土工试验指导书

及试验报告

            实验一   含水量、密度、相对密度测定

A 实验要求

（1）       由实验室提供扰动土样，或由学生现场取样，要求学生测定该土样的含水量、密度和相对密度；

（2）       根据实验结果要求学生确定该土的孔隙比（e）孔隙率（n）、饱和度（S_r）、干土密度（ρ_d）和饱和密度（ρ_sat）等物理指标；

（3）       观察原状土样。

B 实验方法

一、             含水量试验

土的含水量是土在100℃~105℃下烘至恒重时所失去的水份质量与土颗粒质量的比值，用百分数表示。

本试验采用烘干法或酒精燃烧法，烘干法为室内试验的标准方法。

（一）   仪器设备：

1、  恒温电烘箱

2、  无水酒精

3、  天平（感量0.01g）

4、  称量盒（又叫烘土盒）

5、  干燥器（用无水氯化钙作干燥剂）

（二）   试验步骤：

1、  选取有代表性的试样不少于20g（砂土或不均匀的土应不少于50g），酒精燃烧法的试样大约5~6 g放入称量盒内立即盖紧，称称量盒和湿土质量（m₁）并准确至0.01g。记录称量盒号码、称量盒质量（m₃）和m。

2、  打开称量盒，放入电烘箱中在100℃~105℃温度下烘至恒重。（烘干时间一般自温度达到100℃~105℃算起不少于6小时）。然后取出称量盒，加盖后放进干燥器内，使冷却至室温。

3、  从干燥器中取出称量盒，称取称量盒加干土的质量（m₂），准确至0.01g，并将此质量记入表格内。

4、  本试验须进行二次平行测定。

（三）   计算：

按下式计算含水量：

W(%)＝（m₁－m₂）／(m₂－m₃) ×100%   计算至0.1%

式中：m₁－m₂   试样中所含水的质量；

      m₂－m₃   试样土颗粒的质量。

（四）   有关问题说明：

1、  含水量试验用的土应在打开土样包装后立即采取（或直接现场取土），以免水份改变，影响结果。

2、  本试验须进行平行测定，每组学生取两次试样测定含水量，取其算术平均值作为最后成果。但两次试验的平行差值不得大于下列规定：

3、  称量盒中的湿试样质量称取后由实验室负责烘干，同学们在24小时以后抽时间来实验室称干试样的质量。

二、             密度试验

单位体积土的质量称为土的密度。

密度的测定，对一般粘性土采用环刀法，如试样易碎或难以切削成有规则的形状时可采用蜡封法、灌水法和灌砂法等。本次试验采用环刀法。

（一）   仪器设备：

1、  环刀（内径60~80mm，高20mm，壁厚1.5~2.0mm）

2、  天平（称量500g以上，感量0.1g）

3、  直口削土刀、凡士林等。

（二）   试验步骤：

1、  取原状土或按工程需要制备的重塑土，用切土刀整平其上下两端（或用锄头平整土面），将环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样整平的土面上。

2、  用切土刀将土样上部修削成略大于环刀口径的土柱，然后将环刀垂直均匀下压，边压边削，至土样伸出环刀上口为止，削去环刀两端余土并修平土面使与环刀口平齐。

3、  擦净环刀外壁，称环刀加土的质量（m₁），准确至0.1g。

4、  记录环刀加土的质量（m₁）、环刀号数以及环刀的质量（m₂）和环刀的体积（V）。

5、  本试验须进行二次平行测定。

（三）   计算：

ρ＝（m₁－m₂）／V    g／cm³

式中：m₁  环刀加土的质量，g

      m₂  环刀的质量，g

      V   环刀的体积，cm³；

(四)有关问题的说明：

1、  用环刀切试样时，环刀应垂直均匀下压，防止环刀内试样结构被扰动。

2、  夏天室温很高，为了防止称质量时试样中水份被蒸发，影响试验结果，宜用块玻璃片盖住环刀上、下口称取质量、但计算时必须扣除玻璃片的质量。

3、  每组做两次平行测定，平行差值不得大于0.03g／cm³，取算术平均值作为最后结果。

试验报告

含  水  量  试  验

（酒精燃烧法）

工程名称：                                 试验者：

试样编号：                                 计算者：

试验日期：                                 校核者：

密  度  试  验

工程名称：                                 试验者：

试样编号：                                 计算者：

试验日期：                                 校核者：

注：密度在1.6~2.2 g/ cm³之间

实验二  液限和塑限的测定

粘性土由于含水量不同，分别处于流动状态、可塑状态、半固体状态和固体状态。液限是粘性土的可塑状态与流动状态的界限含水量。塑限是粘性土的可塑状态与半固体状态的界限含水量。

A  实验要求

1、  由实验室提供经过调拌浸润处理后的土样，要求学生测定该土的液限和塑限。

2、  根据实验资料确定该土的类别和天然绸度状态。

3、  参观液限、塑限联合测定仪。

4、  在试验过程中注意观察粘性土在不同含水量时土的物理状态的变化情况。

B  实验方法

联合测定法（一）

（一）基本原理：

  如果在平衡圆锥仪上加一能精确测量圆锥入土深度的显示装置，并利用电磁吸力代替手工提放圆锥，（圆锥仪的重量和锥角不变）然后，我们仿照液限试验方法可以测出同一种土的试样在不同含水量时的锥体沉入深度。同时仍用搓条法测定塑限。通过大量的试验数据分析，发现含水量与沉入深度在双对数坐标上具有良好的直线关系，而且用搓条法得到的塑限，基本上落在这条直线的相当于圆锥沉入深度2mm的附近。这就是联合测定法的理论基础。下面介绍具体方法。

（二）试验方法：

  仪器采用电磁式平衡圆锥仪，其他仪器设备和土样制备方法均与常规液限试验相同。试验时将试样调成三种不同含水量，分别装入试杯内用电磁式圆锥仪测得三个不同锥体沉入深度。为了提高试验精度，上述三个不同深度，最好控制在5~12mm之间，其间隔以2~3mm为宜。

  将测定的三个含水量及相应的三个深度点绘在双对数坐标纸上，联三点绘一直线，（如各测点不能联成直线，可绘一视测的平均直线，但各测点与平均直线上对应点的含水量之差不得超过1%）。将直线延长。

  在直线上取沉入深度为10mm和2mm的两点，此两点对应的含水量即分别为液限（W_l）和塑限(W_p)

四、联合测定方法（二）

  本试验的目的用液塑限联合测定仪联合测定土的液限和塑限，其基本方法是：分别调制三种不同含水量的土样，它们的含水量分别控制在液限、塑限之间和液限附近。应用液塑限联合测定仪测得锥体三个不同的入土深度h，在双对数坐标的h~W关系图上描三点，将三点连成一直线，在h~W图上查与h＝20mm所对应的含水量W，即为所求的液限W_l。然后由W_l值在h_p~W_l关系图上查得相应的h_p值，再根据h_p值在h~W图上查得与h_p相对应的W值，即为所求的塑限W_p。

（一）仪器设备：

1、数码式液塑限联合测定仪。锥体重量100±0.1g，锥角30°±0.2°。

2、天平：称量200g，感量0.01g；

3、其他：筛（孔径0.5mm）、调土刀、调土皿、称量盒、研钵、烘箱、吸管、凡士林、蒸馏水等。

（二）试验步骤：

1、  取有代表性的天然含水量或风干土样进行试验。如土中含有大于0.5mm的颗粒或夹杂物较多时，可采用风干土样，用带橡皮头研杵研碎或用木棒在橡皮板上压碎土块。试样必须反复研碎过筛，直至将可研碎的土块全部通过0.5mm的筛为止。取筛下土样用三皿法或一皿法进行制样：

①     三皿法：用筛下土样200g左右分开放入三个盛土皿中，用吸管加入不同数量的蒸馏水或自来水，土样含水量分别控制在液限、塑限以上和它们的中间状态附近。用调土刀调匀，盖上湿布，放置18h以上。

②     一皿法：取筛下土样100g左右，放入一个土皿中，按三皿法加水、调土、闷土，唯土样的含水量控制在塑限以上，按步骤二至四条进行第一点入土深度和含水量测定。然后依次加水 ，按上述方法进行第二点和第三点含水量和入土深度测定，该两点土样的含水量应分别控制在液限、塑限中间状态和液限附近，但加入后要充分搅拌均匀，分层装入土样试杯，用力压密，使空气逸出。对于较干的土样，应先充分搓揉用调土刀反复压实。试杯装满后，刮成与杯口平齐。

2、  接通电源，调平机身、打开开关，提上锥体（此时数码显示应为零）。锥头上涂上少许凡士林。将装好土样的试杯放在升降座上，转动升降旋钮，试杯徐徐上升，土样表面和锥尖刚好接触时，指示灯亮，停止转动旋钮，锥体立刻自行下沉，8秒钟自动停止下落，数码管上显示锥入深度。记录读数h₁。按动复位按钮，锥体复位，读数显示为零。

3、  改变锥尖与土体接触位置（锥尖两次锥入位置距离不小于1cm）；重复步骤二，得锥尖深度h₂。h₁、h₂允许误差为0.5mm，否则应重作。取h₁、h₂平均值作为该点的锥入深度h。

4、  去掉锥尖入土处的凡士林，取10g以上的土样两个，分别放入称量盒内，称重（准确至0.01g），测定其含水量W_l、W₂（计算到0.1%）。计算含水量平均值W。

5、  重复第二至四步骤，对其他两个含水量土样进行试验，测其锥入深度忽然含水量。

（三）成果整理

1、  在双对数坐标纸上，以含水量W为横坐标，锥入深度h为纵坐标，点绘三个不同含水量的h~W图，连此三点，应呈一条直线。如三点不在同一直线上，可用较高含水量的点和通过其余两点的重心处一点连成直线。

2、  在h~W图上，查得纵坐标入土深度h＝20mm所对应的横坐标的含水量W，即为该土样的液限W_l。

3、  根据液限W_l，通过液限与塑限时入土深度的关系曲线，查得h_p,再由图求出入土深度为h_p时所对应的含水量，即为该土样的塑限W_p。查W_l~ h_p关系图时，须先通过简易鉴别法（若为砂土则搓不成条或能搓成大于2.5mm的土条，手摸湿土有砂感，无干强度或甚微，无韧性等。详件见《公路土工试验规程》，把砂性土和非砂性土区别开来，再按这两大组分别采用相应的W_l~ h_p关系曲线。对于非砂性土，用双曲线确定h_p值；对砂性土，则用组合曲线（由双曲线和正交三次多项式曲线做配成，

C  预习问题

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试验？

试验二   试验报告

注：1.在h~图上，查得纵坐标入土深度h＝2mm所对应的横坐标的含水量，即为该土

      样的塑限。

2.在h~W图上，查得纵坐标入土深度h＝20mm所对应的横坐标的含水量W，即为该土

  样的液限。

圆锥入土深度h与含水量关系图

实验三  压缩试验

   土的压缩是土体在荷重作用下产生变形的过程。压缩试验的目的是测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力或孔隙比和压力的关系曲线。并根据孔隙比和压力关系曲线（e~p曲线）计算出压缩系数和压缩模量等土的压缩性指标，以使判断土的压缩性和计算基础沉降时用。此外由饱和粘性土的压缩试验也可得到在某一压力下变形与时间的关系曲线，从而估算土的固结系数和渗透系数。

   压缩试验通常只用于粘性土，由于砂土的压缩性较小，且压缩过程需要也很短，故一般不在实验室里进行砂土的压缩试验。

   压缩试验可根据工程要求用原状土或制备成所需要状态的扰动土。可采用常速法或快速法。本试验主要采用非饱和的扰动土样、并按常速法步骤进行，但为了能在实验课的规定时间内完成试验，所以要适当缩短加荷间隔（具体时间间隔由教师决定）。

A 实验要求

（1）实验室提供土样一块，要求学生在侧限压缩仪中测定土的压缩性，绘制该土的压缩曲线（e~p曲线）。

（2）求出α_1-2和E_s1-2.并判断该土样的压缩性。

(3)仔细观察土变形与时间关系这一重要特征。（可以绘制出每一级荷载作用下的S~t曲线）

B 实验方法

粘性土的压缩试验。

（一）   仪器设备

1、  小型固结仪；

2、  百分表：量程10mm，精度0.01mm；

3、  容重试验和含水量试验所需要的仪器设备；

4、  秒表和仪器变形量校正表等。

（二）                                             试验步骤

1、  由实验室提供制备好的扰动土样一个。

2、  从压缩仪容器中取出环刀，按容重试验方法切取试样，并取土留作测含水量。如系原状土样、切土的方向应与天然地层中的上下方向一致。称环刀和试样合重，扣除环刀重后即得湿试样重（g）并计算出土的容重。

3、  用切取试样时修下的土测定含水量（w），平行作两次试验，取算术平均值；

4、  在压缩仪容器底座内，放置一块略大于环刀的洁净而湿润的透水石，将切取的试样连同环刀一起（注意：刀口向下）放在透水石上，再在试样上按图依次放上护环以及与试样面积相同的洁净而湿润的透水石、传压活塞和钢珠。安装好后待用。

5、  检查加压设备是否灵活。然后平衡加压部分（此项工作由实验室代做）。

6、  将安装好的压缩仪容器放在框架内横梁下，使横梁与球柱接触后，插入活塞杆，再装上百分表使其接触活塞杆顶面，并调节其伸长距离不小于8mm（注意检查百分表是否灵活和垂直）。读百分表读数（为初读数R）后即可进行试验。

7、  轻轻施加第一级荷载0.05Mpa，并开动秒表，开始计时；

8、  可按下列时间测记读数：15、1、2、10、20、60、120、23小时直至试样沉降稳定为止。稳定的标准为百分表读数每小时变化不超过0.01mm。因时间关系可按教师指定的时间读数。读数精确到0.01mm；

9、  记下稳定读数后，用同样的方法施加第二、三、四、五级荷载（分别为0.1Mpa、0.2 Mpa、0.3 Mpa、0.4 Mpa），记录各级压力下试样变形稳定的百分表读数（R、R、R、R、R）；

10、      试验结束后，必须先卸除百分表，然后卸掉砝码，升起加压框，移出压缩仪容器，取出试样等各部件。最后擦洗干净仪器设备。

（三）                                       成果整理

1、  按下式计算试验前孔隙比e

            

           e₀＝G_s (1＋W₀) ρ_w/ρ₀－1

式中：   G_s土粒比重

         ρ_w水的密度，一般所取＝1g/cm³

         W₀试验开始时试样的含水量%

         ρ₀试验开始时试样的密度，g/cm³

2、  计算试样在任一级压力P作用下变形稳定后的试样总变形量，S_i

S_i＝R_i－S_ie

式中：  R_i 试样在任一级压力P_i作用下变形稳定后的试样总变形量（mm）

        S_ie 各级荷载下仪器变形量（mm）

3、  按下式计算各级压力下试样变形稳定时的孔隙比e_i

              e_i＝e₀－S_i／h₀(1＋e₀)

 

式中：  S_i   试样在任一级压力P作用下变形稳定后的试样总变形量

        e₀   试样在试验前的孔隙比

        h₀   试样在试验前的初始高度

4、  以P为横坐标，e为纵坐标，绘制压缩曲线（e~p曲线）

5、  计算压缩系数α_1-2

          α_1-2＝（e₁－e₂）／（P₂－P₁）

(四)有关问题说明：

1、  试样的土粒比重、含水量、密度由实验室测定后提供。

2、  试验前练习百分表的读数方法，防止读数错误而无法获得试验结果。

3、  每组做一个试样，每人独立完成试验报告，不得抄袭，可以相互校核。

C 指示和建议

1、  预习时建议到实验室详细了解侧限压缩仪和加力设备的构造。

2、  绘制压缩曲线时，注意选用适当的比例尺（主要是纵坐标）。

D 预习问题

1、  做压缩试验的目的是什么？联系具体工程问题去思考。

试验报告

工程名称：                                 试验者：

试样编号：                                 计算者：

试验日期：                                 校核者：

压缩曲线成果

e

0         0.1          0.2         0.3         0.4   P( Mpa)        

         

                e---p   压缩曲线    

              

                    实验四  剪切试验

剪切试验的目的是测定土的抗剪强度指标，即土的内摩擦角φ和粘聚力C。

目前测定抗剪强度的方法和相应的仪器种类很多，现将常用的几种简述如下：

1、  直接剪切试验：它是一种测定土抗剪强度的一种常用方法。通常采用四个试样，在直接剪切仪上分别在不同的垂直压力P下，施加水平剪切力，试样在规定的受剪面上进行剪切，求得土样破坏时的剪应力τ_f，然后绘制剪应力τ_f和垂直压力P的关系曲线即抗剪强度曲线。直接剪切仪又分为应变控制式和应力控制式。本次实验是用应变控制式直剪仪进行快剪试验。

2、  三轴剪切试验：通常用3~4个圆柱形试样，分别在三轴剪力仪上施加不同的恒定周围压力（即小主应力σ₃），然后再施加轴向压力[即主应力差（σ₁－σ₃）]，使土样中的剪应力逐渐增大，直至试样剪切破坏。然后根据摩尔—库仑理论求得该土的抗剪强度曲线。

A  试验要求

1、  由学生取土制备土样，要求用快剪法在直接剪切仪中测定该土的抗剪强度指标，内摩擦角φ和粘聚力C。

2、  参观三轴剪力仪。

B  试验方法

应变控制式直剪仪快剪法。

（一）   仪器设备：

1、  应变控制式直剪仪；

2、  百分表：量程10mm；精度0.1mm；

3、  切试样的用具等。

应变控制式直接剪切仪，它的主要特点是剪切力（水平力）是通过转动手轮，使轴向前移动而推动底座施加给下盒，剪力的数值是利用测力环测出（测力环是一个钢环，事先已知每单位变形时所受的压力，故在试验时用百分表测得测力环径向变形数值即可算出所受的应力值）。本仪器对粘性土和砂性土均适用。

(二)试验步骤：

1、  试样制备：根据工程需要，从原状土或制备成所需状态的扰动土中用环刀切四个试样。如系原状土样，切试样方向应与土在天然地层中的上下方向一致。为了检验四个试样土质的不均匀性，应分别测定四个试样的密度和含水量。四个试样的密度差值不宜大于0.03g/ cm³。（本次试验中，此项检验工作省略）

2、  在下剪切盒内顺次放入透水石和蜡纸（或塑料纸），然后用插销将上、下剪切盒固定好。

3、  将带试样的环刀刃口向上，对准剪切盒口，将试样从环刀内推入剪切盒中，顺次放上蜡纸和透水石各一。然后放上活塞、钢球、装上垂直加压设备（暂勿加砝码）。

4、  在测力环上安装百分表。百分表的测杆应平行于测力环受力的直径方向，调整百分表使其指针在某一整数上（即长针指零，并作为起始零读数）。

5、  慢慢转动手轮，至上剪切盒支腿与测力环钢球之间恰好接触时（即测力环中百分表指针刚开始触动时）为止。

6、  在试样上施加垂直荷载。按第一个试样上应加的垂直压力（0.1Mpa）施加垂直荷载。

7、  拔出固定插销。开动秒表，同时以每分钟3~12转的速度均匀地转动手轮，进行剪切。当测力环中百分表指针不再前进而出现后退或剪切变形量达试样直径的1/15~1/10时，认为试样已经剪损，记录百分表指针最大读数（代表峰值抗剪强度），用0.01mm作单位，估读至0.001mm。（即百分表上大度盘的格做单位，估读至0.1格）。

8、  反转手轮，卸除垂直荷载和加压设备，取出已剪损的试样，刷净剪切盒，装入第二个试样。

9、  第二、三、四个试样分别施加0.2、0.3、0.4Mpa垂直压力后按同样步骤进行试验。

（三）成果整理

1、  计算每个试样在一定的垂直压力下的抗剪强度（τ_f）：

τ_f  ＝CR

式中：R  该试样在剪损时的百分表最大读数（单位：0.01mm）；

      C  测力环校正系数，Mpa/0.01mm。（由实验室提供）；

      τ_f 抗剪强度，Mpa

2、  绘制抗剪强度曲线

以垂直压力P为横坐标，抗剪强度τ_f为纵坐标，将四个实测点绘在图上，画一视测的平均直线，若各点不在一条近似的直线上，可按相邻的三点连接成两个三角形，分别求出两个三角形的重心，然后将两重心点连成一直线，即为抗剪强度曲线。

3、  确定抗剪强度指标

抗剪强度曲线在τ_f轴上的截距即为粘聚力C，精确至0.1Mpa，其倾角即为内摩擦角φ，精确至0.1度。

（四）有关问题说明：

1、  开始剪切之前，千万不能忘记必须先拔去插销。否则，测力环被压断，插销被剪弯，仪器即损坏。

2、  加砝码时，应将砝码上的缺口彼此错开，防止砝码一齐倒下压伤脚。

3、  如果时间允许，同学们可在四个试样中选定一个试样，在剪切过程中手轮每转一圈测记百分表读数一次，直至剪损。由手轮转数和百分表读数计算出手轮每转一圈时的剪变形和剪应力。

剪变形     λ（mm）＝0.2n－R

剪应力     τ（Mpa）＝CR

         式中：      n      手轮转数

0.2       手轮每转一圈推动轴前进的距离

                        C、R   意义同前

      以τ为纵坐标，λ为横坐标，绘制τ~λ关系曲线。

4、  每组做四个试样，每人交试验报告一份。

C  指示和建议

1、  预习时建议到实验室观看仪器构造。

2、  切取试样和推试样入盒时都要特别细心。

3、  必须事先记住试验步骤，试验时分好工，各人严守岗位，互相配合，动作应迅速准确，不允许临时一边看指示一边慢慢进行操作。

D  预习问题

1、  什么情况下要做剪切试验，求出φ、C值？

2、  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？

3、  三轴仪与直剪仪的主要区别在哪里？各有哪些优缺点？

                       试验报告

σ-τ_f  关系曲线

τ_f（Mpa）

0         0.1          0.2          0.3           0.4