土力学实验指导书

《土力学》实验教学指导书

实验项目一：土的物性实验

一、实验目的

1、测定土的天然密度，以便了解土的疏密状态与其它实验配合计算土的干密度、孔隙比及饱和度等物理性质指标；

2、测定粘性土的液限和塑限从而计算塑性指数和液性指数，评价粘性土地基的容许承载力；并按塑性指数或塑性图进行土的分类。

二、实验设备

环刀、天平、切土刀、钢丝锯、玻璃片、凡士林、烘箱、干燥器；铝盒；液、塑限联合测定仪等。

三、实验原理

1、环刀法测土的密度

土的密度是单位体积土的质量。土单位体积中固体颗粒的质量称为土的干密度；土体孔隙中充满水时的单位体积质量称为土的饱和密度；在计算自重应力时，须采用土的重力密度，即重度，是指单位体积土的重量。

ρ=(m2－m1)／V

；式中：ρ——土的湿密度（g/cm3）

m1——环刀的质量（g）；m2——环刀加土的质量（g）。

(1-1)

v—环刀体积（cm3）

ρd=ρ／(1＋0.01w)

式中：ρd——土的干密度（g/cm3）；

(1-2)

ρ——土的湿密度（g/cm3）；

。w——土的含水量（％）

2、烘干法测土的含水量

土的含水量是土中水的质量与干土质量的比值，烘干法是根据加热后水份蒸发的原理，将已知质量的土样放入烘箱内，在100～105℃温度条件下烘干至恒重时，失去的水的质量与干土质量的比值，即是含水量，用百分数表示。

w0=（

m0

－1）×100md

（1-3）

式中：w0—土的含水量（%）

m0—湿土的质量（g）md—干土的质量（g）

含水量实验应进行两次平行测定，两次测定的差值，当含水量小于40%时，不得大于1%，当含水量大于、等于40%时，不得大于2%，取二者的算术平均值。

3、液限、塑限联合测定

根据用圆锥仪测得的入土深度与其相应的含水量在双对数坐标上具线性关系的特性，本实验用水电式液、塑限联合测定仪（见图1）测得土在不同含水量时的圆锥入土深度，绘制其关系直线图（见图2），据入土深度在图上找出该试样的液限和塑限。本实验适用条件同液限实验。

m1 m2

×100%w=m

2 m0

(1-4)

式中：m1——湿土加盒重量

m0——铝盒的重量m2——干土加盒的重量

Ip=wL-wp

式中：Ip——塑性指数

wL——液限含水率wp——塑限含水率

(1-5)

Il=

式中：IL——液性指数

w wpIP

(1-6)

四、实验步骤

1、环刀法测土的密度

1）调整天平平衡，称量环刀质量，并填入表1中。

2）按工程需要取原状土或制配所需状态的扰动土，整平两端，将环刀内壁涂一薄层凡士林，刀口向下放在土样上。

3）修土刀将土样上部削成略大于环刀直径的土柱然后将环刀垂直下压，边压边削至土样伸出环刀上部为止。削去两端余土，使与环刀口面齐平，并用剩余土样测定含水量。

4）擦净环刀外壁，称环刀与土的质量，准确至0.1g，并填入表1中。

5）本实验需进行二次平行测定，其平行差值不得不大于0.03g/cm3，求其算术平均值，并填入表1中。

2、烘干法测土的含水量

1）先秤量好带有编号的盒盖、盒身的两个铝盒，分别记录重量数值g0并填入表2中。

2）从原状或扰动土样中，选取具有代表性的试样约15～30g或用切环刀土样时余下的试样；对有机质土、砂类土和整体状构造冻土取样为50g左右，放在秤量盒内，立即盖好盒盖，称盒盖、盒身及湿土的重量，准确至0.01g，将数值g1填入表2中。

3）打开盒盖，放入烘箱中在温度105～110C下烘至恒重，烘干时间对粘性土、粉土不得少于8h,对砂土不得少于6h，对含有机质超过干土质量5%的土应将温度控制在65～70OC的恒温下烘至恒重。取出土样，盖好盒盖，秤重并记录干土及铝盒的重量，将数值g2填入表2中。

3、液限、塑限联合测定

1）调整天平平衡，称量铝制称量盒3个，将重量m0填入表3中。

2）取筛过的土样200克分成三份，分别放入三个盛土容器中。加不同水量拌合成不同稠度的试样，置于试杯中，多次插导排除气泡。

3）将仪器放置在平面工作台上，调整水平螺旋脚，使水泡聚中。

4）将仪器的电源插头插好，打开电源开关，预热5分钟。测量前用手轻轻托起锥体至限位处。此时显示屏上的数字为随机数（有时出数字，有时出红点，测量时会自动消除）。

5）将调好的土样放入试杯中，刮平表面，放到仪器的升降面上，这时缓缓地调节升降旋钮，当试杯中的土样刚接触锥尖时，接触指示灯立即发亮，此时停止旋动，然后按“测量”键。

6）测量：按下“测量”键，锥体落下，与此同时，时间音响发出哆！哆······的声音。当测量时间一到，叫声停止，此时显示屏上显示出5秒钟的入土深度值，第一次测量下沉深度约为3～4mm，记录该读数填入表中，然后将试样杯中的试样取10克左右，称量湿土加铝盒的重量m1。将湿土样放入烘箱中，烘干后称量干土加盒的的重量m2，将结果填入表3中。向顺时针方向调节升降旋钮改变锥尖与土的接触位置、移出试杯，将锥尖擦干净。

将称量过的三个试样，放入烘箱烘干8小时，取出称量干土加盒的重量，填入表3中

。

O

图1液、塑限联合测定仪

五、实验记录及结果

表1密度实验

湿土质量

试样编号

环刀号

(g)1○

(cm)2○

3

环刀容积密度(g/cm)

③①

②

3

平均密度

备注

(g/cm)4○

3

校核者：计算者：实验者：

表2含水量实验

平均含水量

试样编号

盒号

湿土质量（g）

干土质量（g）

含水量（%）

（%）

①

1)×100②

备注

①②

③(

④

校核者：计算者：实验者：

表3液限、塑限联合实验

试样编号调土碗号称量盒号

圆锥入土深度湿土质量干土质量含水量液限塑限

mmgg%%%

③(

①②

①

1)×100②

塑限指数

土质分类备

校核者：

注

计算者：

实验者：

图2圆锥入土深度与含水量的关系图

六、实验注意事项

1、用环刀切取试样时，应垂直静压，边压边削，勿使环刀内壁与试样间留有空隙。2、切取试样时，一般不应填补。如确需填补，填补部分不得超过环刀体积的1%。3、称量土样时，应考虑系土样细线的质量。

4、天然含水量实验，应在打开土样后立即取样测定，以免水分改变。烘干冷却后应立即称干土质量，以免吸收水分，影响实验结果。

5、烘样恒重的标准与试样数量有关，通常前后两次称量之差不大于称样天平的精度即为恒重。土工实验中常以控制烘样时间使其达到恒重。烘至恒重所需时间，用电热干燥箱，当试样重15～30g时，一般砂土需1-2小时，粉质土约需6-8小时，粘土约10小时。风干土及含水量低的土，可适当缩短烘样时间；湿土量较多或块状土，应延长烘样时间。

6、若土的有机质含量在5-10%时，以采用真空干燥箱低温（70～80℃）烘干试样为宜。当有机质含量超过10%以上，必须采用真空干燥箱。

7、对土中有机质含量不超过5%的粘性土和砂土，需现场测定其含水量时，可用酒精燃烧法

测定。

8、测液限时放锥方法应是锥尖接触土面时，使锥体自由下落受自重力作用下沉，绝不能产生锥体的冲击作用。

9、液限杯中装土时，必须把土中气泡排尽。杯口刮平时宜采用刀刃，刮平次数不宜太多（特别是对塑性指数小于10的轻亚粘土）注意水析现象。

思考题

1、天然密度的测量方法是什么？2、密度和干密度的区别是什么？3、标准小环刀体积是多少？4、测定含水率的目的是什么？5、测定含水率常见的有哪几种方法？6、土样含水率在工程中有何价值？7、土壤液塑联合试验的目的是什么？8、根据试验Il的结果给粘性土状态分类？

实验项目二：土的颗粒分析实验

一、实验目的

土的颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质，级配良好的土密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好，透水性和压缩性也较小。土的颗粒级配是通过土的颗粒分析试验测定的。颗粒大小分析试验是测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数，借以明确颗粒大小分布情况，供土的分类与概略判断土的工程性质及选料之用。

二、实验设备

标准筛、天平、烘箱、研钵、振筛机、瓷盘、毛刷、木碾等。

三、实验原理

筛分法：适用于粒径大于0.074mm的土；比重计法、移液管法：适用于粒径小于0.074mm的土。本试验采用筛分法，对无凝聚性的土进行筛分。

四、实验步骤

1、从风干、松散的土样中，用四分法按下列规定取出代表性试样：

粒径小于2mm颗粒的土取100g——300g；最大粒径小于10mm的土取300g——1000g；最大粒径小于20mm的土取1000g——2000g；

最大粒径小于40mm的土取2000g——4000g；最大粒径大于40mm的土取4000g以上。

2、将称好的试样分批过2mm筛，分别称出筛上和筛下土质量。

3、把大于2mm筛上试样倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中，进行筛分；若2mm筛下的试样数量过多，可以四分法缩分至100～800g，然后也将试样倒入依次叠好的最上层细筛中，进行筛分，细筛也可放在振筛机上震摇，震摇时间一般为10～15min。

4、由最大孔径筛开始，顺序将各筛取下，在白纸上用手轻叩摇晃，至每分钟筛下数量不大于该级筛余质量的1％为止。漏下的土粒应全部放入下一级筛内。并将留在各筛上的试样分别称量。

5、筛后各级筛上和筛底土的总质量与筛前所取试样质量之差不得大于1%。

6、若2mm筛下的土不超过试样总质量的10%，可省略细筛分析；若2mm筛上的土不超过试样总质量的10%，则可省略粗筛分析。

五、实验记录及结果

1、按下式计算小于某孔径土质量百分比：

X=(A／B)×100%

式中：X——小于某孔径土质量百分比（％）；

A——小于某孔径土质量（g）；B——称取试样的总质量（g）。

2、当小于2mm的土样用四分法缩分取样时，试样中小于某孔径土质量百分比：

X=(p×a／b)×100%

式中：p——小于2mm土占总土质量的百分比（％）；

a——通过2mm筛的土样中小于某孔径土质量（g）；b——通过2mm筛的土样中所取试样的质量（g）；

3、按下式计算不均匀系数：

Cu=d60／d10

式中：Cu——不均匀系数；

d60——小于某孔径土质量为60%的粒经（mm）；d10——于某某孔径土质量为10%的粒经（mm）。

4、按下式计算曲率系数：

Cc=d302／(d10×d60)

式中：Cc——曲率系数；

(2-4)(2-3)(2-2)(2-1)

d60——小于某孔径土质量为60%的粒经（mm）；d10——于某某孔径土质量为10%的粒经（mm）。

5、记录数据和计算结果填写表4。

表4

试验方法：土样编号土样说明孔径（mm）

20105210.50.250.075底盘总计备注校核者：

计算者：

试验者：

留筛土质量（g）

风干土质量试验日期累积留筛土质量（g）

筛分法试验

试验日期：

姓名班级

小于该孔径的土质量（g）

小于该孔径的土质量百分数（％）

6、根据记录数据和计算结果画土样筛分曲线（见图3）。

六、实验报告要求

1、试验时应仔细检查分析筛叠放是否正确。2、试验时多震动，严格按要求操作。

3、筛分时要细心，避免土样洒落，影响试验精度。

思考题

1、不同粒组百分含量的变化，对土的工程性质有何影响？2、土的粒径级配累积曲线越陡，说明了什么？

实验项目三：土的固结压缩实验

一、实验目的

测定试样在侧限与轴向排水条件下，变形和压力或孔隙比和压力的关系，绘制压缩曲线，以便计算土的压缩系数a、压缩模量Es等指标，通过各项压缩性指标，可以分析、判断土的压缩特性和天然土层的固结状态，计算土工建筑物及地基的沉降等。

二、实验设备

固结仪（见图4）、环刀、天平、测微表、秒表、烘箱、修土刀、称量盒、滤纸等。

图4固结容器示意图

1-固结容器2-下护环3-环刀4-上护环5-透水石6-加压盖7-量表套杆8-量表架9-试样

三、实验原理

土样在外力作用下便产生压缩，其压缩量的大小与在土样上所加的荷重大小和土样的性质有关。如在相同的荷重作用下，软土的压缩量就大，而坚密的土则压缩量小；在同一种土样的条件下，压缩量随着荷重的加大而增加。施加不同的荷重，可得相应的空隙比，一般分级不要过大。这样，便可绘制压缩曲线并求得压缩系数。

四、实验步骤

1、根据工程要求，用环刀切取试样备用，并测出土样的密度、含水量、和比重。(参见前面的试验)

2、把下护环和大的透水石放入固结容器，并放上一张滤纸。3、将带有环刀的试样，刃口向下小心地装入压缩容器的下护环内。4、再套入上护环，放上滤纸和稍小的透水石，最后放上加压盖。

5、轻轻抬起杠杆，将装好试样的压缩容器放在加压台的正中，使加压横梁的凹槽与加压盖的钢珠紧密结合，然后装上测微表（百分表），并预调百分表大于6mm以上，并检查表是否灵敏和垂直（学生在试验前应熟悉测微表如何读数）。

6、在砝码吊盘上加相当于试样受压约为1kPa的预压荷载，使固结仪的各部分接触良好，并调平加压杠杆，然后调整测微表，使其大指针归零。

7、卸去预压荷载，施加第一级荷载，其大小可视土的软硬程度或工程情况一般采用50、100、200、300、400kPa，或按设计要求，模拟实际加荷情况进行调整。由于试验教学时间的关系，本试验加荷顺序为50、100、200、300、400kPa。

8、在加荷同时开动秒表计时，按规定的时间读数，做完一级，再加下一级荷载，直至全部

荷载完成。在试验过程中，应始终保持加压杠杆的平衡。

9、试验结束后，迅速顺次拆去测微表，卸除砝码，取出环刀，把仪器擦干净。

五、实验记录及结果

1、按下式计算试样的初始孔隙比e0

e0=

(1+w0)Gsρw

1

ρ0

h (1+e)

(3-1)

2、各级荷载下，固结稳定后的孔隙比ei

ei=e0

3、计算某荷载范围内的压缩系数a（KPa）

-1

i

h0

(3-2)

a=

4、计算某荷载范围内的压缩模量ES

ei ei+1

Pi+1 Pi1+eia

(3-3)

Es=

式中：GS—土比重

(3-4)

wn—土样初始含水量（%）ρ0—土样初始密度（g/cm3）h0—土样初始高度（mm）

∑ h

变形量）

i

—在某荷载下试样固结稳定后的总变形量（等于该级荷载下固结稳定读数减去仪器

5、绘制压缩曲线：以土孔隙比为纵坐标，以垂直荷载为横坐标，绘制e-p曲线。如图5所示

。

图5压缩曲线

6、记录数据和计算结果填写表5。

试验编号：时间(

压

百分表读数

力

(mm)

KP

变

变器

样仪

试

表5固结（压缩）试验仪器编号：试验日期：

减少之孔隙比

孔隙比

h e=(1+e0)

h0

ei=e0 ei ei+1Pi+1 Pi

压缩系数

=M h

ei ei+1Pi+1 Pi

KPa

-1

分钟)

a形量(mm)

24(h)

0.005mm/h

形量

h

M=(1+e0)h0

Gs=2.75校核者：

ρ=g/cm

3

ω=%试验者：

Es=MPa

计算者：

六、实验报告要求

1、使用仪器前必须预习，严格按程序进行操作，对仪器不清楚的地方马上问老师。2、加第一级荷载时，应根据土质的软硬程度确定，软粘土加荷量要小些，较密实的硬试样，加荷可大些。试验过程中不能卸载，百分表也不用归零。

3、随时调整加压杠杆，使其保持平衡。

4、加荷时应轻拿轻放，不得对仪器产生震动。在试验过程中应保持杠杆水平。总荷重不能超过加压设备的最大承受荷载。

5、试验前，应检查仪器各部件上是否灵敏，完好。如有必要应对压缩仪器进行校正，并测定压缩仪的变形量。试验完毕，卸下荷载，取出土样，把仪器打扫干净

思考题

1、压缩系数a1-2和压缩模量ES有何关系？

2、根据压缩系数a1-2的大小，来判断本实验土的压缩性高低？

实验项目四：土的直剪试验

一、实验目的

测定土的抗剪强度和土的内摩擦角、粘聚力，为计算地基强度和稳定性计算提供基本数据

二、实验设备

应变式直剪仪（见图6）、环刀、测微表、秒表、天平、烘箱、蜡纸、修

土刀等。

图6应变控制式直接剪切仪

1-剪切传动机构；2-推动器；3-下盒；4-垂直加压框架；5-垂直位移计；6-传压板；7-透水板；8-上盒；9-储水盒；10-测力计；11-水平位移计；12-滚珠；13-试样

三、实验原理

测定土的抗剪强度指标φ和c，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。通常采用不少于3个试样，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力，测得试样破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角φ和粘聚力c。

快剪试验：在试样上施加垂直压力后立即快速施加水平剪应力。

固结快剪试验：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。慢剪试验：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。本试验采用快剪试验

四、实验步骤

1、用环刀切取3～4个试样备用，并测相应的含水量和密度。2、安装好剪切盒，插入销钉，在下盒透水石上放一张腊纸。

3、将带试样的环刀平口向下，对准上盒盒口放好，在试样上面顺序放腊纸和透水石，然后用将试样平稳推入剪切盒中，移去环刀，放上加压盖。

4、本试验的加荷顺序为，对一般的粘性土、砂土，宜采用50、100、200、300KPa或100、200、300、400KPa的垂直应力。

5、按顺时针方向徐徐转动手轮至上盒前端的钢珠刚好与量力环接触（即量力环内的测微计指针刚好开始移动），调整测微计读数为零。

6、拔去销钉，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5mm时为止。注：手轮每转一圈推进下盒0.2mm。

7、剪切结束后，倒转手轮，顺序去掉荷载、加压框架、加压盖与上盒，取出试样。8、重复上述步骤，做其它各垂直压力下的剪切试验。9、全部做完后，取下土样，把仪器打扫干净。

五、实验记录及结果

1、按式下式计算剪应力：

τ＝C1×R

式中：τ——剪应力（kPa）；

R——量力环中测微表读数（0.0lmm）；C1——量力环校正系数，（kPa/0.01mm）。

2、按下式计算剪切位移：

L＝20×n－R

式中：L——剪切位移（0.01mm）；

n——手轮转数。

R——量力环中测微表读数（0.0lmm）。

3、以剪应力τ为纵坐标，剪切位移L为横坐标，绘制剪应力τ与剪切位移L关系曲线（见图7）；以剪应力τ为纵坐标，垂直压应力P为横坐标（注意纵、横坐标比例尺应一致），绘制剪应力τ与垂直压应力P的关系曲线（见图8），该直线的倾角即为土的内摩擦角φ（°），该直线在纵坐标上的截距即为土的粘聚力c（kPa）

。

(4-2)(4-1)

图7τ~L关系曲线图8τ~p关系曲线

4、记录数据和计算结果填写表6。

表6

仪器编号：

直接剪切试验

试验日期：

小时mm分钟KPa·0.01mm

工程编号：

试样编号：仪器编号：手轮转速：垂直压力：抗剪强度：手轮转数（N）

转/分KPaKPa

量力环百分表读数(0.01mm)

固结时间：压缩量：剪切历时：量力环系数：

剪切位移(0.01mm)

剪应力(KPa)

手轮转数（N）

量力环百分表读数(0.01mm)

剪切位移(0.01mm)

剪应力(KPa)

校核者：计算者：试验者：

六、实验报告要求

1、透水石应经常保持平整、清洁、透水性良好。

2、开始剪切时，一定要切记拔掉销钉，否则试样报废，而且会损坏仪器，若销钉弹出，还有伤人的危险。。

3、加第一级荷载时，应根据土质的软硬程度确定，软粘土加荷量要小些，较密实的硬试样，加荷可大些。

4、加荷时应轻放砝码，避免冲击和摇晃。在实验过程中应保持杠杆水平。总荷重不能超过加压设备的最大承受荷载。

5、实验前，应检查仪器各部件上是否灵敏，完好。如有必要应对压缩仪器进行校正，并测定压缩仪的变形量。

思考题

1、直接剪切试验目的是什么？2、直剪试验的方法有哪几种？3、库伦定律中各参数的含义是什么？

执笔人：缑勇审核人：袁建议2009年9月1日

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ii1j.html