土工试验指导书及

实验报告书

编    者：陈海玉

适用课程：土力学

                    土力学与地基基础

2012.6
土工试验指导书

第一章  含水率试验

第一节  概述

土体含水率（）是土的物理性质指标之一。土体含水率高低与粘性土的强度和压缩具有密切的关系。土体在各种状态下的含水率是计算其它物理性质指标、测量其它物理状态指标的最基本试验。

第二节  试验原理

土样含水率是指土样在105℃至110℃的温度下烘干至恒重时所失去的水分质量与烘干土质量的比值，用百分数表示。即：

                           （1-1）

式中：——土样含水率（%）；

      ——湿土质量，单位：克（g）；

——烘干土质量，单位：克（g）。

含水率试验的室内试验方法以烘干法为标准方法。在野外，如条件不满足可依土的性质和工作条件选用如下试验方法：

1．  酒精燃烧法；

2．  比重法（适用于砂性土）；

3．  实容积法（适用于粘性土）；

4．  炒干法（适用于砾质土）。

含水率试验的上述方法在水中还会发生水解适用于无机土（有机质含量低于5%），对于有机质土和有机土，在温度较高时会发生分解，使测得的含水率偏高，从而造成试验误差。

有机质含量超过5%的有机质土和有机土，含石膏和硫酸盐矿物的土，因这些矿物晶体中含结晶水，因此需采用65℃~70℃温度将土烘干至恒重，测量其含水率。

上述各种试验方法都是利用水在加温后逐渐变成水蒸气的性质。加热一定时间后，在温度不高于110℃时，土中自由水全部变成气体挥发，之后土重不再发生变化，即处于恒重状态。这时挥发掉的水重。土恒重即认为是干土质量。对粘性土，实际上是土粒质量与强结合水质量之和，因强结合水需要温度高于120℃才能析出，故将其作为固体颗粒的一部分。

第三节  烘干法测定含水率

一、仪器设备

烘干法仪器设备主要包括：

1．恒温烘箱：一般要求在50℃~200℃范围内能在任一点保持一定恒温范围。最常用的恒温范围在105℃~110℃，控制温度的精度高于±2℃；

2．天平：200g，感量0.01g。常用天平分机械天平和电子天平两类；

3．附属设备：铝盒（称量盒）、干燥器、铅丝篮、温度计等。

二、操作步骤

烘干法含水率试验操作主要步骤包括：

1．取代表性试样15~30g，对于砾类土，取100g以上试样。放入铝盒内，迅速盖好盒盖，称量，准确至0.01g，称量结果减去铝盒质量，得到湿土质量；

2．揭开铝盒盖，将试样和铝盒一起放入恒温烘箱，在温度105℃~110℃下烘至衡重。在设定温度下烘至恒重所需时间由土类和烘箱构造决定。一般砂土约需1~2小时，粉土和粉质粘土约6~8小时，粘土约10小时，有机质土用65℃~70℃烘干需48小时以上；

3．将烘干后的试样和铝盒取出，盖好铝盒盖后，放入干燥器内冷却至室温后，称铝盒加土质量，准确至0.01g。计算干土质量；

4．按下式计算该试样的含水率：

                   （1-2）

5．按前面的步骤进行两次平行试验，当两次测定含水率的差值在允许的范围内时，取其算术平均值作为该土样的含水率。两次测定的差值允许范围为：含水率低于40%时，不得大于1%；含水率高于40%时，不得大于2%。本允许范围是对均质土而言，对原状土由于非均质，样筒上下水在重力作用下重新分布使含水率差值增大，可适当放宽平行试验差值允许范围。

三、试验记录

试验记录包括土样描述、试验过程说明和记录表格三个主要组成部分。试样描述内容有：1.土样颜色；2.土样初步定名；3.土质均匀性及是否含有机质等。试验过程说明通常有：1.取样位置；2.试验方法；3.试验条件（如烘干法试验的温度、时间、试验设备等）。含水率试验记录表格见表1-1所示。在填写原始记录表格过程中，要求使用黑色圆珠笔或钢笔填写，特别注意严禁随意涂改试验记录，对于书写错误，用细线杠去错误数字（要能清楚看出错误数字），把正确数字写在旁边，试验人员要签章。

第二章  密度试验

第一节  概述

土体的密度是土体直接测量所得的物理性质指标之一。土体密度大小与土的松紧程度、压缩性、抗剪强度等均有密切联系。土体密度是计算地基自重应力的重要参数。密度测试还是土体相对密实度等物理指标的测试方法。

单位体积土体质量叫土的密度，定义式为：

                                   （2-1）

式中：——土样密度，单位g/cm³；

      ——土样质量，单位g；

      ——土样体积，单位cm³。

实验室内直接测量的密度为湿密度（对原状土称作天然密度），用表示。工程中常用的土体在不同状态下的密度有干密度（）、饱和密度（）、浮密度等。与密度相对应的常用指标——容重的定义为单位体积土体的重量。定义式为：

                               （2-2）

式中：——土样容重，单位，工民建规范称作重度；

      g——重力加速度，一般取9.81m/s²；

其余符号同前。

与不同状态下土的密度对应的不同状态土的容重分别记作：干容重、饱和容重、浮容重。

本章介绍湿密度的实验室测定方法。

第二节  试验原理

根据公式（2-1），密度试验方法即包括测定试样体积和质量。试验时，将土充满给定容积的容器，然后称取该体积土的质量。或者反过来，测定一定质量的土所占的体积。前者最常用的有环刀法、灌砂法、灌水法等。

第三节  环刀法

一、仪器设备

环刀法测试土的密度需要如下设备：

1．环刀：内径6.18cm，高2cm。体积定期校正为恒值，常用环刀体积为60cm³；

2．天平：称量200g，感量0.01g。也可用称量1000g，感量0.1g的天平。

3．附加设备：切土刀，钢丝锯，凡士林等。

二、操作步骤

1．取原状土或制务的扰动土样，整平两端，将环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上，将环刀垂直向下压至约刃口深处，用切土刀（或钢丝锯）将土样切成略大于环刀直径的土柱后，边压边削，直至土样伸出环刀顶部，将两端余土削平；4

2．用切下的代表性土样测定含水率；

3．擦净环刀外壁，称环刀加土的质量，准确至0.1g；

4．按下式计算试样密度和干密度：

                               （2-3）

                             （2-4）

式中：——试样密度，单位g/cm³；

——试样干密度，单位g/cm³；

——环刀加试样质量，单位g；

——环刀质量，单位g；

——环刀容积，单位cm³；

——试样含水率，单位%。

5．按1至4的步骤进行两次平行测定，其平行差不得大于0.03g/cm³，取其算术平均值作为试验结果。

三、试验记录

环刀法测定土的密度记录格式及成果可参考附表2-1。

第三章  颗粒分析试验（不做）

第一节  概述

颗粒分析试验是测定干土中各粒组含量占该土总质量的百分数。土的颗料大小、级配和粒组含量是土的工程分类的重要依据。土粒大小与土的矿物组成、力学性质、形成环境等均有直接联系。因此，土的颗料大小是土的重要特征。颗粒分析试验是土工基本试验之一，其成果的准确性常影响土工建筑物设计方案甚至稳定性。

第二节  试验原理

土粒的粒径变化范围非常大（粒径由大于60mm到小于0.002mm），故对不同的粒组采用不同的试验方法：粗粒组一般用筛析法，细粒组采用密度计法或移液管法。不同的试验方法其试验原理也不同。

一、粗粒组筛析法试验原理

对于粒径大于0.075mm的粗粒土，一般采用筛析法分析土的颗粒大小。筛析法是采用不同孔径的分析筛，由上至下孔径自大到小叠在一起。试验时，取质量为的干土放入最上的筛里，通过筛析后，得到不同孔径筛上土质量，进而计算出粒组含量和累积含量。

二、粗粒组密度计法试验原理

司笃克斯（Stocks）研究微小球体在水中下沉时，发现球体的运动近似满足如下规律；

1．小球体在水中沉降的速率是恒定的；

2．小球体沉降速率大小与球体直径的平方成正比。

上述规律可用下式表示：

                          （4-1）

式中：——颗粒直径，mm；

——颗粒沉降速率，cm/s；

——4℃时水的密度，；

——水温时水的比重；

——水温时水的动力粘滞系数，；

——土粒比重；

——重力加速度，。

由式（4-1）知，颗粒比重一定时，颗粒愈大，在水中沉降的速率愈快。现将一定质量的土与水搅拌成总体积为的均匀悬液，然后观察悬液中颗粒下沉情况和悬液浓度的变化。为研究方便，取距悬液表面为的薄层来分析，如图4—1所示。

试验开始时（时刻），悬液均匀，悬液中自上至下各粒组均匀分布，然后土粒开始下沉，大颗粒下沉比较快，细颗粒下沉比较慢。设在时刻，的颗粒刚好从悬液表面下沉到层，那么该时刻在层中，没有的颗粒，而≤的颗粒浓度与起始时刻(相同)。因此，如果我们已知，则颗粒下沉速度为：

                                     （4-2）

将（4-2）代入（4-1）得：

                                  （4-3）

式中：——粒径计算系数与悬液温度和土粒比重有关，可由图4-6查出。

式（4-3）将测量粒径的问题转化为测定任一时刻及相应落距的问题。在密度计法颗粒分析试验中，不固定，而是测量时刻密度计读数，将定义为密度计在液面读数至密度计浮泡形心距离，与的关系可通过密度计率定获得。

现在若再算出≤的颗粒占总土质量百分含量，问题就解决了。由于时刻，距悬液表面为的层中，只有≤的颗粒存在，的颗粒浓度为零，≤的颗粒浓度与起始时刻（）相同。如果测出时刻层中≤的颗粒浓度，可以算出量筒中≤的颗粒质量为：

                                 （4-4）

密度计法量测层（密度计形心处）的密度，密度与浓度成正比，见式（4-6）和（4-7）所示。在移液管法试验中，时刻，在层中吸取的悬液，烘干后得到土粒质量为，则可计算出土粒浓度为：。然后由式（4-4）计算≤的颗粒质量。移液管法计算土粒粒径的方法与密度计法相同。

    我们知道，量筒中土粒总质量为，因此，≤的颗粒百分含量为：

                      （4-5）

式中：——≤的颗粒百分含量（％）；

      ——量筒中≤的颗粒质量（g）；

      ——量筒中土粒总质量（g）；

      ——≤的颗粒浓度（g/cm³）；

      ——量筒中悬液体积（cm³）。    ·

    密度计浮泡形心处悬液浓度与密度计读数的关系为：

甲种密度计：                    （4-6）

乙种密度计：                                 （4-7）

式中：——悬液体积（规范规定）；

——土粒比重（若未做比重试验，对粘土及粉质粘土可取2.70，砂土及粉土可取

2.65）；

      ——20℃时水的比重（）；

——时刻经校正后的密度计读数，见试（4-10）。

第三节  筛析法

一、仪器设备

筛析法试验仪器主要包括：

1．分析筛，分析筛据孔径大小分粗筛和细筛两类：土工试验中常用的粗筛一般为圆孔，孔径为100，80，60，40，20，10，5，2mm；细筛一般为方孔，等效孔径为2.0，1.0，0.5，0.25，0.10，0.075mm。不同国家和不同部门使用的分析筛孔径大小分级有些差别；

2．分析天平，分析天平依称量范围和精度需要两种：（1）称量10kg，感量1g，（2）称量1000g，感量0.1g；

3．摇筛机，规范规定摇筛机能够在水平方向摇振，垂直方向拍击。摇振次数为100~200次/分钟，拍击次数为50~70次/分钟；

4．辅助设备，辅助设备包括：烘箱、量筒、漏斗、瓷杯、研钵、瓷盘、毛刷、匙、木碾、白纸等。

二、操作步骤

筛析法试验步骤包括：

1．从风干的松散土样中，用四分法取土。取土数量按表4-1执行；

表4-1  筛分法取土数量

2．将试样过2mm筛，分别称出筛上和筛下土质量。取2mm筛上土倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中，取2mm筛下土倒入依次叠好的细筛的最上层筛中（分析筛自上至下孔径自大至小叠放）。用摇筛机充分筛析至各筛上土粒直径大于筛孔孔径，一般摇筛15~30min；

3．由最大孔径筛开始，顺序将各筛取下，将留在各筛上的土分别称量，准确至0.1g。各筛上土质量之和与总土质量之差不得大于总土质量的l％；

4．计算粒组含量和累积含量，画出级配曲线，得到各特征粒径，分析土的级配，据规范定名。

三、筛析法计算公式

1．粒组含量：

                            （4-8）

2．累积含量：

                            （4-9）

式中：——某粒组百分含量（％）；

      ——小于某粒径土粒占总土质量百分含量（％）；

      ——试样总质量（g）；

      ——某粒组土粒质量（g）；

      ——小于某粒径土粒质量（g）。

四、试验记录及试验成果

筛析法试验记录及试验成果包括：

1．筛析法试验记录表，见表4-2；

2．颗粒大小级配曲线（累积分布曲线），见图4-2；

3．获得特征粒径、、，计算曲率系数、不均匀系数；

4．据土的分类标准给土分类定名。

第四章  界限含水率（稠度）试验

第一节   概  述

界限含水率试验主要内容是测试细粒土的液限含水率（ω_L）和塑限含水率（ω_P），简称液限和塑限，由此获得塑性指数I_p=ω_L－ω_P、液性指数I_l=（ω－ω_P）/I_P，由ω_L和I_P利用塑性图上对土进行分类和利用I_L判断天然土所处的状态，其次是测试土的缩限ω_S。本章仅介绍液限和塑限的试验方法。

粘性土随着含水率的变化，其物理状态和力学性质也发生明显的变化。如图5-1所示。土体在不同含水率下可能处于如下不同的状态：

1、液态：土体重塑后，在自重作用下不能保持其形状，发生类似于液体的流动现象。同乎没有强度；

2、可塑态：土体重塑后，在自重作用下，能保持其形状。在外力作用下，将发生持续的塑性变形而不产生断裂，外力消失后，即保持外力消失前那一时刻的形状不变。有一定的抗剪强度；

3、半固态：在较小的外力作用下，产生弹性变形为主的变形，当外力超过一定值后，土体发生断裂。土体体积随含水率减小而减小；

4、固态：变形性质类似于半固态，但其体积趋于稳定，不随含水率变化而变化。

我们把液态与可塑态分界处的含水率叫液限含水率（简称液限，记作ω_i），可塑态与半固态分界处的含水率叫塑限含水率（简称塑限，记作ω_P），半固态与固态分界处的含水率叫缩限含水率（简称缩限ω_S）。实际上，土体不同状态之间的过渡是渐变的，为了使用上的方便，将给定的试验方法得到的含水率称作界限含水率。本章介绍中华人民共和国国家标准《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）中规定的液限和塑限试验方法。

第二节  试验原理和试验方法

一、液限试验原理和方法

重塑土处于液态时，在自重作用下发生流动，而处于可塑态时，必须施加外力作用才发生变形。由此我们知道，在两种态的分界处，土从不能承受外力向能承受一定外力过渡。试验时，给予试样一个小的外力作用，在一定的时间内，变形量达到规定值时的含水率叫做液限含水率。规范中给出了两种液限试验方法：锥式液限仪法和喋式液限仪法。并以前者为标准方法。

1、锥式液限仪法：锥式液限仪法用圆角为30°，质量为76_g的不锈钢圆锥，在重力作用下，5秒钟内刺入深度为17mm时对应的试样含水率为液限含水率。我国交通部规范规定的锥式液限仪质量为100_g，5秒钟内刺入深度为20mm时对应的试样含水率为液限含水率；

2、喋式液限仪法：喋式液限仪法是在规定的试样喋中盛土，在土中以特制开槽器开一宽2mm的槽，以一定的能量（落高10mm）让土样喋与硬橡胶基座碰撞，这一过程中，土向槽内流动，当槽两侧土靠拢长度为13mm，撞击次数为25次，对应的试样含水率定义为液限含水率。

二、塑限试验原理和方法

塑限试验利用土体处于可塑态时，在外力作用下产生任意变形而不发生断裂；土体处于半固态时，当变形达到一定值（或受力较大）时发生断裂的特点。试验时给予一定外力，使试样变形达到规定值刚好出现裂缝时所对应的含水率作为限含水率。国标中据此给出了两种试验方法：搓滚法和液、塑限联合测定仪法，并且以后者为标准。

1、搓滚法塑限试验：用手掌在手玻璃板上搓土条，当土条直径刚好在3mm时出现裂缝，对应的含水率叫塑限含水率，这种方法是国内外大多土工试验方法所采用的方法；

2、液、塑限联合测定仪法：采用与锥式液限仪完全相同的仪器，通过与搓条法对比，得到76_g圆锥在5秒钟内锥尖入土深度为2mm时对应的含水率与搓条法得到的塑限接近，因此，定义76_g圆锥仪在5秒钟内锥尖入土深度为2mm时对应的含水率为塑限含水率。

为了减少锥式液限仪在试验过程中人为因素的影响，提高试验精度，我国设计出了液、塑限联合测定仪，并规定以此仪器为准，将76_g圆锥在5秒钟内入土深度为2mm时对应的含水率为塑限。交通部规范给出了100_g圆锥联合测定仪法的液限含水率ω_L与塑限入土深度h_P经验关系式，由此关系式据ω_L查h_p，然后由圆锥入土深度与含水率的关系图查出塑限ω_P。

三，锥式液限仪测液限试验步骤

1、制备试样：可采用天然含水量土样或风干土样制备。采用天然土时，剔除大于0.5mm土粒，取代表性土样约200g，拌和均匀即可；对风干土取样，过0.5mm筛，取筛下土约200g，加水加至液限附近，调成稠状，拌和均匀后密封于保湿缸中静置24小时，使水分均匀分布。

2、装土样于调土杯中：将备好的土样再仔细拌均一次，然后分层装入试杯中，用手掌轻拍试杯，使杯中空气逸出，待土样填满后，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，以拇指和食指执锥柄，使锥尖与试样面接触，并保持锥体垂直，轻轻松开手指，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15s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（锥上有刻度标志），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时为止。

有些圆锥刻有17mm，的标志，若锥体下沉深度恰为17mm，此时的含水量即为17mm液限，等效蝶式液限。

4、测液限含水率，将所测得的合格试样，挖去沾有凡土林的部分，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、平行测定：本实验须做两次平行测定，计算准确至0.1%，取其结果的算术平均值，两次实验的平行差值不得大于2%。

四，滚搓法测塑限试验

一、本试验方法适用于粒径小于0.5 mm的土。

二、滚搓法塑限试验所用的主要仪器设备，应符合下列规定：

1.毛玻璃板：尺寸宜为 200 mm×300 mm。

2.卡尺：分度值为0.02 mm。

三、滚搓法塑限试验，应按下列步骤进行：

1.取0.5 mm筛下的代表性试样100 g，放在盛土皿中加纯水拌匀，湿润过夜。

2.将制备好的试样在手中揉捏至不粘手，捏扁，当出现裂缝时，表示含水量接近塑限。

3.取接近塑限含水量的试样8～10 g，用手握成椭圆形，放在毛玻璃板上用手掌滚搓，手掌的压力要均匀地施加在土条上，不得使土条在毛玻璃上无力滚动，土条不得有空心现象，土条长度不宜大于手掌宽度。

4.当土条搓成3 mm时产生裂缝，并开始断裂，表示试样的含水量达到塑限含水量。当土条搓成3 mm时不产生裂缝或土条直径大于3 mm时开始断裂，都应重新取样进行试验。

5.取直径3 mm有裂缝的土条3～5 g，测定土条的含水量。

四、滚搓法塑限试验应进行两次平行测定，两次测值的差值，当w_L小于40％时，不得大于1％，w_L大于或等于40％时，不得大于2％。

五、滚搓法塑限试验的记录应包括工程编号、土样编号、盛土皿编号和含水量。

第五章 固结试验（压缩试验）

第一节  概述

土体的压缩是指土体在外力作用下体积发生减小的现象。土体固结是指土体在外力作用下体积随时间变化的过程。因此，压缩和固结是两个既有区别又有密切联系的概念。

压缩试验的目的是获得土体体积的变化与所受外力的关系，在一维模型中，用压缩曲线来表示。在e～p曲线上，可得到压缩系数aV，在e～lgp曲线上可得压缩指数CC。

固结试验的目的是获得在一定大小的外力作用下土体体积的变化与外力作用时间的关系，在一维固结模型中，采用太沙基一维固结理论描述时，为压缩量与时间的关系，得到固结系数CV。

固结（压缩）试验是使试样在侧向不变形的条件下，受竖向力的作用，量测试样轴向变形速率和在每级荷载作用下的最终压缩量。其成果用于沉降计算和一维固结计算。

第二节 试验原理和计算公式

一、压缩试验

由土学力知识知道，土体在外力作用下的体积减小是由孔隙体积减小引起的，可以用孔隙比的变化来表示。在侧向不变形的条件下，试样受荷载增量△p作用下，孔隙比的变化△e可用无侧向变形条件下的压缩量公式见图9—1表示为：

                                    (9-1)

式中：s——土样在△p作用下压缩量(cm)；

H——土样在p1作用下压缩稳定后的厚度(cm)；

e1、e2——土样厚为H时的孔隙比和在△p作用压缩稳定后（压缩沉降量为s）

的孔隙比。

若e1为压力p1压缩稳定后对应孔隙比，

孔隙比e2对应的压力为p2= p1+△p，由公式（9-1）得到e2的表达式为：

                （9-2）

由以上公式可知，只要知道土样在初始条件下：P0=0时的高度H0和孔隙比e0,就可以计算出每级荷载Pi作用下的孔隙比ei。由(pi，ei)可以绘出e～p曲线或e～lgp曲线。

第三节  试验仪器及试验步骤

一、试验仪器

压缩试验和固结试验仪器相同，固结试验是在压缩试验的过程中进行，即在某级荷载作用下，测读沉降和时间。主要仪器包括：

1．固结仪见图9-5，常用试样面积为30cm²和50cm²，试样高2cm；

2．加压设备，不同型号的仪器最大压力不同，一般按最大压力划分有以下几种：400kPa，800kPa，1600kPa，3200kPa；

3．竖向变形量测表，一般采用量程10mm，精度0.01mm的机械百分表或电测位移传感器；

4．其它辅助设备：秒表，括土刀，钢丝锯，天平，含水率量测设备等。

二，试验方法

1.快速固结法：规定试样在各级压力下的固结时间为1小时，仅在最后一级压力下除测记1小时的量表读数外，还应测读达压缩稳定时的量表读数，一般为24小时。

2.标准固结法：各级荷载以24小时为稳定标准，按照规定时间：6s、15s、1min、2min15s、4min、6min15s、9min、12 min 15s…….24h，至稳定为止。读数计算沉降量。

二、试验步骤

压缩试验（包括固结试验）步骤如下：

1．按工程需要取原状工或制备所需状态的扰动土土样，整平其两端；

2．将环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放于土样上端，用两手将环刀竖直地下压，再用削土刀修削土样外侧，边压边削，直到土样突出环刀上部为止。然后将上、下两端多余的土削至与环刀平齐；

4．放置好下透水石、下滤纸，将带有环刀的试样和环刀一起刃口向下小心放入护环，装入固结仪容器内，放置上滤纸、上透水石、护环和加压盖板，置于加压框架下，对准加压框架正中；

5．为保证仪器上下各部件之间接触良好，应施加2kPa的预加应力，装好量测压缩变形的百分表，使指针读数为接近满量程的整数（零点值）；

6．分级加压，按加压梯度加载，一般为12.5，25.0，50.0，100，200，400，800，1600，3200kPa。第一级荷载应小于自重应力，且不能使试样挤出，最后一级应力应大于自重应力与附加应力之和；

7．若要得到e～lgp曲线，测量原状土的前期固结应力时，前几级荷载的加载梯度应小于1（取0.25或0.5）,最后一级应力应使e～lgp曲线由Casagrande方法得到现场压缩曲线时，还要进行卸荷试验；

8．对于饱和土，试验过程中水槽内的水应能浸没试样。若需要进行固结试验，测定固结系数。在要测定的某级（或几级）荷载加上后，近下列时间顺序记录量测沉降的百分表读数：15’’、1’、2’15’’、4’、6’15’’、9’、12’15’’、16’、20’15’’、25’、30’15’’、36’、49’、64’、100’、200’、24h。若仅进行压缩试验，则只需测读每级荷载加上后24h的沉降百分表读数，然后加下一级荷载。对于渗透系数k≥10^-5cm/s的土，可用每小时沉降量不大于0.005mm作为压缩稳定标准，达到稳定标准后，加下级荷载；

9．试验结束，吸容器中的水，拆除仪器各部件，取出试样，测定含水率。

 

第六章  直接剪切试验

第一节  概述

直接剪切试验简称直剪试验，它是测定土的抗剪强度的常用方法。直剪试验通常采用四个试样，分别在不同的垂直压力作用下，施加水平剪切力进行剪切，取得水平面破坏时的剪应力，然后根据库仑强度理论确定土的抗剪强度指标：内摩擦角和粘聚力。

直剪试设备简单，受力明确，速度快，因而被广泛应用，但直接试验存在明显的缺点如：剪应力和剪应变分布不均匀，预定剪切面可能代表性不好，不能控制试样的排水条件等。

第二节  试验原理和计算公式

直剪试验中采用圆状试样如图10-1所示，在竖直方向加法向力P，在预定切面上、下如一对剪力T使试样剪切。

试验时，剪力T自零开始增加，剪位移也自零增加。剪破时，剪力T达到最大值Tmax，对应剪破面上剪应力达抗剪强度，即：

                                （10-1）

                               （10-2）

式中：——剪破面上法向应力；

      P、T ——法向力和剪力；

      ——剪破面上抗剪强度；

      T_max——试样能承受的最大剪力；

      A——剪破面面积。

当采用4个试样，用不同的法向应力作用于竖直方向，剪切时得到不同抗剪强度。将4组（，），在图10-2坐标系中，用最小二乘法作直线，称作库仑强度线。强度线在纵坐标上的截距为粘聚力c，与水平线的夹角为内摩擦角。

直剪试验按法向力P和剪力T施加速度作用时间长短分成下述三种：

1、快剪（q） 法向力p刚加好，就快度加力T剪破试样。要求试样在加P至剪破过程中来不及排水；

2、固结快剪（Cq） 法向力P作用于试样后，让试样固结排水，产生竖向压缩变形，待固结稳定后，再快速施加水平剪力使试样剪破。要求试样在剪切过程中来不及排水；

3、慢剪（S）  试样在法向力P作用下固结完成后，慢速施加水平剪力T，使试样剪切至破坏。要求试样在剪节过程中孔隙水应力能及时消散。

第三节  试验设备及试验步骤

一、试验设备

1、直剪信，常用直剪信为应变控制直剪仪见图10-3。主要部件包括：剪切容器、法向力加力框架、水平力推力座及量力环等。还有一种为应力控制直剪仪，与前者差别在于水平采用直接加载的方式而不甘落后用控制剪位移的方式；

2、其它辅助设备：百分表、天平、环刀、饱和器、削土刀、秒表、滤纸等。

二、试验步骤

（一）试样制备

1、按工程需要，从原状土样中切取原状土试样或制备给定干密度及含水率的扰动土试样。切样方法同压缩试验；

2、按密度试验和含水率试验的方法测定试样的密度和含水率。对扰动试样需要饱和时，可采用抽气饱和法进行；

3、每组试验至少制备4个试样，在四种不同垂直压力作用下进行剪切试验。垂直压力的大小据现场工程荷载和土层深度确定，一般可取为：100，200，300，400kPa。对于软粘土应采用较小的垂直压力，以免产生挤出现象。

（二）快剪试验

1、对准上、下盒，插入固定销，在下盒内放入下透水石，不透水塑料膜，将试样对准剪切盒口，放置上不透水塑料膜和上透水石，将试样慢速推入剪切盒，移去环刀；

2、转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与量力环接触，将量力环中百分表读数调零。顺序加上传力盖板、钢珠、压力框架；

3、施加垂直压力P后，立即拔除固定销，开动秒表，以每分钟4~12周（每转一周剪位移0.2mm）匀速转动手轮，使试样在3~5min内剪破。剪破标准为：（1）量力环中量表（百分表）指针不再前进，或有明显后退；（2）百分表指针不后退时，以对应的剪应力为抗剪强度，这时使剪切位移达到6mm才停止剪切；

4、剪切完后，倒转手轮，移去垂直压力，重复1~3步骤对余下的试样进行不同竖向应力作用下的剪切试验。

（三）固结快剪

1、装样基本同快剪，但试样上、下不透水塑料膜要换成透水滤纸；

2、施加垂直压力P后，使试样在法向应力作用下排水固结。若系饱和试样，在P加上5min以后，往剪切盒中注水；若系非饱和试样，在剪切盒四周围以湿棉花，防止水分蒸发；

3、按照压缩试验的标准，当试样在作用下压缩稳定后，测记试样压缩变形量；

4、按快剪试验的第2、3、4的步骤加剪力使试样剪破。

（四）慢剪

1、同固结快剪第1、2、3的步骤施加法向应力并量测压缩变形量；

2、当试样固结完成后，采用不大于0.02mm/min(1周/10min)的剪切速率进行剪切，直至剪破。一般每个试样在35个小时内剪破；

3、重复步骤1，2进行4个试样的剪切试验。

湖北文理学院建筑工程学院土工实验报告书            

实验时间：             实验地点：               

学生姓名：              学号：                 专业：               

组别：                 合作者：

实验一：含水率试验

实验方法：

实验目的：

仪器：

实验步骤：

数据记录及计算结果：

结论及误差原因分析：

实验二：密度试验

实验方法：

实验目的：

仪器：

实验步骤：

数据记录及计算结果：

结论及误差原因分析：

实验三：锥式液限仪液限试验

实验方法：

实验目的：

仪器：

实验步骤：

数据记录及计算结果：

结论及误差原因分析：

实验四：搓滚法塑限试验

实验方法：

实验目的：

仪器：

实验步骤：

数据记录及计算结果：

结论及误差原因分析：

实验五：固结试验

实验方法：

实验目的：

仪器：

实验步骤：

数据记录及计算结果：

土样高度H₀：           初始孔隙比e₀：               土粒比重G_S：    

修正系数k：        百分表初始读数：             

表1

计算e、a、Es、固结系数Cv

 （=20mm，为各级压力10min读数与h₀之差，取正号。k为修正系数）   ；       

(单面透水时，H取土样高度；双面排水时，H取一半土样高度)（R₁、R₂、R₃分别为对应于t₁、t₂、t₃时刻土样的固结量，t₂=2t₁，t₃=3t₁）

绘制e-p曲线                         

结论及误差原因分析：

该土样的压缩型为：

实验六：直剪试验

实验方法：

实验目的：

仪器：

实验步骤：

数据记录及计算结果：

百分表初始读数：               量力环刚度：  500N/mm               

表1

以法向压力为横坐标、剪应力为纵坐标绘制直剪试验图：                         

该土样的抗剪强度表达式为：

 

结论及误差原因分析：