河北科大土工实验指导书-2.doc

三、土的含水率、密度试验
（一）土的含水率实验
一、实验目的和实验要求
测定土的含水率。
二、实验原理：
土的含水率是指土在105~110℃下烘干到恒量时所失去的水的质量和干土质量的百分比值，以百分数表示。土在天然状态下的含水率称为土的天然含水率。
三、实验方法
含水率试验方法有烘干法、酒精燃烧法、比重法、碳化钙气压法、炒干法等。其中以烘干法为室内试验的标准方法，适用于粗粒土、细粒土、有机质土、冻土。在教学中我们仅介绍烘干法。
四、实验步骤
1、取代表性试样15g左右,放入质量为m0的铝盒内，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。
注：在教学实验中，我们采用红外线烘箱，对于粘性土要求烘干时间45min。
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m2，精确至0.01g。
注意：含有有机质土在105～110℃温度下经长时间烘干后，有机质特别是腐植酸会在烘干过程中逐渐分解而不断损失，使测得的含水率比实际的含水率大，土中有机质含量越高误差就越大。故该实验对有机质含量超过5%的土，规定在65～70℃的恒温下进行烘干。
4、计算含水率：按下式计算

—水的质量
—干土的质量
五、所需仪器设备
1、烘箱：采用电热烘箱，应能控制温度为105~110℃。
2、天平：称量200g,分度值0.01g。
3、其他：干燥器，称量盒（铝盒）。
六、实验过程中注意事项
要求：（1）计算准确至0.1%；（2）本实验需进行2次平行测定，取其算术平均值，允许平行差值应符合下表规定。
含水率（%）
小于10
10—40
大于40
允许平行差值（%）
0.5
1.0
2.0
七、思考题
1．根据试验室测定的土粒密度、土的密度、含水量，如何计算干密度、孔隙比、饱和度？
2．干密度能够实测吗？
八、参考文献
1、《土工试验规程》（SL237—1999）。
2、《土工实验方法标准》（GB/T50123—1999）。
3、《土力学地基基础》
九、处理结果见实验报告
将实验数据记录于下表中
含水率试验记录
试验名称

盒号
盒+湿土(g)
盒+干土(g)
盒(g)
湿土(g)
干土(g)
水(g)
含水率(g)
平均含水率(g)
1
2
3
4=1-3
5=2-3
6=1-2
7=6/5
8

（二）密度试验
一、实验目的和实验要求
测定土的密度，是指土的单位体积质量，是土的基本物理性质指标之一，其单位为g/cm3。
二、实验原理
，式中—土样的质量，g
—土样的体积，cm3
—土样的密度，g/ cm3
三、实验方法
实验方法有环刀法、蜡封法、灌水法、灌沙法。
本实验采用环刀法，环刀法就是采用一定体积环刀切取土样并称土质量的方法，环刀内土的质量与环刀体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，但环刀法只适用于测定不含砾石颗粒的细粒土的密度。
四、实验步骤
1、按工程需要取原状土或人工制备所需要求的扰动土样，其直径和高度应大于环刀的尺寸，整平两端放在玻璃板上。
2、在天平上称量环刀的质量。在环刀内壁涂一薄层凡士林，将环刀的刀刃向下放在土样上面，然后用手将环刀垂直下压，边压边削周围土样，至土样上端伸出环刀为止，根据试样的软硬程度，采用修土刀将两端余土削去修平，擦净环刀外壁。
3、在天平上称取环刀加土质量，准确至0.1g。
4、成果整理
按式（3-1）或式（3-2）分别计算湿密度和干密度：
（3-1）
（3-2）
式中 —湿密度（g/cm3），精确至0.01g/cm3；
—干密度（g/cm3），精确至0.01g/cm3；
—湿土质量（g）；
—环刀加湿土质量（g）；
—环刀质量（g）；
—含水率（%）；
—环刀容积（cm3）。
五、所需仪器设备
（1）恒质量环刀，内径6.18cm(面积30cm2)或内径7.98cm（面积50cm2），高20mm，壁厚1.5mm。
（2）天平：称量500g、最小分度值0.1g，称量200g,最小分度值0.01g。
（3）其它：调土刀、钢丝锯、凡士林等。
六、实验过程注意事项
环刀法试验应进行两次平行测定，两次测定的密度差值不得大于0.03g/cm3 并取其两次测值的算术平均值。
七、参考文献
1、《土工试验规程》（SL237—1999）。
2、《土工实验方法标准》（GB/T50123—1999）。
3、《土力学地基基础》
八、处理结果见实验报告
将实验数据记录于下表中
密度试验记录
试验名称

试验日期

环刀号码
环刀(g)
环刀+土(g)
土(g)
环刀容积(g)
密度(g)
平均密度(g)
1
2
3=2-1
4
5=3/4
6

四、土的液、塑限试验
一、实验目的和实验要求
实验目的：测定细粒土的液限、塑限，计算塑性指数、给土分类定名，供设计、施工使用。
实验要求：适用于粒径小于0.5mm颗粒组成及有机质含量不大于干土质量5%的土。
二、实验原理
细粒土由于含水率不同，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率；塑限是细粒土呈可塑状态的下限含水率。
三、实验方法
液、塑限的测定方法有：液塑限联合测定法、碟式仪液限试验、滚搓法塑限试验法。
我们采用液、塑限联合测定法。
四、实验步骤
1、本试验宜采用天然含水率试样，当土样不均匀时，采用风干试样，当试样中含有粒径大于0.5mm的土粒和杂物时,应过0.5mm筛。当采用天然含水率土样时,取代表性土样250g；采用风干试样时,取0.5mm筛下的代表性土样200g,将试样放在橡皮板上用纯水将土样调成均匀膏状,放入调土皿,浸润过夜。
2、分别将试样在毛玻璃板上调制成3~4种不同含水率的土样（用滴管加水及电吹风的方法）。使其中一种的圆锥入土深度控制在17mm左右，另一种控制在3~4mm，其他的入土深度可较均匀分布在3~17mm的范围内。
3、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。
4、取圆锥仪，将圆锥擦净，在锥尖部分涂以薄层凡士林，接通电源，使电磁铁吸稳圆锥仪。
5、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秒后立即在屏幕上读出锥体入土深度。重复4、5步骤2、3次，取其平均值。
6、取下试样杯，用小刀刮去沾有凡士林的土后，将锥尖附近的土分别装入两个铝盒，每个铝盒土样不得少于10g，烘干法测定含水率。
7、计算与制图
（1）绘制圆锥下沉深度与含水率的关系曲线
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~的关系曲线。如图所示。
①三点连一条直线。
②当三点不在一直线上，通过高含水率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处查得相应的含水率，当两个含水率的差值小于2%，应以该两点含水率的平均值与高含水率的点连成一线。
③当两个含水率的差值大于或等于2%时，应补做试验。
（2）确定液限、塑限
在圆锥下沉深度与含水率关系图上，查得下沉深度为17mm所对应的含水率为液限L；查得下沉深度为2mm所对应的含水率为塑限P，以百分数表示，准确至0.1%。
（3）计算塑性指数和液性指数
塑性指数： 液性指数：
（4）按规范规定确定土的名称
五、所需仪器设备
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。圆锥质量为76g，锥角30°；读数显示光电式。
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、碗、滴管、电吹风、研钵等。
六、实验过程中注意事项
液限、塑限联合试验，原则上采用天然含水率的土样制备试样，但也允许采用风干土制备试样。
适用于粒径小于0.5mm颗粒组成及有机质含量不大于干土质量5%的土。
七、思考题
1、什么是液限、塑限？测定土的液限和塑限有什么用处？
2、什么是液性指数？液性指数的大小反映什么问题？
3、要知道某种粘性土的天然稠度状态必须要做哪几个实验？
4、液、塑限联合测定试验的基本原理？与手动圆锥仪和搓条法测定液、塑限比较各具的优、缺点？
八、参考文献
1、《土工试验规程》（SL237—1999）。
2、《土工实验方法标准》（GB/T50123—1999）。
3、《土力学地基基础》
九、本试验记录
76克
单位
第一点
第二点
第三点
实测落锥深度
ｍｍ

平均落锥深度
ｍｍ

含
水
量
（%）
盒号

盒重
(g)

盒+湿土重
(g)

盒+干土重
(g)

水质量
(g)

干土质量
(g)

含水率ω
(%)

平均含水率
(%)

五、土的压缩试验
一、试验目的和试验要求
用试验结果绘制孔隙比e和压力p之间的关系曲线，从而确定土的压缩系数和压缩模量，对于饱和粘性土的压缩试验可得到变形与时间的关系，从而估算固结系数和渗透系数。用以确定地基承载力和计算基础的沉降量。
二、试验原理
地基土在外荷载作用下，水和空气逐渐被挤出，土的颗粒骨架之间相互挤紧，封闭气体的体积减小，从而引起土的压缩变形。压缩试验就是将天然状态下的原状土样或扰动土样，制备成一定规格的试件，然后置于固结仪中，在不同荷载和有限条件下测定其压缩变形。
三、试验方法
快速固结试验
四、试验步骤
1、首先称量环刀质量，准确至0.1g。根据工程需要，切取原状土试样或制备给定密度与含水量的扰动土样。削平其两端在环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上。
2、用切土刀和钢丝锯削成略大于环刀直径的土柱，然后将环刀垂直下压，边压边削周围土样，直至土样上端伸出环刀顶面为止，修平两端土样表面，修平时，不得用刀反复涂抹土面，以免堵塞孔隙，影响试验效果。
3、擦净环刀外壁称环刀加土的质量准确至0.1g，记下环刀号码计算出土的密度，并取环刀两端的土样测定其含水率、密度。
4、在固结仪底座上顺次加上洁净而湿润的透水石（大于环刀内径）、滤纸、套上护环，装上百分表支架，将装有试样的环刀放入护环中（环刀刀口向下），上覆滤纸和洁净湿润的透水石（略小于环刀直径）、加上导环，最后放上加压盖，使各部分密切接触，保持平稳。
5、将压缩仪置于加压框下，对准框架的正中将导杆穿过加压横梁的中心小孔、与钢球底部接触，在支架上安装百分表，将表的短针调至4~5mm处后拧紧螺丝，检查百分表是否灵活垂直。
6、施加1kPa的预压压力（相当于磅秤游码重量3N），使试样与仪器上下各部分之间接触良好，然后调整量表，将表的短针调至4~5mm处，将长针调至零。
7、去掉预压荷重后，立即加上第一级荷重50kPa（为重1.25kg的砝码）同时开始计时。在加砝码时，应避免冲击和摇晃。如系饱和试样，应在施加第一级荷载后，立即向压缩仪容器中注满水，如系非饱和试样则以湿棉花围护在传压板上面以防水分蒸发。
8、加压等级一般为50.0、100、200、400…kPa。有时候可根据土的软硬程度，第一级可考虑用25kPa。最后一级压力应大于土层的自重应力与附加应力之和200~300kPa。
注：教学实验中荷重共分五级，加荷顺序为50、100、200、300、400kPa（以上数值为累加值）。在整个实验中自始至终都应保持杠杆臂的水平。
9、在每一级荷载下均应待试样压缩稳定后记下百分表的读数，方可加下一级荷载，直至最后一级荷载。然后按照相反顺序取出土样，擦净仪器。
注：因教学时间所限，我们规定在每级荷载加荷后10分钟即认为压缩已稳定，记录百分表读数，然后加下一级荷载。
10、如需确定原状土的前期固结压力时，加荷率宜小于1，可采用0.5或0.25倍，最后一级荷载应大于1000kPa，使e-logP曲线下端出现直线段；如需测定沉降速率、固结系数等指标，一般施加每一级压力后宜按照下列时间顺序测记百分表读数：15s，1min，2min15s，4min，6min15s，9min，12min15s，16min，20min15s，25min，30min15s，36min，42min15s，60min，120min，…，直至稳定为止，再加下一级荷载。当不需要测定沉降速率时，则施加每级压力后24h，测记试样高度变化作为稳定标准。当试样的渗透系数大于10-5cm/s时，吸去容器中的水，迅速拆除仪器各部件，取出试样，测定含水率。
11、若需进行回弹试验时，可在某级压力（大于上覆压力）下固结稳定后退压，直至退到第一级压力，每次退压至24h后测定试样的回弹量。
五、所需仪器设备
1、固结容器：由环刀、护环、透水板、加压上盖、量表架等组成。环刀内径为61.8mm高度为20mm，截面积为30cm2。
2、百分表量程10mm，分度值0.01mm。
3、天平：感量0.01g
4、其它：秒表、铝盒、烘箱、修土刀、滤纸、凡士林等。
六、实验过程注意事项
1、切削试样时，应十分耐心操作，尽量避免破坏土的结构，边削边压环刀，不允许直接将环刀压入土中。
2、在削去环刀两端余土时不允许用刀来回涂抹土面，避免孔隙被堵塞。 
3、不要振碰压缩台及周围地面，加荷或卸荷时均应轻放或轻取砝码，以避免冲击力。
七、思考题
1．快速压缩法根据什么原理求得变形量？
2．土的压缩系数和压缩指数有什么不同？在压力较低的情况下能否求得压缩指数？
八、参考文献
1、《土工试验规程》（SL237—1999）。
2、《土工实验方法标准》（GB/T50123—1999）。
3、《土力学地基基础》
九、实验数据记录与整理
1、试验记录见下表
2、按下式计算试样的初始孔隙比

式中：ρ0—试样初始密度，g/cm3；
—试样的初始含水量，%。
3、按下式计算试样的土粒高度，cm
，式中：—试样初始高度，试验中。
4、按下式计算各级压力下固结稳定后的孔隙比
，或
式中：
——某压力下试样的累计变形值，等于该压力下压缩稳定时的百分表读数减去初读数。
5、绘制e～p的关系曲线
以孔隙比e为纵坐标（每5mm代表0.1），压力p为横坐标（每2cm代表100kPa），将试验成果点在图上，连成一条光滑曲线。
6、按下式计算某一级压力范围内的压缩系数av

式中：—相应与的孔隙比，—相应与的孔隙比。
七、思考题
1、做固结试验的目的是什么？联系具体工程问题去思考。
2、a1-2的物理意义是什么？有什么用途？
八、参考文献
1、《土工试验规程》（SL237—1999）。
2、《土工实验方法标准》（GB/T50123—1999）。
3、《土力学地基基础》
九、数据记录
压力(MPa)
0.05
0.1
0.2
0.3
0.4
百分表初读数（0.01mm）

压缩稳定后读数（0.01mm）

修正变形量（0.01mm）

试样变形量（mm）

压缩试样高度

，或

压缩系数a（MPa-1）

压缩模量E（MPa）

六、土的剪切试验
一、试验目的和试验要求
直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法。通常采用4个试样，分别在不同的垂直压力p下，施加水平剪切力进行剪切，测得剪切破坏时的剪应力τ。然后根据库仑定律确定土的抗剪强度指标：内摩擦角φ和粘聚力c。直剪试验分为快剪（Q）、固结快剪（CQ）、慢剪（S）。在教学中可用快剪法。
适用范围：适用于测定细粒土的抗剪强度指标c和φ及土颗粒的粒径小于2mm的砂土的抗剪强度指标φ。渗透系数k大于10-6cm/s的土不宜作快剪试验。
二、实验原理
快剪试验是在试样上施加垂直压力后立即快速施加水平剪切力，以0.8~1.2mm/min的速率剪切，一般使试样在3~5min内剪破。快剪法适用于测定粘性土天然强度。

应变控制式直剪仪结构示意图

三、试验方法
快剪法
四、实验步骤
1、根据工程需要用环刀切一组试样，至少四个。并测定试样的密度和含水率。如试样需要饱和，可对试样进行抽气饱和。
2、安装试样：将剪切盒内壁擦净，上下盒口对准，插入固定销，使上下盒固定在一起，不能相对移动，在下盒内放入一块透水石，透水石上放一张腊纸。将盛有试样的环刀，平口向下，刀口向上，对准剪刀盒上盒口，然后用透水石将试样平稳推入剪切盒内，移去环刀。并顺次加上传压活塞、钢球及加压框架（暂勿加砝码）。
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。慢慢顺时针方向转动轮，至上剪切盒支腿与量力环钢球之间恰好接触时（即量力环中百分表指针刚开始走动）立即停转手轮。然后调整百分表使其指针在某一整数（即长针指零，并作为起始读数）。
4、在试样上施加垂直荷载。本实验取4个试样，分别加不同的垂直压力100kPa、200kPa、300kPa及400kPa，加荷时一次轻轻加上。按第一个试样上应加的垂直压力（100KPa）计算出应加荷载，扣除加压设备本身质量，即得应加砝码数。（试样面积及加压设备质量可由实验室提供）。
5、进行剪切：拔去固定销，开动秒表，以每分钟4～12转的均匀速率转动手轮（本试验以每分钟6转为宜），转动过程中不应中途停顿或时快时慢。使试样在3～5分钟内剪损，手轮每转一圈应测记测微表读数一次，直至量力环的测微表指针不再前进或有后退，即说明试样已剪损。如测微表指针一直缓慢前进，说明不出现峰值，则破坏以变形控制进行到剪切变形达4mm~6mm时为止。
6、拆卸试样：剪切结束后，吸去剪切盒中的积水，倒转手轮，顺序去掉荷载、加压架、钢珠、传压板与上盒，取出试样。
7、重复上述步骤，做其他各垂直压力下的剪切试验。
五、所需仪器设备
1、应变控制式直剪仪：剪切盒、垂直加压框架、测力计、推动机构等；
2、位移计（百分表）：量程5~10mm,分度值0.01mm；
3、砝码等。
六、实验过程中注意事项
1、开始剪切之前千万不能忘记必须先拔去插销，否则，销钉被剪坏，量力环变形过大受损，即仪器损坏。
2、加砝码时，应将砝码上的缺口彼此错开，防止砝码倒下压伤脚。
3、同一组的几个试样应是同一层土，密度值不应超过允许误差。
4、画τ-σ曲线时，纵横坐标分度值要统一（如1cm都代表100kPa）。
七、思考题
1、为什么直剪试验要分三种实验方式？
2、什么情况下要做剪切试验并求出φ和C值？
3、φ和C的来源是什么？土的抗剪强度的大小与哪些因素有关？
4、剪切试验有哪些优缺点？
八、参考文献
1、《土工试验规程》（SL237—1999）。
2、《土工实验方法标准》（GB/T50123—1999）。
3、《土力学地基基础》
九、数据记录与计算
1、 按下式计算试样的剪应力

式中：C—测力计率定系数，N/0.01mm；
R—测力计读数，0.01mm；
A0——试样断面积，cm2；
10—单位换算系数。
2、制图：
以抗剪强度τf为纵坐标，垂直应力σ为横坐标，绘出坐标点（注意纵、横坐标比例尺应一致），根据这些点绘一视测直线，即为强度包线。该线的倾角即为土的内摩擦角，该线在纵坐标上的截距即为土的粘聚力c。

直接剪切实验记录表
仪器编号
垂直压力(kPa)
测力计读数R(0.01mm)
量力环编号
量力环系数
抗剪强度(kPa)

附录A 使用天平注意事项
一、天平是贵重仪器，应注意爱护。不可使天平的负载超过其所规定的限度。不可把热的或过冷的物体直接放在托盘上称量，必须将物体放置室温，然后称量。
二、每次称量前应先进行零点校正。普通天平调整三角支柱使天平水平；电子天平应调制水平后，按归零键归零。
三、为了不损坏天平。无论把物体或砝码放置盘上或取下，均必须先将天平横梁架起，转动托杆时应缓慢小心，称物或砝码应置于盘的中央。
四、称量时，应将天平侧门关好，避免气流影响，增减砝码必须用夹子夹取，禁止用手接触砝码。
五、砝码应放在盒中央规定位置。称量时，应先读盒中空的砝码数，然后再取下盘中砝码，放回盒中时应予以核对，并及时记录称量结果。
六、砝码盒不使用时应保持关闭盒盖，以免砝码污染；小于1克的砝码应用玻璃片盖好，用时打开。

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