土工实验指导书

土工试验指导书

长春工程学院 岩土工程测试实验室 2010.11.18 目 录

实验一 含水率试验（烘干法） 实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七 密度试验（环刀法） 土粒密度（比重）试验 土的液限、塑限试验 土的固结试验（快速法） 土的直接剪切试验（快剪）土的击实试验

2

实验一 含水率试验（烘干法）

１. 基本原理

土的含水量是试样在105 ~ 110 0C下烘至恒量时失去的水质量和干土质量的比值，用百分比表示。含水量是土的基本物理性指标之一，它是计算土的干密度，孔隙比，饱和度等的必要指标，亦是检测土工构筑物施工质量的重要指标。

目前国内外测定含水量的方法有多种。主要有烘干法，酒精燃烧法，砂土炒干法等。但能确定质量，操作简便又能符合含水量定义的试验方法仍以烘干法为主。

２. 适用范围

本试验方法适用于粘性土、砂性土和有机质土类。

３. 仪器设备

(1). 烘箱：可采用电热烘箱或温度能保持100 ~105 0C的其它能源烘箱，也可用红外线烘箱。 (2). 天平：称量200g；感量0.01g。 (3). 其它：，干燥器，称量盒等。

４. 操作步骤

（１）.取具有代表性试样，粘性土为１５~ 20 g ，砂性土，有机质土为 50 g ，放入称量盒内，盖上盒盖，称湿土质量，精确至0.01g 。

（２）.打开盒盖，将称量盒置于烘箱内，在100 ~ 105 0C恒温下烘干。烘干时间对粘性土不得少于８h，对砂性土不得少于６h。对含有机质超过 ５％ 的土，应将温度控制在65~70 0Ｃ的恒温下烘干。

（３）.将称量盒从烘箱中取出，盖上盒盖，放入干燥容器内冷却至室温，称干土质量，精确至0.01g 。

５. 成果整理

(1).试样的含水量，应按下式计算，精确至0.1%

m0?1)?100?(w0md 式中W0―土的含水量 ％； m0―试样湿质量（ g ）； md――试样干质量（ g ）。

(2).含水量试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％ ；大于40％时不得大于２％ 。取两次测值的平均值。 (3).记录格式见表 1－1

3

６. 注意事项

(1).试验规定烘干湿度为105 ~110 0C，这是因为：①取决于土的水理性质 ；②目前国外一些重要土工试验标准，烘干湿度在100 ~ 115 C之间，而多数以105 ~ 115 C 为标准，故本试验采用105 ~ 110 C 。

(2).试样烘至恒量所需的时间与土的类别及取土数量有关。本试验规定土量为15 ~ 30 g对砂性土宜烘6 ~8 h ，粘性土宜烘8~10 h。砂性土、砾质土因持水性差，颗粒大小相差悬殊，水分变化大，所以试验应多取一些，本试验规定取50g 。对有机质含量超过５％的土，因土质不均匀，采用烘干法时，除注明有机质含量外，亦应取50g 。

(3).含有机质土在100 ~ 105 C湿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，使测得的含水量比实际的含水量大，土中有机质含量越高误差就越大。故本试验对有机质含量超过５％的土，规定在６５~７０0Ｃ的恒温下进行烘干。

(4).进行含水量试验时，常因试样代表性不足，而使测定结果失支实际意义，因此选取土样时需细心拌和均匀。此外，含水量试样应根据试验目的和要求选取。若为了了解全土层综合而概略的天然含水量，可沿土剖面竖向切取土样，如是配合压缩，抗剪强度，渗透试验，应在切取试样环刀的上下两面选取土样。

(5).烘干的试样应先冷却再称质量，一是避免因天平受热不均影响精度，二是防止热土吸收空气中的水分。为此，试样应放在装有干燥剂（如氯化钙）的缸内冷却，缸口涂以凡士林，与外界空气隔绝，试样在干燥缸内冷却至室温 ，即可称质量。

７. 思考题

（１）为什么粘性土烘的时间要长？ （２）当土中有机质含量高时，为什么测得的含水量比实际的含水量要大？ 如何减少误差？

0

0

0

0

4

实验二 密度试验（环刀法）

１. 基本原理

土的单位体积质量为土的密度。在天然含水量情况下的密度称为天然密度。测定密度的目的为了了解土体内部结构的密实情况。工程中需要以容重值表示时，将实测密度值乘以换算系数即可。

测定土的密度的方法有很多，主要有环刀法，蜡封法，灌水法，灌砂法等，它们适用于不同的土质情况，下面分别作一介绍。

２. 适用范围

本试验方法适用于粘性土，是最常用的实验室方法。

３. 仪器设备

①.环刀：内径为61.8±0.15mm和 79.8±0.15mm高度为20±0.016mm。 ②.天平：称量500g；感量0.1g； ③.其他：修土刀，钢丝锯，凡士林等。

4. 操作步骤

①按工程需要取原状土或制配所需状态的拢动土，整平两端，将环刀内壁涂一薄层凡士林，刀口向下放在上。

②用修土刀（或钢丝锯）将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。

③擦净环刀外壁，称环刀与土盒质量m1 ,准确至0.1g 。

3

④ 本试验须进行二次平行测定，其0.03g/cm 。求其算术平均值。

５.成果整理

１.按下列公式计算密度 ??m1?m2 V3 式中：?－湿密度，g/cm； m1－环刀与土样之质量，g ； m2－环刀的质量，g ； V－土的体积，cm。 计算准至0.01g/ cm。 ２. 记录格式见表1—2

33 5

实验三 土粒密度（比重）试验

一. 基本原理

土粒密度是指土的固体部分的单位体积的质量。

土的固体部分质量可用精密天秤测得。相应之土粒的体积一般应用排除与土粒同体积之液体的体积方法测得。通常用比重瓶法测定土粒的体积，此法适用于粒径小于5mm或者含有少量5mm颗粒的土。粒径大于5mm的土则用虹吸筒法，该方法的原理是将颗粒放入盛有一定水位的虹吸筒中，排开的水量即为试样的体积。对于砂土可用大型的李氏比重瓶法，其原理与虹吸筒法相似。

在用比重法测定土粒体积时，必须注意所排除的液体体积确能代表固体颗粒的真实体积。土中含有气体，试验时必须把它排尽，否则影响测试精度，可用煮沸法或抽气法排除土内气体。所用的液体一般为蒸馏水。若土中含有大量的可溶盐类、有机质、胶粒时，则可用中性液体，如煤油、汽油、甲苯和二甲苯，此时必须用抽气法排气。

二. 仪器设备

1. 比重瓶 容量100cm3或者50cm3；有毛细式与长颈式两种； 2. 分析天秤 感量0.001g，称量200g； 3. 砂浴（或可调电加热器）； 4. 真空抽气设备；

5. 恒温水槽；

6. 温度计 测定范围0－50℃，精确至0.5℃；

7. 其它 烘箱、蒸馏水、中性液体、小漏斗、干毛巾、小洗瓶、磁钵及研棒、孔径为

2mm筛等。 三. 操作步骤 １．土样的制备

取有代表性的风干土样约100g，充分研散并全部过2mm的筛。将过筛风干土及洗净的比重瓶在100－105℃下烘干，取出后置于干燥器内冷却至室温称量后备用。 ２．测定干土的质量

称烘干土15g通过漏斗倾入已知质量的烘干比重瓶中，然后在分析天平上称得瓶加土的质量，减去瓶的质量即得土粒质量ms。

３．煮沸（或抽气）排气

（１）煮沸排气 注蒸馏水于盛有土样的比重瓶中至半满，轻摇比重瓶使土粒分散，将瓶置于沙浴上煮沸，由开始沸腾时算起，若为砂土及亚砂土煮沸时间应不少于30分钟，粘土及亚粘土应不少于1小时，以排除气体。

(2 )抽气排气 将盛有土样及半满蒸馏水之比重瓶放在真空抽气缸内，接上真空泵，真空度应接近一个大气压，直至摇动时无气泡逸出为止，抽气时间一般为1－2小时。

4. 测定瓶加水加土之质量

6

（1）若用煮沸排气法时，煮沸完毕后，取出比重瓶冷却至室温，注蒸馏水于比重瓶中（毛细式注至近满加盖，长颈式则注至近刻度处）。然后将比重瓶置于恒温水槽内待温度稳定，瓶内上部悬液澄清后，取出比重瓶。

（2）若为毛细式比重瓶应注蒸馏水至瓶口，塞上瓶塞，使多余的水自毛细管中溢出。瓶塞塞好后，瓶内不应留有空气，如有应再加水重新塞好。将瓶外水分擦干后称量，得瓶、水、土之质量m1称完后立即测定瓶内悬液之温度。

若为长径式比重瓶，应加蒸馏水于刻度处，擦干瓶外水分称量。

5. 测定瓶加水之质量

倒掉瓶中悬液，洗净比重瓶，灌满蒸馏水加盖，恒温约15分钟，使瓶内蒸馏水温度与悬液的温度一致。检查瓶内有无气泡，若有，需排除之。然后擦干瓶外水分称量，得瓶加水的质量m2。

6. 按下式计算土粒的密度，准确至0.01g/cm3。 ?s?ms?wt

m1?ms?m2式中：ms－土粒的质量，g； m1－瓶加水加土的质量，g； m2－瓶加水的质量，g；

?wt－t℃时蒸馏水的密度，可由表Ⅰ－Ⅰ查得。

7. 本实验须进行两次平行测定，取其算术平均值，其平行差值不得大于0.02g/cm。

水温℃ 水的密度g /cm3 表Ⅰ－Ⅰ 不 同 温 度 时 水 的 密 度

4.0 ~ 12.5 12.5 ~ 19.0 19.0 ~ 23.5 23.5 ~ 27.5 30.5 ~ 33.0 1.000 0.999 0.998 0.997 0.995

27.5 ~ 30.5 0.996 3 四. 注意事项

1.煮沸（或抽气）排气时，必须防止悬液溅出瓶外，火力要小，并防止煮干。必须将土 中气体排尽，否则影响实验成果。

2.必须使瓶中悬液与蒸馏水的温度一致。

3. 称量必须准确，测定m1及m2时，必须将比重瓶外水分擦干。

4.若用长颈式比重瓶，液体灌满比重瓶时，液面位置前后必次应一致，以弯液面下缘为准。

五. 思考题

1. 土中空气如不排除，所得土粒密度偏大不是偏小？为什么？

2. 在测定粘粒含量多的土粒密度时用蒸馏水测得的结果是偏大还是偏小？为什么？

7

实验四 土的液限、塑限试验

一. 基本原理

在界限含水率中，意义最大的是从粘流状态过渡到粘塑状态的液限（wL）和从塑态过渡到半固态的塑限（wP），土的塑性指数是液限与塑限之差（Ip?wL?wp），它是表示土的塑性强弱的指标。

理论上，液限时土出现一定的流动阻力，即有最小可量度的抗剪强度。国内外测定液限的方法使用两种不同仪器：瓦氏锥式仪和卡氏碟式仪。前者是前苏联A﹒M﹒瓦西里耶夫经多次试验认为锥面30°重0.76N的圆锥体，沉入土体的深度10mm时的含水率就是液限。后者是美国卡萨格兰德所研制的用专门的半圆形铜碟，将土平铺碟中，用划刀分成两半，以每秒2次的速率将碟由10mm高度落下。当下落击数为25次时，原来被划刀分成两半的土在碟底的合拢长度恰好达到13mm时，其含水率就是液限。通过计算，锥式仪液限土的抗剪强度为8.4kPa，碟式仪液限的抗剪强度为2.7kPa。国内外学者多数认为碟式仪液限的抗剪强度值符合基本物理意义。但手续较繁琐，强度带有扰动的性质，方法有改善的必要。锥式仪液限的抗剪强度过大，用此所得含水率偏小，但强度属静力性质，测试简易，适当改进可以推广运用。研究表明，用瓦氏圆锥仪，土体下沉17mm时的含水率大致相当于卡氏碟式仪液限，可以等效碟式仪液限。

因此，在使用液限时，应标明何种仪器测得，即目前我国所测得的液限有三种： ①锥式仪液限（下沉10mm）；

②锥式仪液限（下沉17mm），等效碟式仪液限； ③碟式仪液限。

我国广泛使用10mm锥式液限仪，积累了大量资料，没有特别注明的液限均属于此种液限。

土的塑态与固态间的界限含水率称土的塑限。塑限的测定方法主要根据土处于塑态时可塑成任意形状也不产生裂纹，处于固态时很难搓成任意形状，若勉强搓成时，土面要发生裂纹或断折等现象，这两种物理状态特征作为塑态和固态的界限。即当土搓成一定粗细的土条表面开始出现裂纹时的含水率，即为塑限。

此外，我国还采用圆锥式液塑限联合测定仪，它是用瓦氏圆锥仪在专门的仪器上测定土在不同含水率时的圆锥入土深度，在双对数坐标纸上绘成圆锥入土深度与含水率的关系直线。在直线上分别查得圆锥入土深度17mm、10mm和2mm时的相应含水率，认为就是碟式仪液限（等效）、锥式仪液限和塑限。

8

二．液限试验(圆锥法)

（一）.仪器设备

１． 铝盒、调土杯及调土刀； ２． 锥式液限仪（图I－1）； ３． 天平 感量0.01g; ４． 筛 孔径0.5mm； ５． 磁钵和橡皮头研棒； ６． 烘箱；

７． 干燥器。

图1－1 锥式液限仪

1.手柄; 2.锥体; 3.平衡锥; 4试杯; 5.底座; 6.试样 (二). 操作步骤

1． 制备土样

取天然含水率的土样50g捏碎过筛，若天然土样已风干，则取样80g研碎过0.5mm筛。加蒸馏水调成糊状，盖上湿布或置保湿器内12小时以上，使水分均匀分布。 2． 装土样于试杯中

将备好的土样再仔细拌匀一次，然后分层装入试杯中，用手掌轻拍试杯，使杯中空气逸出，土样填满后，用调土刀抹平土面，使之与杯缘齐平。

３． 放锥

(1). 在平衡锥尖部分涂上一薄层凡士林，以姆指和食指执锥柄，使锥尖与试样面接触并保持锥体垂直，松开手指，使锥体在其自重作用下沉入土中，注意放锥时要平稳，避免产生冲击力。

(2). 放锥15秒钟后，观察锥体沉入土中的深度，以土样表面与锥接触处为准，若恰为10mm（锥上有标志），则认为这时的含水率就为液限。若锥体入土深度大于或小于10mm时，表示试样含水率大于或小于液限。此时应挖去沾有凡士林的土，取出全部试样放在调土杯中，使水分蒸发或加蒸馏水重新调匀，直至锥体下沉深度恰为10mm为止。

有些圆锥也刻有17mm的标志，若锥体下沉深度恰为17mm，此液限为17mm液限，等效碟式液限。

４． 测液限含水率

将所测得的合格试样，挖去沾有凡士林的部分，取锥体附近试样少许（约15－20g）放入铝盒中测定其含水率，此含水率即为液限。

5． 本实验须做两次平行测定，计算准确至0.1%，取算术平均值，两次平行差值不得大于2％。

(四). 注意事项

1. 若调制土样含水率过大，只许在空气中晾干或用吹风机吹干，也可用调土刀搅拌或用手搓捏，切不能加干上或放在电炉上烘烤。

2. 放锥时要平稳，避免产生冲击力。

9

3. 从试杯中取出土样时，必须将沾有凡士林的土弃掉，方能重新调制或者取样测含水率。

(五). 思考题

1. 平衡锥放入土中时，为何不能随意放下？ 2. 放锥后土面发生什么样的变化？

三．塑限试验（滚搓法）

(一).仪器设备

１． 铝盒、调土刀、调土杯、滴瓶； ２． 磁钵及橡皮头研棒； ３． 天平 感量0.01g；

４． 烘箱、干燥器、电热吹风器； ５． 筛 孔径0.5mm；

６． 毛玻璃板 约300×200mm。

(三). 操作步骤 1. 制备土样

按液限试验制备试样，但加的水分要少，使土团不沾手。 2. 搓条

取一小块试样在手中揉捏至不沾手，用手指捏成椭球形，置于毛玻璃板,上用手掌轻轻搓滚，手掌用力要均匀，土条长度不能超过手掌宽度，土条不能出现空心现象，当土条搓至直径为3mm时，产生裂纹并开始断裂，此时的含水率恰为塑限。若土条搓至3mm仍未产生裂纹，表示该试样含水率高于塑限，应将土条重新揉捏，再搓滚之。若土条直径大于3mm就断裂，表示其含水率低于塑限，应弃去，重新取土揉捏搓滚，直至达到标准为止。每搓好一合格的土条后，应立即将它放在铝盒里，盖上盒盖，避免水分蒸发，直到土条达3－5g为止。 3. 测塑限含水率

将放在铝盒中的土条称量，烘干后再称干土的质量，计算含水率。

4 .本试验须做两次平行测定，取其算术平均值，计算准确至0.1%，两次平行差值，粘土、 亚粘土不得大于2％，亚砂土不大于1％。

5. 用测得之液限与塑限值计算塑性指数，并按塑性指数分类定出土名。

6. 应用测得之液限、塑限、天然含水率计算液性指数，并评价土所处的稠度状态。

(四). 注意事项

1. 搓滚土条时必须用力均匀，以手掌轻压，不得作无压滚动，应防止土条产生中空现象，所以搓滚前土团必须经过充分的揉捏。

2. 土条在数处同时产生裂纹始达塑限，如仅有一条断裂可能由于用力不均而产生。产 生的裂纹必须呈螺纹状。

10

四.液限、塑限联合测定试验

除使用专门的联合测定仪外，其他设备与测液限同，主要操作步骤如下：

1．制备土样 按液限试验制备土样的要求，取代表性土样约300g，分放在三个调土皿中，加蒸馏水调制成三种不同含水率的土膏，并盖上湿布静置12小时以上。三种不同含水率分别控制圆锥入土深度大致在17mm、10mm、３mm附近。

2．装土进杯 将某一含水率的调土皿中的土膏用调土刀充分搅拌均匀，密实，填入试样杯中，填满后刮平表面，将杯放在联合测定仪的升降杯座上。

3．放锥入土 在圆锥上抹一厚层凡士林，接通电源，使电磁铁吸住圆锥。调整升降座，使圆锥尖接触试样面。调节读数零点，关断电源，使圆锥失磁而自重下沉土中，约5秒后测读圆锥入深度。

4．测含水率 取出试杯，取部分试样测定含水率。重复以上步骤，再测定另两试样的圆锥入土深度及含水率。

5．绘制曲线 以含水率为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标，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直线，在入土深度为2mm处查得相应两个含水率，当两个含水率差值小于2％时，应以该两点含水率的平均值与高含水率的点连成一直线，作为关系直线，否则应补作低含水率的点。 6．定液塑限 在关系直线上查得入土深度17mm所对应的含水率为17mm液限（等效碟式仪液限），深度10mm所对应的含水率为 10mm液限（即习惯的锥式仪液限），深度2mm 所对应的含水率为塑限，取值至整数。

图1－2 锥入土深度与含水率 (h － w) 关系图

思考题

１ 土的液限、塑限的物理意义是什么？ ２ 搓条法测定土的液、塑限有那些不足？ ３液、塑限联合测定土的液、塑限时有哪些优点？

11

实验五 土的固结试验

一、基本原理

土的压缩性是指土在压应力作用下发生压缩变形，体积被压缩变小的性能。饱水土在压应力作用下，由于孔隙水的不断排出而引起的压缩过程称为渗透固结，因此，饱水土的压缩试验亦称固结试验。固结试验是将土样放在金属器内，在有侧限的条件下施加压力，观察土在不同压力下的压缩变形量，以测定土的压缩系数、压缩模量、压缩指数、固结系数、前期固结压力等有关压缩性指标，作为工程设计计算的依据。

一般压缩仪有杠杆式和磅秤式两种，杠杆式压缩仪是用砝码通过杠杆加压，压力仅为0.4－0.6MPa，基本上能满足一般工程要求，且数台仪器可装在一个试验台架上，占地面积小，便于管理，目前被广泛采用。磅秤式压缩仪是通过带有加压框架的磅秤施加压力，仪器压力可达5MPa，适用于较大工程，可以用来测定压缩指数和前期固结压力、固结系数等指标，本实验采用杠杆式压缩仪。

固结试验中每级压力的施加，是在前一级荷重下压缩至稳定后施加的，按稳定标准的不同，通常将固结试验分为两类：

1．稳定压缩 每级压力下24小时为压缩稳定标准，测记试样高度变化后，即可施下级压力，是各类规范的常规标准；对某些渗透系数大于10

?5cm/s的粘性土，允许以一小时内试

样变形量不大于0.005mm作为相对稳定标准，结果能够满足工程要求。

2．快速压缩 在各级压力下，压缩时间规定为一小时，仅在最后一级压力下，除测记一小时变形量外，还测读到稳定标准（24小时）时的变形量，然后在整理资料时，根据最后一级变形量，较正前几级压力下的变形量，当试验要求精度不高时，可采用快速压缩法。

图1－3 杠杆式压缩仪装置示意图 图1－4 压缩容器示意图 1. 测微表；2.上部横梁; 3. 压缩容器; 4.水平台; 5.上部 1.测微表; 2.加压盖; 3.固定环; 4环刀; 固定螺丝; 6.下部固定螺丝; 7.平衡锤; 8.杠杆; 9.砝码盘 5.透水石; 6透水底板; 7容器外壳

12

二、

仪器设备

1． 杠杆式固结仪，包括加压及测压装置，压缩容器和测微表； 2． 测含水率和密度所需的设备； 3． 其它：滤纸、钟表等。

三、

操作步骤

1．试样制备 按工程要求取原状土或制备所需状态的扰动土样，按测定土的密度的方法用环刀切取土样，测定土的密度，并同时取土测定土的含水率和土粒密度。

2．安装环刀 将装有土样的环刀外壁涂上凡士林油后，刃口向下套上护环，按图 I－4安装容器，首先将底板放在容器内，底板上顺次放洁净湿润的透水石和滤纸各一。再借提环螺丝将护环（内有环刀及试样）放到容器内，然后再在试样顶上顺次放入洁净润湿的滤纸和透水石，最后放上加压导环和传压活塞。

3．检查设备 检查加压设备是否灵敏，调整平衡锤使杠杆水平，然后用下部支撑螺丝顶住。

4．安置容器 将装好试样的压缩容器放到水平台固定位置，再将上部加压框架放上，安置测微表。

5．施加预压 为保证试样与仪器上下各部件之间接触良好，应施加1KPa的预压荷重。调整测微表读数至零点。

6． 加压观测

(1 ). 加第一级荷重，其大小视土的软硬程度分别采用0.0125,0.025和0.05Mpa，同时记录加荷时间，在试验过程中，应始终保持加荷杠杆水平，加压时将砝码轻放在砝码盘上。 (2 ). 如系饱和试样，则在施加第一级荷重后，立即向容器中注水至满，如系非饱和试样，须以湿纱布围住上下透水石四周，避免水分蒸发。 (3 ). 加荷后每隔一小时读测微表一次，以压缩满24小时为标准，或以每小时变形量不大于0.005mm，即认为变形稳定。测记读数后，施加下一级荷重。依此逐级加荷至试验终止。 (4 ). 荷重级增量不宜过大，视土的软硬程度及工程情况而定，一般顺序为0.025，0.05，0.1，0.2，0.3Mpa或按设计要求，模拟实际加荷情况，适当调整。最后一级荷重应大于土层计算压力的0.1－0.2Mpa。

(5 ). 快速法则每小时观察测微表读数后即加下一级荷重，但最后一级应观察到压缩稳定为止（24小时）。 (6 ). 如需作卸荷膨胀试验，可于最后一级荷重下变形稳定后卸荷，每次卸去两级荷重，直至卸完为止。每次卸荷后的膨胀变形稳定标准与加荷同，并测记每级荷重及最后无荷时的膨胀稳定变形量。

7．拆除仪器 退去荷重后，拆去测微表，排除仪器中水分，按与安装相反的顺序拆除各部件，取出带环刀的试样。必要时测定试样的试验后的含水率。将仪器擦净，涂油放好。

8．仪器变形校正 考虑压缩仪器本身及滤纸变形所产生的变形，应做压缩量的校正。校正方法按下述步骤进行：以与试样相同大小的金属块代替土样放入容器中，然后与试验土样步骤一样，分别在金属块上加同等压力，每隔十秒钟加荷一次，测记各级荷重下测微表读数，加至最大荷重，记下测微表读数后，按与加荷相反的次序，每十分钟退荷一次，测记测

13

微表读数，至荷重完全卸除为止。

按压缩试验步骤拆除仪器，重新安装，重复以上步骤再进行校正，取平均值作为各级荷重下仪器的变形量，其平行差值不得超过0.01mm。

在生产中，每个仪器都事先作好变形校正曲线，初学者为练习仪器的使用，此步骤可以在正式试验前作好。

四、 成果整理

1． 计算各级荷重下的试样变形量 （1） （2）

稳定压缩法：某一荷重下压缩稳定后的总变形量?Δhi为该荷重直测微表读数减去快速压缩法：按下式计算某荷重下试样校正后的变形量?Δhi：

(hn)T (hn)t仪器变形量。

?Δhi＝(hi)t式中：?Δhi－某荷重下校正后的变形量，mm ；

(hi)t－某荷重下压缩一小时的总变形量减去该荷重下的仪器变形量，mm； (hn)t－最后一级荷重下压缩一小时的总变形时减去该荷重下的仪器变形量，mm； mm。

2． 按下式计算试样的初始孔隙比e0 e0??s(1?w0)?1 ?03 (hn)T－最后一级荷重下达到稳定标准的总变形量减去该荷重下的仪器变形量，

式中：?s－土粒密度，g/ cm； ?0－试样初始密度，g/ cm；

w0－试样初始含水率，以小数计。

3． 按下式计算各级荷重下变形稳定后的孔隙比ei

?h??(1?e)0i3 ei?e0h0

式中：h0－试样初始高度，mm。

4． 按下式计算各级荷重下的压缩系数?和压缩模量ES ?＝ Es?e?ei?1 （ＭPa?1）

pi?1?pi1?e0? (ＭPa)

式中：pi－某一级荷重值，ＭPa。

5． 将计算成果填入成果表中，并作孔隙比e与压力p的关系曲线。

14

图1－5 压缩曲线

五、

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，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（取）砝码。 六、

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？ ３. 通过固结试验可以得到哪些指标参数？

4. 如何求得压缩系数？工程上如何根据压缩系数的大小来判别土的压缩性？ 5. 土的前期固结压力如何确定？

15

实验六 土的直接剪切试验

一. 基本原理

直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法。试验的原理是根据库伦定律，土的内磨擦力与剪切面上的法向压力成正比。将同一种土制备几个土样，分别在不同的法向压力下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力进行剪切，得其剪坏时剪应力，即为抗剪强度τ

f 。然

后根据剪切定律确定土的抗剪强度指标υ和c。

直接剪切仪按施加剪力的方式不同，分为应变控制式和应力控制式两种。应变控制式是通过弹性钢环变形控制剪切位移的速率，应力控制式是通过杠杆用砝码控制施加剪应力的速率，测相应的剪切位移。目前多以应变控制式为主，应力控制式施加砝码时易引起冲击力，使用不多，只适宜作慢剪或长期强度试验。

按土样在荷重作用下压缩及受剪时的排水情况不同，试验方法可分三种：

1．快剪法（或称不排水剪） 即在试样上施加垂直压力后，立即加水平剪切力。在整个试验中，不允许试样的原始含水率有所改变（试样两端用隔水纸），即在试验过程中孔隙水压力保持不变（3－5分钟内剪坏）。

2．慢剪法（或称排水剪） 即在加垂直荷重后，使其充分排水（试样两端用滤纸），在土样达到完全固结时，再加水平剪力，每加一次水平剪力后，均需经过一段时间，待土样因剪切引起的孔隙水压力完全消失后，再继续加水平剪力。

3．固结快剪法 在垂直压力下土样完全排水固结稳定后，以很快速度施加水平剪力。在剪切过程中不允许排水（规定在3－5分钟内剪坏）。 上述三种方法的试验结果，由于受力条件不同，所得抗剪强度不同，因此，必须根据土所处的实际应力情况来选择试验方法。

直接剪切试验不能严格控制排水条件，以土样所受的总应力为计算标准，故所得强度为总应力强度。施加某一垂直压力σ后，逐渐施加水平剪应力τ，同时测得相应的剪切位移ΔL，直至土样剪坏为止。通常以剪应力的最大值（峰值）或稳定值作为抗剪强度τf ，如无明显变化，以剪切位移等于4mm（土样直径64mm）的剪应力值作为土的抗剪强度。

二. 仪器设备

1. 直接剪切仪：应变控制式直剪仪或应力控制式直剪仪。

2. 其它：天平、修土刀、环刀、推土器、凡士林、滤纸或蜡纸、秒表、直尺、测角器等。 三. 操作步骤

1. 切取土样

按工程的需要，用已知质量、高度和面积的环刀，取相同试样4－5个，并测其密度，密度差不大于0.03g/cm3,取余土测含水率。

2. 检查仪器

(1 ). 检查竖向和横向传力杠杆是否水平，如不平衡时调节平衡锤使之水平； (2 ). 上下销钉和升降螺丝是失灵；

(3 ). 检查测微表灵敏性；

(4 ) .上下盒间接触面及盒内表面涂薄层凡士林，以减少摩阻力；

(5 ). 对应变控制式直剪仪尚需检查弹性钢环两端是否能与剪切容器和端承支点接紧；将手轮逆时针方向旋转使推进器与容器离开，然后将推进器的保险销钉拧开，检查螺母轮或涡杆与螺丝槽有无脱离现象。

16

图1－6 应变控制式直接剪切仪示意图

１．轮轴；2.座底；3.透水石；4.测微表；5.活塞；6.上盒；7.土样8.下盒；9.测微表；10.量力环；

四. 操作步骤 3. 切取土样

按工程的需要，用已知质量、高度和面积的环刀，取相同试样4－5个，并测其密度，密度差不大于0.03g/cm3,取余土测含水率。

4. 检查仪器

(1 ). 检查竖向和横向传力杠杆是否水平，如不平衡时调节平衡锤使之水平； (2 ). 上下销钉和升降螺丝是失灵； (3 ). 检查测微表灵敏性；

(4 ) .上下盒间接触面及盒内表面涂薄层凡士林，以减少摩阻力；

(5 ). 对应变控制式直剪仪尚需检查弹性钢环两端是否能与剪切容器和端承支点接紧；将手轮逆时针方向旋转使推进器与容器离开，然后将推进器的保险销钉拧开，检查螺母轮或涡杆与螺丝槽有无脱离现象。

5. 安装试样

(1). 对准上下盒，插入固定销。在盒内放入透水石一块，其上覆隔水蜡纸（快剪）或湿滤纸（固快、慢剪）一张；

(2). 顺次加上活塞、钢球及加压框架。

6. 垂直加荷

每组试验至少取四个试样，在四种不同垂直压力下作剪切试验，垂直压力是由现场预期的最大压力决定，一般垂直压力分别为0.1、0.2、0.3、0.4Mpa。各垂直压力可一次轻轻施加，若土质松软。也可分次施加以防土样挤出。

每级垂直荷重下所需固结时间按:

(1). 慢剪法和固结快剪法，要求土样垂直变形在每小时内小于0.005mm，才认为固结达到稳定。

(2). 快剪法在加垂直荷重后，立即进行剪切。

7. 水平剪切

（1）应变控制式直接剪切仪 转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与量力环接触。调整量力环中的测微表读数为零。

施加垂直压力后拔出固定销，开动秒表，固结快剪和快剪法以每分钟4－12转均匀速率旋转手轮，使试样在3－5分钟内剪坏。如量力环中测微表指针不再前进，或者显著后退，表

17

示试样已剪坏，一般宜剪至剪切变形达到4 mm。若测微表指针继续前进，则剪切变形应超过6mm才能停止。同时测记手轮转数n和量力环测微表读数R，剪切位移ΔL＝20n-R(ΔL和R的单位都为0.01mm)。慢剪法剪切速率应小于0.020－0.025mm/min，一般用电动装置。

（2）应力控制直剪仪 当试样在垂直荷重作用下垂直变形达到要求后，拔出固定销钉，用升降螺丝使盒微微抬起0.1－1.0mm，其后按以下标准加水平荷重：

① 固结快剪和快剪法，水平加荷速率控制在3－5分钟内将试样剪断。为此，每隔15－20秒钟加下级水平荷重。每次加荷前测记水平测微表读数。当在某级水平荷重下水平变形不停止，测微表继续移动时，即认为试样剪坏。

② 慢剪法，加第一次水平荷重后，每隔2分钟测记水平变形一次，至2分钟内水平变形不超过0.01mm方能加下一级水平荷重，址至剪数为止（标准同前）。

8. 拆除仪器

剪切结束后，测记垂直测微表读，吸去盒中积水，尽快地依次卸除测微表、荷载、上盒等，必要时沿剪切面取试样测定剪切后含水率。

五. 成果整理

1. 计算各级垂直荷重下土的抗剪强度τf 及剪切位移ΔL（以峰值抗剪强度为准，必要 时绘制剪应力与剪切位移关系曲线选择抗剪强度） (1 ). 应变控制式直剪仪

?f＝CR

式中：C－量力环校正系数，Mpa/0.01mm； R－量力环测微表读数，0.01mm;

(2 ). 应力控制式直剪仪 ?f?F?f A 式中：F－水平剪切力，N；

f -- 剪切盒间的摩擦力，N，其值小于垂直荷重1％时，可忽略不计； A－试样面积，cm2。

2. 绘制τf－σ关系曲线：以抗剪强度

τf为纵坐标，垂直压力σ为横坐标，绘制τf－σ关系曲线，根据图上各点连成直线，直线的倾角为土的内摩擦角υ，直线在纵坐标轴上的截距为土的内聚力c。

当τf－σ曲线中三点不能连成一条直线，且相差不大时（不超过相应抗剪强度的5％），可用三角形求得近似直线代替。作法是：连接三点组成一个三角形，通过此三角形三中线交点（三角形重心）作平行于最长边的平行线，则此线为所求的近似直线。

18

图1－7 抗剪强度τf－σ关系曲线

六. 注意事项

1． 仪器应定期校正检查，保证加荷准确；

2． 每组几个试样应是同一层土，密度值不应超过允许误差； 3． 同一组试验应在同一台仪器中进行，以消除仪器误差； 4． 应力式直剪仪加砝码时应稳妥，避免振动。

七. 思考题

1． 为什么不同试验方法，有的试样两端放滤纸，有的放隔水纸？ 2． 应力式和应变式直剪仪有什么不同特点？

3. 三种直剪试验方法各有何特点；如何根据工种实际情况确定试验方法？ 4. 试比较三种直剪试验的强度指标？ 5. 如何控制剪切速率和剪切标准？

19

实验七 土的击实试验

一. 基本原理

击实是用锤击使土密度增大的一种方法。击实试验的目的是在室内利用击实仪，测定土样在一定击实功能作用下达到最大密度时的含水率（最优含水率）和此时的干密度（最大干密度），借以了解土的压实特性，作为选择填土密度、施工方法、机械碾压或夯实次数以及压实工具等的主要依据。

目前国内常用的击实方法有两种：

（1）轻型击实：适用于粒径小于5mm的细粒土，锤底直径为51mm，击锤质量为2.5Kg，落距为305mm，单位体积击实功为591.6KJ/m3，分3层击实，每层25击。

（2）重型击实：适用于粒径不大于40mm的土。击实筒内径为152mm，筒高116mm。击锤质量为4.5Kg，落距为457mm，单位体积击实功为2682.7KJ/m3 (其他与轻型击实相同)，分5层击实。

目前国内经常采用的击实器有：

表1－8 国内经常采用的击实器 技 术 标 准 国标 交 通 部

二、仪器设备

1. 击实仪 主要由击实筒和击锤组成。

试 验 方 法 轻型 重型 轻型 Ⅰ法 重型 Ⅱ法 类 别 Ⅰ1 Ⅰ2 Ⅱ1 Ⅱ2 Ⅱ3 锤底直径cm 5.1 5.1 5 5 5 5 5 锤 重 kg 2．5 4．5 2．5 2．5 4．5 4．5 4．5 落 高 cm 30.5 45.7 30 30 45 45 45 试 筒 尺 寸 内 径 cm 10.2 15.2 10 15.2 10 15.2 15.2 高 cm 11.6 11.6 12.7 12 12.7 12 12 容 积cm3 948 2105 997 2177 997 2177 2177 层 数 3 5 3 3 5 5 3 每 层 击 数 25 56 27 5 27 59 98 击 实 功 kJ/m3 591.6 2682.7 598 598 2687 2687 2677 最 大 粒 径 cm 5 40 25 38 25 19 38 2. 天平 称量200g，感量0.01g；称量2Kg，感量1g； 3. 台秤 称量10Kg，感量5g； 4. 推土器；

5. 筛 孔径5mm；

6．其它 喷水设备、碾土设备、修土刀、小量筒、盛土盘、测含水率设备、保湿设备等。

三. 操作步骤 1. 制备土样

(1). 取代表性风干（或＜60℃下烘干)土样放在橡皮板上用木碾散，过5mm筛，取15－20Kg备用。

20

(2). 测土样风干含水率，根据土的塑限预估最优含水率，并按依次相差2％的含水率制备一组试样（不少于5个），其中2个大于最优含水率，两个小于最优含水率，预加水量按下式计算：

mw?mw0?(w?w0)

(1?w0) 式中：mw－所需的加水量，g； mwo－风干土样质量，g； m0－风干土样含水率，小数计；

w－要求达到的含水率，小数计。 (3). 按预定含水率制备试样，每个试样到

2.5Kg，平铺于不吸水的平板（或调土盘）上，用 图1－8 击实曲线

喷水设备按预定水量均匀搅拌后，装入保湿器或塑料袋内，浸润备用。浸润时间一般是：高塑性土不少于24小时，低塑性土不少于12小时。

2. 分层击实

将击实筒固定在刚性底板上，装好护筒，在击实筒内壁涂薄层油，取制备好的试样2－5Kg，分层倒入筒内，整平表面，分层击实（轻型分三层，每层25击，重型分五层，每层56击）。击实时落锤应铅直自由落下，锤迹必须均匀分布于土面，击实后试样略高于筒顶（不得大于6mm）。

3. 称筒可土的质量

用修土刀沿套环内壁削挖后，扭动取下套环，齐筒顶削平土样，拆除底板，擦净筒外壁，称量，准确至1g。

4. 测含水率

用推土器推出筒内试样，在土样中心处取两个各约15－30克的土测其含水率，平行误差应＜1％。

5. 按上述2、3、4步骤，依次将不同含水率的几个试样进行分层击实和测定工作。

6. 计算密度

按下式分别计算击实后土的密度?和干密度?d，计算至0.01g/cm3 ??m V ?d??1?w

式中：m－击实后湿土质量，g； V－击实筒容积，cm3； w－含水率，小数计。

7. 绘制曲线

以干密度?d为纵坐标，w为横坐标，绘制击实曲线。曲线上峰值点所对应的数值分别

为该土的最大干密度和最优含水率。如曲线不能给出峰值点，应进行补点试验。

21

(2). 测土样风干含水率，根据土的塑限预估最优含水率，并按依次相差2％的含水率制备一组试样（不少于5个），其中2个大于最优含水率，两个小于最优含水率，预加水量按下式计算：

mw?mw0?(w?w0)

(1?w0) 式中：mw－所需的加水量，g； mwo－风干土样质量，g； m0－风干土样含水率，小数计；

w－要求达到的含水率，小数计。 (3). 按预定含水率制备试样，每个试样到

2.5Kg，平铺于不吸水的平板（或调土盘）上，用 图1－8 击实曲线

喷水设备按预定水量均匀搅拌后，装入保湿器或塑料袋内，浸润备用。浸润时间一般是：高塑性土不少于24小时，低塑性土不少于12小时。

2. 分层击实

将击实筒固定在刚性底板上，装好护筒，在击实筒内壁涂薄层油，取制备好的试样2－5Kg，分层倒入筒内，整平表面，分层击实（轻型分三层，每层25击，重型分五层，每层56击）。击实时落锤应铅直自由落下，锤迹必须均匀分布于土面，击实后试样略高于筒顶（不得大于6mm）。

3. 称筒可土的质量

用修土刀沿套环内壁削挖后，扭动取下套环，齐筒顶削平土样，拆除底板，擦净筒外壁，称量，准确至1g。

4. 测含水率

用推土器推出筒内试样，在土样中心处取两个各约15－30克的土测其含水率，平行误差应＜1％。

5. 按上述2、3、4步骤，依次将不同含水率的几个试样进行分层击实和测定工作。

6. 计算密度

按下式分别计算击实后土的密度?和干密度?d，计算至0.01g/cm3 ??m V ?d??1?w

式中：m－击实后湿土质量，g； V－击实筒容积，cm3； w－含水率，小数计。

7. 绘制曲线

以干密度?d为纵坐标，w为横坐标，绘制击实曲线。曲线上峰值点所对应的数值分别

为该土的最大干密度和最优含水率。如曲线不能给出峰值点，应进行补点试验。

21

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