南华大学

城市建设学院

土力学实验报告

2012/05/21

实验一：土的重度（密度）、含水率试验

实验名称：   土的重度、含水量实验             实验成绩：                         

实验同组人：罗**、白**、方**、王**、张**、符**  实验教师签名：                     

实验地点：      城建西301        实验日期：2012年 03 月 28 日

实验目的：

1.熟悉土工实验中环刀、天平、烘箱等基本设备的操作方法；

2.通过本试验掌握土体的天然含水率试验方法，了解含水率指标在工程中的应用，并配合其它试验计算土的干密度、孔隙比及饱和度等其它指标；

3.通过本试验掌握土体的天然密度试验方法，了解天然密度指标在工程中的应用，并配合其它试验计算土的干密度、孔隙比及饱和度等其它指标。并初步了解土体密度大小与土的松紧程度、压缩性、抗剪强度的关系。

实验原理：

土体中的自由水和弱结合水在105℃～110℃的温度下全部变成水蒸气挥发，土体粒质量不再发生变化，此时的土重为土颗粒质量加上强结合水质量，将挥发掉的水份质量与干土质量之比为土体含水率。即土体含水率是指土颗粒在105℃～110℃的温度下烘干（或酒精烧干）至恒重时所失去的水份质量与烘干土质量的比值，用百分数表示。

单位体积土体质量称做土的密度，定义式为：

p₀=m₀/V                            

式中：ρ₀－土样湿密度（g/cm3）；

m₀－土样质量（g）；

V－土样体积（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)。

w₀=m_w/m_s                           

式中：w₀ —土样含水率(％)；

m_w—土体所失去水分的质量(g)；

m_s—烘干后土颗粒质量(g)。

实验仪器设备（实验条件）：

1.恒温烘箱：恒温范围在105℃～110℃，温度控制精度高于±2℃；

2.天平：称量200g，最小分度值0.01g；

3.其它工具：铝盒(称量盒)、开土刀、干燥器、温度计等。

（a）环刀：内径61.8mm和79.8mm，高20mm；

（b）天平：称量500g，最小分度值0.1g的天平；

（c）其它工具：切土刀，玻璃板、钢丝锯，凡士林等

实验过程（内容、步骤、原始数据等）：

(1)实验内容：

1、制作土样；

2、测定土的含水率；

3、测定土的密度。

（2）实验步骤：

1.用感量0.01g的天平称取铝盒重量，记录铝盒编号和重量；

2.取具有代表性的试样15～30g放入铝盒内，（有机质土、砂类土和整体状构造冻土为50g），迅速盖好盒盖，称铝盒加湿土质量，准确至0.01g，并记录铝盒号和盒加湿土质量。

3.揭开盒盖，将试样和铝盒一起放入恒温烘箱，在温度105℃～110℃下烘至恒重。烘干时间对粘土、粉土不得少于8小时，对砂土不得少于6小时，对含有机质超过干土质量5%的土，应将温度控制在65℃～70℃的恒温下烘至恒重。

4.将铝盒从烘箱中取出，盖好铝盒盖，放入干燥器内冷却至室温后，称铝盒加干土质量，准确至0.01g，并记录铝盒号和盒加干土质量。

（a）取原状土或制备的扰动土样，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，用切土刀将士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，将环刀两端余土削平；

（b）用切下的代表性土样测定含水率；

（c）擦净环刀外壁，称环刀加土的质量，准确至0.1g。

注意事项：

1.烘干法为含水率试验的标准方法，本试验方法适用于有机物含量不超过干土质量的5%，当有机物含量在5%～10%之间，仍用本方法时，应在记录中注明。

当受试验环境限制，不能满足烘焙条件时，可依现场情况选用如下试验方法：

2.酒精燃烧法(适用于砂性土、粘性土)；

3.实容积法(适用于粘性土)；

4.比重法(适用于砂性土)；

5.炒干法(适用于砾质土)。

原始数据：

密度实验数据见表1

表1 密度实验数据表

含水率实验数据见表2

表2 含水率实验数据表

实验结果（数据处理、结果分析、问题讨论及总结）：

1.数据处理计算

表1 密度实验数据处理结果表

表2 含水率实验数据处理结果表

2.实验结论：

经过实验分析计算，得出如下结论：

(1)实验土样含水率w可取为24.89%;

(2)实验土样重度g可取20.0kN/m³；

(3)实验土样天然密度ρ可取为2.0g/cm³。

实验二：土的塑限和液限测定试验

实验名称：   土的塑限和液限测定试验            实验成绩：                         

实验同组人：罗**、白**、方**、王**、张**、符**  实验教师签名：                     

实验地点：       城建西301         实验日期：2012年 04月 12 日（下午）

实验目的：

掌握界限含水率试验方法和塑性指数、液性指数的计算，并能利用界限含水率指标进行土的分类和定名，判断天然土的状态。

基本原理：

1.细粒土由于含水率的不同，分别处于流动状态、可塑状态、半固体状态和固体     状态。

2.液限是细粒土呈流动状态与可塑状态分界处的含水率(记作ωL)

3.塑限是细粒土呈可塑态状与半固体状态分界处的含水率(记作ωp)

4.缩限是细粒土呈半固体状态与固体状态分界处的含水率(记作ωs)

仪器设备：

（a）圆锥仪：由锥身、手柄、平衡装置三部分组成，锥身由不锈钢制成，锥角为30°；

（b）天平：称量200g，最小分度值0.01g；

（c）其它工具：调土刀，调土碗，0.5mm孔筛，凡士林，含水率试验全套设备等。

实验过程（内容、步骤、原始数据等）：

（1）实验内容：

1、制作土样；

2、测定土的液限和和土的塑限；

3、测定土的液限和和土的塑限所对应的含水率。

（2）实验步骤：

（a）制备试样：取代表性天然土或风干土过0.5mm的孔筛，过筛后取约250g，     放入调土皿中，加纯净水调成均匀浓糊状，将拌和均匀的土样密封于保湿缸中静置24小时；

（b）放锥：将试样用调土刀调匀，密实地填入试杯中，不得在杯口反复涂抹，将刮平的试杯放在杯座上，至锥尖刚好与土面接触时，放松手指，使其锥体在自重状态下沉入土中；

（c）读数：经15s后观看锥尖入土深度，若锥体入土深度刚好为10mm时，表示土的含水率适为液限，如不符合上述要求应重新调试土膏；

（d）测含水率：将所测得的合格试样，挖去有凡士林的部分，取锥体附近试样迅速放入铝盒内测定其含水率，此含水率既为液限；

（e）此试验需进行两次平行试验，当两次测定的液限含水率差值小于2％时，取平均值作为该土样的液限。

注意事项：

当土条搓至直径3mm同时出现横向裂纹时，该土条的含水率定义为塑限。

若土条直径达到3mm而未出现裂纹，表明试样含水率高于塑限；

若土条直径大于3mm即出现裂纹时，表明该试样的含水率低于塑限，出现上述两种情况需重新试验；

实验结果（数据处理、结果分析、问题讨论及总结）：

1. 实验数据

实验数据处理结果表

依数据处理可得土的液限为37.29﹪，土的塑限为19.29﹪,又由上一次计算得的天然含水率w为24.89﹪，所以Ip=wL- wp=37.29-19.29=18，IL=(w-wp)/Ip=(24.89-19.29)/18≈0.31。

2.实验结果：

经过实验分析计算，得出如下结论：

（1）实验测定土样的液限可取值为37.29﹪；

（2）实验测定土样的塑限可取值为19.29﹪；

（3）土样的液性指数和塑性指数分别可以取值为0.31和18；

（4）依处理结果可得该粘性土属于可塑状态。

实验三：土的固结试验

实验名称：   土的固结试验             实验成绩：                     

实验同组人：罗**、白**、方**、王**、张**、符**  实验教师签名：            

实验地点：       城建西301        实验日期：2012年 04 月 13 日（下午）

实验目的：

本试验之目的在于测定土的沉降变形，了解土体在侧限条件下的变形与时间～压力的关系，结合其它试验指标配合计算土的压缩系数、压缩模量，确定土压缩性的高低。

基本原理：

1.侧限压缩试验又称固结试验。土体的固结是指土体在外力作用下，土体中的水和气体被逐渐排走，孔隙体积减小，土颗粒之间重新排列的现象。

2.土的固结试验是通过测定土样在各级垂直荷载作用下产生的变形，计算各级荷载下相应的孔隙比，用以确定土的压缩系数和压缩模量等。

仪器设备：

1.固结容器：由环刀、护环、透水石、水槽、加压上盖组成;

2.环刀：高20mm，面积30cm2或50cm2;

3.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，压力准确        度应符合现行国家标准《土工仪器的基本参数及通用技术条件》GB／T15406的规定。

4.变形量测设备：量程10mm，最小分度值为0.01mm的百分表或准确度为全量程0.2％的位移传感器。

5.其它：开土刀、过滤纸等。

实验过程（内容、步骤、原始数据等）：

（1）实验内容：

1、制作土样；

2、测定土在不同荷载压缩下的形变量；

3、计算土的压缩系数和压缩模量。

（2）实验步骤：

1.试样制备：按密度试验要求取原状土或制备扰动土土样。并测定试样的含水率和密度，取切下的余土测定土粒比重。试样需要饱和时，应按规定进行抽气饱和；

2.安装：在压密容器中放置好透水石和滤纸，将带有环刀的试样和环刀一起刃口向下小心放入护环，再在试样上放置滤纸和透水石，最后放上传压活塞，安装加压装置和百分表；

3.调零：施加预压力使试样与仪器上下各部件之间接触，将百分表或传感器调整到零位或测读初读数，通常将百分表测距调到大于8mm；

4.加载：确定需要施加的各级压力，压力等级宜为12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200kPa。第一级压力的大小应视土的软硬程度而定，宜用12.5kPa、25kPa或50kPa。最后一级压力应大于土的自重压力与附加压力之和。只需测定压缩系数时，最大压力不小于400kPa；

5.沉降记录：施加每级压力后24h测定试样高度变化作为稳定标准，每间隔1小时变形小于0.01mm时，作为稳定读数；

要测定沉降速率时，施加每一级压力后宜按下列时间顺序测记试样的高度变化。时间为6s、15s、lmin、2minl5s、4min、6minl5s、9min、12minl5s、16min、20minl5s、25min、30minl5s、36min、42minl5s、49min、64min、l00min、200min、400min、23h、24h，至稳定为止；

6.加第二级荷载：记下稳定读数后，施加第二级荷载。依此逐级加荷，至试验结束；

7.试验结束：最后一级荷载稳定后，先卸除百分表，然后卸除砝码，升起加压框，拆除仪器各部件，取出试样，测定含水率。

注意事项：

1.在高压压缩试验中，仪器变形量不能忽略；

2.滤纸浸湿后的变形量较大，因此，压缩试验要求使用薄滤纸或用孔径较细的透水石而不使用滤纸，但这时易使透水石淤堵；

3.固结试验仅进行需要固结系数的那几级荷载，其它仅测读稳定沉降量；

4.压缩试验中，使用卡萨格兰德(Casagrande)方法确定前期固结应力时，前面几级加载比应小于1；

5.压缩试验过程中，使加载杠杆始终保持水平。

实验结果（数据处理、结果分析、问题讨论及总结）：

1.  实验数据

实验数据处理结果表

由第一次试验可知rw=10.0kN/m³,ro=20.0 kN/m³,wo=24.89％,又知 ds=2.72,Ho=20mm,

S1=（100.0-85.0）х10ˉ²mm=15.0х10ˉ²mm、

s2=（100.0-66.7）х10ˉ²mm=33.3х10ˉ²mm

s3=（100.0-29.8）х10ˉ²mm=70.2х10ˉ²mm

（1）土的初始孔隙比eo=ds(1+wo) rw/ro-1=2.72х（1+24.89％）х  10.0/20.0-1=0.699；

（2）土在不同荷载压缩下的孔隙比e1=eo-s(1+ eo)/ Ho=0.699-15х10ˉ²х(1+0.699)/20=0.686;

同理分别代入s2和s3计算e2=0.666，e3=0.640；

（3）故土的压缩系数α=α1-2=tana=(Δe/Δp) х10³=[ (e1- e3)/ (p3- p1) ] х10³ =[（0.686-0.640）/(200-50)] х10³=0.3Mpaˉ¹；

(4)依所得的压缩系数，又由Es=(1+ e1)/a=（1+0.686）/0.3=5.6 Mpa。

2.实验结果：

经过实验分析计算，得出如下结论：

(1)试验土样的压缩系数可取值为0.3Mpaˉ¹，属于中压缩性土；

（2）计算该土样的压缩模量为5.6 Mpa，属于中压缩性土。

实验四: 土的直剪实验

实验名称：   土的直剪实验               实验成绩：                             

实验同组人：罗**、白**、方**、王**、张**、符**  实验教师签名：                     

实验地点：      城建西301          实验日期：2012年 04 月 18 日（下午 ）

实验目的：

掌握土的室内直剪试验方法，并运用库仑——莫尔强度理论确定土的抗剪强度参数c、τ值，了解c和τ值在工程中的应用。

基本原理：

土的抗剪强度是指土体抵抗剪应力破坏时的极限能力。土体内某一面上的抗剪强度就是该面两侧的土体发生滑动的最大阻力，这一阻力是由内摩擦角和内聚力所组成，可近似地用库仑公式表示如下：

粘性土 τ=σtanφ+C

非粘性土 τ=σtanφ

式中： τ—土体抗剪强度（kPa）；

σ—承受的垂直压力（kPa）；

φ—内摩擦角 （°）；

c—粘聚力（kPa）。

仪器设备：

1.应变控制直剪仪：由剪切盒、垂直加载装置等组成（见图6—3 ）

2.环刀：高度20mm，内径61.8mm。

3.天平：感量0.1g、称量500g；

4.百分表：量程10mm；

5.其它辅助工具：环刀、饱和器、削土刀、秒表、透水石、滤纸等。

实验过程（内容、步骤、原始数据等）：

（1）实验内容：

1、制作土样；

2、测定土在不同荷载剪切的变形量R；

3、计算土的剪切强度τ?，绘图；

4、计算c和Ψ。

（2）实验步骤：

（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。切样方法同压密试验；

（2）每组试验至少制备4个试样，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。要求各试样间的重力密度差值不大0.3kN/m3，含水量不大于2%；

（3）将上、下盒对准，插入固定销，在下盒内放入透水石和滤纸，将带有试样的环刀刀口向上，刀背向下，对准剪切盒口，放置滤纸和上透水石，将试样慢速推入剪切盒内，移去环刀，加上传力盖板；

（4）安装滑动钢珠、剪切盒和量力环，施加0.01N/mm2的预压荷载，转动手轮，将量力环中百分表读数调零。

（5）施加垂直压力后，立即拔除固定销，开动秒表，以0.8mm/min一周的速度匀速转动手轮(每转周剪位移0.2mm)，使试样在3～5min内剪切破坏。手轮每转一周，记录一次量力环内量表读数一次，直至土样剪切破坏。

剪切破坏标准：当量力环中的百分表指针不再前进，或有明显后退时，取百分表读数最大值；当百分表指针不后退时，以剪切位移δ=4mm对应的变形为百分表读数；这时使剪切位移达到6mm才停止剪切；

（6）剪切完后，倒转手轮，移去垂直压力，重复（2）～（5）的步骤对余下的试样进行不同垂直压力作用下的试样剪切。

注意事项：

1.整理实验成果时应采用规范公式；

2.当百分表指针不后退时，以剪切位移δ=4mm对应的变形为百分表读数；这时使剪切位移达到6mm才停止剪切；

3.慢剪法剪切速率应小于0.020～0.025mm／min，一般用电动装置。

实验结果（数据处理、结果分析、问题讨论及总结）：

1、实验数据及数据处理：

已知K=1.65kpa/10ˉ²mm，由公式τ?=K·R最大值和实验所得数据可得：

τ?1≈46.1х1.65 kpa=76kpa

τ?2=53.2х1.65 kpa=89kpa

τ?3=67.2х1.65 kpa=111kpa

又由已知σ（正应力）和τ?（抗剪强度），可以做它们关系图如下：

①从图上量的直线在纵轴上的截距即为C=58.5≈59kpa,直线倾角φ=10°。

也可由式

τ=σtanφ+C计算，即111=58.5+300tanφ

tanφ=0.175          φ=9.9°

②规范数理统计公式

△=3(100²+200²+300²）-(100+200+300)²=60000

tanφ=[3х(100х76+200х89+300х111)-(100+200+300)х(76+89+111)]/△

     =10500/60000=0.175              

φ=9.9°        C=(276/3)-(600/3)х0.175=57kpa

2.实验结果

经过实验分析计算，得出如下结论：

（1）实验结果φ可取值为9.9°，C可取值为58kpa；

（2）实验的剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的剪切面破坏，与实际情况有差别。