中： 为土的抗剪强度；为土体受到的与剪切方向垂直的压力

12、；为土的内摩擦角；为土的内聚力。 称为土的抗剪强度指标。这两个指标是工程设计中计算地基承载力、土压力、土坡稳定、地基稳定等不可缺少的重要参数。本实验方法适用于细粒土。二、 实验设备及用品1、应变控制式直剪仪：由剪切盒、垂直加荷部件、剪切传动部件、测力计等组成、位移两侧系统、杠杆比为 1:10。2、百分表：量程 10 mm，精度 0.01 mm。3、环刀：内径 61.8 mm，高 20 mm，内圆面积 30 cm2 。三、实验步骤1、土样制备。根据工程或实验需要，从原状土或制备成所需状态的扰动土中用环刀切取四个土样。如系原状土样，切土样的方向应与天然地层中土样的上下方向一致。2、在剪切盒内依次放

13、入透水石和滤纸（塑料片），用插销将上下盒固定，再将内含土样的环刀（刀口向上）对准剪切盒口，在土样上放滤纸（塑料片）和透水石，将土样从环刀中推入剪切盒内。上置传压板、钢球和垂直加压框架，并使加压杠杆和加压框架接触良好。3、在量力环上安装百分表。百分表的测杆应平行于量力环受力的直径方向并位于环中间，推进百分表使表针偏转少许，紧固表座螺丝，调整百分表表盘使指针指零。4、转动手轮，使整个剪切及量力系统接触良好为止（量力环中百分表指针刚刚触动）。5、在土样上施加垂直荷载。按第一个土样上垂直荷载为100 kPa(1.0 kgcm2 )，根据 1:10 的杠杆比和30 cm2 的土样面积计算应该施加3 kg

14、的荷载（一个1.5 kg 砝码，砝码盘重1.5 kg ）。6、拔出固定插销，以 4转分钟（0.8mmmin）的剪切速度，进行剪切，试样每产生剪切位移0.2-0.4mm测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，应继续剪切至剪切位移为4mm时停机，记下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为6mm时停机。7、快速反转手轮，卸除垂直荷载和加压框架，取出已剪损的土样，装入第二个土样。8、第二、三、四个土样分别施加 200、300、400 kPa（2.0、3.0、4.0 kgcm2）的垂直压力，按同样步骤进行可得到相应的最大读数、 。直剪实验分为慢剪实验、固结快剪实验、快剪实验。三

15、种实验方法的差别主要靠剪切速度来控制，其它基本相同，具体步骤请参考相关规范。四、成果整理1、 计算土样在一定垂直压力下的抗剪强度式中：C为量力环系数，单位 kPa0.01mm（由实验室提供）； 为土样剪坏时的百分表最大读数，单位格（0.01mm）。2、绘制抗剪强度曲线以垂直压力 (kPa)为横坐标，抗剪强度 (kPa)为纵坐标，将四个实测点绘在图上，画一走向直线，即为抗剪强度曲线。要求该直线既要表示点位的变化趋势，又要尽可能地靠近各个点。3、确定抗剪强度指标抗剪强度曲线（实为直线）在纵轴（轴）上的截距即为内聚力，准确到1 kPa；直线的倾角即为土的内摩擦角，准确到0.1o 。五、实验报告实验五

16、 压缩实验一、实验目的及用途土的压缩是土体在荷重作用下产生变形的过程。其变形实际上是由于土中孔隙体积的减小而引起的。土的压缩实验目的是：测定土样在完全侧限与竖向排水条件下的变形和压力或孔隙比和压力的关系曲线。并根据 曲线计算出土的压缩系数和土的压缩模量等压缩性指标。土的压缩系数和压缩模量是用来判别土的压缩性及计算基础沉降的重要参数。二、实验设备及用品1、固结容器：由环刀、护环、透水板、水槽、加压上盖组成。1）、环刀：内径为 61.8 mm，高 20 mm，环内面积 30 cm2 。环刀应具有一定的刚度，内壁应保持较高的光洁度，宜涂一薄层硅脂或聚四氟乙烯。2）透水板：氧化铝或不受腐蚀的金属材料制

17、成，其渗透系数应大于试样的渗透系数。用固定式容器时，顶部透水板直径应小于环刀内经0.2-0.5mm；用浮环式容器时上下端透水板直径相等，均应小于环刀内经。2、加压设备：应能垂直地在瞬间施加各级规定的压力，且没有冲击力。3、变形量测设备：量程 10 mm，最小分度值为 0.01 mm的百分表或准确度为全量程0.2%的位移传感器。三、实验步骤1、按密度实验方法用环刀切取土样（土样由实验室提供），测其密度；2、用切取土样时的余土取两份测定含水量，作平行测定取其平均值；3、在压缩仪容器底座内，依次放置下护环、大透水石和定位环，将环刀连同土样（刀口向下）一起放在定位环内、大透水石上；然后在环刀上放置上护

18、环，在土样上放置小透水石，加压上盖及钢珠；4、将装好土样的压缩仪容器置于加压框架下，使横梁与钢珠接触好；再装上百分表使其测杆与横梁顶部中间接触，并上下移动百分表使其测杆压入8mm左右（不能顶死），紧固表座螺丝。5、将一个带有挂钩的25g的小砝码挂在加压杠杆上（土样上施加1 kPa的压力），使各部分接触良好；轻抬杠杆然后放下几次，观察百分表读数的变化，将百分表读数比较集中的位置作为零点，调节百分表使该点为零。6、施加第一级荷载50 kPa，即在砝码盘上放置一个0.312kg和一个0.625kg的砝码（砝码盘自重0.312kg），取下25g小砝码，挂上砝码盘，并开始计时。7、在下列时间读取百分表读

19、数：1、2、4、7、10，读数准确到1格(0.01mm)。8、以10时读数作为该级荷载的稳定读数S1 ；然后重复6、7步骤给土样施加第二、三、四、五级荷载，即压应力为100、200、300、400kPa,记录各级荷载下的百分表稳定读数（即10时的百分表读数S2 、S3 、S4 、S5 ）。9、实验完成。先卸除百分表，然后逐个卸掉砝码，抬高加压框架，移出压缩仪容器，取出土样，并将透水石等部件擦洗干净。10、压缩期间，若加压杠杆出现较明显倾斜，可调节手轮，使杠杆平衡。四、成果整理、 按下式计算初始孔隙比 式中：为固体颗粒比重或称土粒相对密度；为为水的密度，一般取；为为实验前所测的土样含水量；为实验前所测的土样湿密度；2、按下式计算土样在各级压力 (kPa)作用下，土样变形稳定时的孔隙比； 式中：初始孔隙比；在某一级压力作用下，土样变形稳定时的百分表读数（格，0.01mm）；实验前土样初始高度，这里应取2000单位（0.01mm）;3、以压力为横坐标，孔隙比为纵坐标，绘制该土样的压缩曲线（）曲线。 4、计算 =100 kPa，=200kPa时的压缩系数 和压缩模量 五、实验报告 附后。