华北电力大学大学

学生实验指导书

土力学

实验指导书

水利水电工程教研室

王俊奇   编

                   20##年10月1日

前言

土力学基础试验是土木工程专业的一门技术基础科学。做为一门课程其任务是通过介绍土力学基础试验的基本测试技术和试验方法，使学生获得专业所必需的试验基本技能，具备解决一般土工问题的能力，并对学生进行科学研究试验能力的培养，是土木工程专业高级技术人材所必需的基本训练的一部分。

为了达到预期目的，试验课必须注意以下几方面问题：

一、试验前认真预习指导书和课本有关内容，同时应复习其它已学有关课程的有关章节，充分了解各个试验的目的要求、试验原理、方法和步骤，并进行一些必要的理论计算。一些控制值的计算工作，试验前必须做好。

二、较大的小组试验，应选出一名小组长，负责组织和指挥整个试验过程，直至全组试验报告都上交后卸任，小组各成员必须服从小组长和指导教师的指挥，要明确分工，直辖市工作，不得撤离各自的岗位。

三、试验开始前，必须仔细检查试件和各种仪器仪表是否安装稳妥，荷载是否为零，安全措施是否有效，各项准备工作是否完成，准备工作完成，要经指导教师检查通过后，试验才能开始。

四、试验时应严肃认真，密切注意观察试验现象，及时加以分析和记录，要以严谨的科学态度对待试验的每一步骤和每一个数据。

五、严格遵守实验室的规章制度，非试验中仪器设备不要乱动；试验用仪器、仪表、设备，要严格按规程进行操作，遇有总是及时向指导教师报告。

六、试验中要小心谨慎，不要碰撞仪器、仪表、试件和仪表架等。

七、试验结束后，要及时卸下荷载，使仪器、设备恢复原始状态，以后小心卸下仪器仪表、擦净、放妥、清点归还，经教师认可并把试验记录交教师签字后离开。

八、试验资料应及时整理，按时独立完成试验报告，除小组分工由别人记录的原始数据外，严禁抄袭。

九、试验报告要求原始记录齐全、计算分析正确、数据图表清楚、心得体会深刻。

十、经教师认可，试验也允许采用另外方案进行。

实验项目1密度实验

密  度  试  验

SL237—004—1999

1  定义和适用范围

1.0.1  土的密度是土的单位体积质量。

1.0.2  本试验对一般粘质土，宜采用环刀法。土样易碎裂，难以切削，可用蜡封法。

2  引  用  标  准

     GB/T15406—94《土工仪器的基本参数及通用技术条件》经一篇：室内土工仪器。

     SD191—86《切土环刀》。

     SL110—95《切土环刀校验方法》。

3  环  刀  法

3.1  仪器设备

3.1.1  环刀：尺寸参数应符合GB/T15406—94的4.1.1.1规定。

3.1.2  天平：称量500g，分度值0.1g；称量200g，分度值0.01g。

3.1.3  其他：切土刀、钢丝锯、凡士林等。

3.2  仪器设备的检定和校验

3.2.1 天平应按相应的检定规程进行检定。

3.2.2  环刀应按SL110—95规定进行校验。

3.3  操作步骤

3.3.1  按工程需要取原状土或制备所需状态的扰动土样，整平其两端，将环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上。

3.3.2  用切土刀（或钢丝锯）将土样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，至土样伸出环刀为止。将两端余土削去修平，取剩余的代表性土样测定含水率。

3.3.3  擦净环刀外壁称量。在天平放砝码一端放一等量环刀，可直接称出湿土质量。准确至0.1g。

3.3.4  按式（3.3.4-1）、式（3.3.4-2）计算密度及干密度：

ρ=                                          (3.3.4-1)

ρ=                                    (3.3.4-2)

式中  ρ——密度，g/㎝³；

ρ_d——干密度，g/㎝³；

m——湿土质量，g；

V——环刀容积，㎝³；

ω——含水率，%。

计算至0.01g/cm³

3.3.5  本试验需进行2次平行测定，其平行差值不得大于0.03g/cm³。取其算术平均值。

3.4  记录

3.4.1本 本试验记录格式如表3.4.1。

表3.4.1  密度试验记录表（环刀法）

     工程名称                                试验者                  

     钻孔编号                               

     土样说明                                                    

     试验日期                                校核者                  

实验项目2  液塑限实验

含  水  率  试  验

SL237—003—1999

1  定义和适用范围

1.0.1  土的含水率是试样在105～110℃下烘到恒量时所失去的水质量和达恒量后干土质量的比值，以百分数表示。

1.0.2  本试验以烘干法为室内试验的标准方法。在野外如无烘箱设备和要求快速测定含水率时，可依土的性质和工程情况分别采用下列方法。

1  酒精燃烧法。适用于简易测定细粒土含水率。

2  比重法。适用于砂类土。

1.0.3  本规程适用于有机质（泥炭、腐植质及其他）含量不超过干质量5%的土，当土中有机质含量在5%～10%之间，仍允许采用本规程进行试验，但需注明有机质含量。

2  烘  干  法

2.1  仪器设备

2.1.1  烘箱：可采用电热烘箱或温度能保持

2.1.2  天平：称量200g，分度值0.01g。

2.1.3  其他：干燥器、称量盒（为简化计算手续可用恒质量盒）。

2.2  仪器设备的检定和校准

2.2.1  天平应按相应的检定规程进行检定

2.3  操作步骤

2.3.1  取代表性试样15～30g，放入称量盒内，立即盖好盒盖，称量。称量时，可在天平一端放上等质量的称量盒或与盒等质量量的砝码。称量结果即为湿土质量。

2.3.2  揭天盒盖，将试样和盒放入烘箱，在温度105～110℃下烘到恒量。烘干时间对粘质土不少于8h；砂类土不少于6h；对含有机质超过10%的土，应将温度控制在65～70℃的恒量下烘至恒量。

2.3.3  将烘干后的试样和盒取出，盖好盒盖放入干燥器内冷却至室温，称干土质量。

2.3.4  本试验称量应准确至0.01g。

2.3.5  按式（2.3.5）计算含水率：

ω=×100                                    (2.3.5)

式中  ω——含水率，%；

m——混土质量，g；

m₄——干土质量，g。

计算至0.1%。

2.3.6  本试验需进行2次平行测定，取其算术平均值，允许平行差值应符合表2.3.6规定。

2.4  记录

2.4.1  本试验记录格式如表2.4.1。

表2.4.1  含水率试验记录

     工程名称                                   试验者                  

     试验方法                                   计算者                  

     试验日期                                   校核者                  

界限含水率试验

SL237—007—1999

1  目的和适用范围

1.0.1  细粒土由于含水率不同，分别处于流动状态、可塑状态、半固体状态和固体状态。液限是细粒土呈可塑状态的上限含水率；塑限是细粒土呈可塑状态的下限含水率；缩限是细粒土从半固体状态继续蒸发水分过渡到固体状态时体积不再收缩的界限含水率。

1.0.2  本试验的目的是测定细粒上的液限、塑限和缩限，划分土类、计算塑性指数，供设计、施工使用。各项含水率的测定按SL237—003—1999《含水率试验》的烘干法进行。

1.0.3  本规程适用于粒径小于0.5mm颗粒组成及有机质含量不多于干土质量5%的土。

2  引  用  范  围

     GB/T15406—94《土工仪器的基本参数及通用技术条件》第一篇：室内土工仪器。

     GB7961—87《碟式液限仪》。

     SL113—95《光电式液塑限联合测定仪校验方法》。

     SL237—003—1999《含水率试验》。

     SL237—004—1999《密度试验》。

3  液限塑限联合测定法

3.1  仪器设备

3.1.1  液塑限联合测定仪。

1   圆锥仪：锥质量为76g，锥角30⁰。

2   读数显示：宜采用光电式、游标式，百分表式。光电式液塑限联合测定仪如图3.1.3。

3   测定仪的基本参数应符合GB/T15406—94  4.1.1.2的规定。

图  3.1.1  光电式液塑限联合

测定仪示意图

1-水平调节螺丝；2-控制开关；3-指示灯；4-零线调节螺丝；5-反光镜调节螺丝；6-屏幕；7-机壳；8-物镜调节螺丝；9-电磁装置；10-光源调节螺丝；11-光源；12-圆锥仪；13-升降台；14-水平泡

3.1.2  试样杯：直径40～50mm；高30～40mm。

3.1.3  天平：称量200g，分度值0.01g。

3.1.4  其他：烘箱、干燥缸、铝盘、调土刀、筛（孔径0.5mm），

凡士林等。

3.2  仪器设备的检定和标准

3.2.1  液、塑限联合测定仪的标准应按SL113—95规定的校验方法

进行。

3.2.2  天平应按相应的检定规程进行检定。

3.3  操作步骤

3.3.1  液限、塑限联合试验，原则上采用天然含水率的土样制备试样，但也允许用风干土制备试样。

3.3.2  当采用天然含水率的土样时，应剔除大于0.5mm的颗粒，然后分别按接近液限、塑限和二者的中间状态制备不同稠度的土膏，静置湿润。静置时间可视原含水率的大小而定。

3.3.3  当采用风干土样时，取过0.5mm筛的代表性土样约200g，分成3份，分别放入3个盛土皿中，加入不同数量的纯水，使分别达到本规程3.3.2中所述的含水率，调成均匀土膏，然后放入密封的保温缸中，静置24h。

3.3.4  将制备好的土膏用调土刀充分调拌均匀，密实地填入试样杯中，应使空气逸出。高出试样杯的余土用刮土刀刮平，随即将试样杯放在仪器底座上。

3.3.5  取圆锥仪，在锥体上涂以薄层润滑油脂，接通电源，使电磁铁吸稳圆锥仪（对于游标式或百分表式，提起锥杆，用旋钮固定）。

3.3.6  调节屏幕准线，使初读数为零（游标尺或百分表读数调零）。调节升降座，使圆锥仪锥角接触试样面，指示灯亮时圆锥在自重下沉入试样内（游标式或百分表式用手扭动旋钮，松开锥杆），经5s后立即测读圆锥下沉深度。然后取出试样杯，取10g以上的试样2个，测定含水率。

3.3.7  按本规程3.3.4～3.3.6的规定，测试其余2个试样的圆锥下沉深度和含水率。

3.4  计算和制图

3.4.1  按式（3.4.1）计算含水率：

ω=×100                            （3.4.1）

式中  ω——含水率，%；

m——湿土质量，g；

m_d——干土质量，g。

计算至0.1%。

3.4.2  以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制关系曲线。三点连一直线，如图3.4.2中的A线。当三点不在一直线上，通过高含水率的一点与其余两点连成两条直线，在圆锥下沉深度为2mm处查得相应的含水率，当两个含水率的差值小于2%时，应以该两点含水率的平均值与高含水率的点连成一线，如图3.4.2中的B线。当两个含水率的差值大于、等于2%时，应补做试验。

3.4.3  在圆锥下沉深度与含水率关系图上，查得下沉深度为17mm所对应的含水率为液限；查得下沉深度为2mm所对应的含水率为塑限，以百分数表示，取整数。

3.4.4  按式（3.4.4-1）计算塑性指数和液性指数：

I_p=ω_L-ω_p           (3.4.4.-1)

I_L=          (3.4.4-2)

式中  I_p——塑性指数；

ω_L——液限，%；

ω_p——塑限，%；

ω——天然含水率，%；

IL——液性指数，计算至0.01。

图  3.4.2  圆锥下沉深度

与含水率关系图

3.5  记录

3.5.1  本试验记录格式如表

表3.5.1  液塑限联合试验记录表

     工程名称                                   试验者                   

     土样说明                                   计算者                  

     试验日期                                   校核者                  

4  土的液限试验

（1）定义土的液限试验也叫流限试验。液限是指粘性土的可塑状态与流动状态分界处的

含水率。

（2）试验目的测定土的液限含水率，用以计算土的塑性指数和液性指数，作为粘性土的

分类以及计算地基土承载力的一个依据。

（3） 试验方法及适用条件试验方法有液、塑限联合测定法、手落碟式液限仪、手提落

锥法。液、塑限联合测定法适用于粒径小于0.5mm以及有机质含量不大于试样总质量5%的土。碟式液限仪和手提落锥法适用于粒径小于0.5mm的土。本试验采用手提落锥法。

（4） 仪器设备

1）锥式液限仪（图3-）；

2）天平：感量0.01克；

3）调土器玻璃板，调土刀，灰刀(刮土刀)；

4）烘箱、干燥器、铝盒等；

（5） 试验步骤

1）土样过0.5mm筛。将过筛后的土样加水调成糊状用湿布盖好静置一昼夜以使土样内水

分均匀。

2）将制备好的试样用调土刀在调土器内拌匀，分层装入试杯内，填装时务必注意勿使试

样内留有空隙或气泡，用刮刀将多余土刮去使与杯口齐平。刮土时不得反复涂抹土面。

3）将锥体擦净，涂上一薄层凡士林。用手提住手柄轻轻地放在试样中心使锥尖恰与土面接

触(锥尖接触土面时应避免冲击)，然后放开手指让锥体自由垂直下沉入土。经15 秒后如锥体上

10mm 的刻线正好在与锥体相接触的土面时，则表示试样含水量恰好为液限。如锥体刻线尚在土

面以上，这表示含水量低于液限，这时需将土全部取出(粘有凡士林的一部分挖去)，加适量水重

新调拌均匀，然后重复1、2 步骤。(加水用喷雾器打) ；如锥体刻线已落入土面以下，这表示含

水量巳超过液限，仍需将土全部取出，用吹风器适当边吹边拌均匀，重复1、2 步骤。

4）试验合格后，取出锥体，除去粘有凡士林的土，在锥孔附近挖取土样15 克左右，按含水

率试验方法测定其含水量。

5）本试验进行二次平行试验，结果之差不得大于2％。

(6) 计算

按下式计算液限

 （4-5）

式中：wL－液限，%；

m1－湿土加铝盒质量，g；

m2－干土加铝盒质量，g；

m0－铝盒质量，g；

计算至 0.1%。

以上记录用钢笔或圆珠笔填在土力学试验表中，并按要求进行成果整理。

5  土的塑限试验

（1）定义塑限试验是粘性土可塑状态与半固体状态的界限含水量。

（2） 试验目的测定土的塑限，并与液限试验结合计算土的塑性指数和液性指数，作为粘性

土的分类以及估计地基土承载力的一个依据。

（3）试验方法 采用搓条法，适用于粒径小于0.5mm 的土。

（4） 仪器设备

1）毛玻璃扳：尺寸宜为200mm×300mm。

2）卡尺：分度值为0.02mm。

3）其它：天平（感量0.001g）、烘箱、干燥器、铝称量盒、调土刀、调土器等。

（5）操作步骤

1）按液限试验办法制备土样，水分应适当减少。

2）将捏成手指大小的土团(球形、椭圆形)放在干燥清洁的毛玻璃板上用手掌适当加压滚动，

搓条时以手掌均匀施加压力，不得无压滚动，搓条长度不宜超出手掌宽度，并在任何情况下不容

许产生中空现象。

3） 若土条滚搓到直径3mm 时，表面产生许多龟裂同期开始断裂，这时土的含水率就是塑

限。将合格的土条迅速装入铝称量盒，随即盖紧盒盖，接着进行第二个土条和第三个土条搓滚试

验，直至收集3—5g 土条时(约3—4 个土条)，立即称量，然后放入烘箱在105℃恒温下烘干直至

恒量。称量并计算土的塑限含水率。

（6）计算

按下式计算塑限

式中符号意义同液限试验。

根据液限、塑限计算塑性指数：I p = wL ? wp，根据塑性指数确定该粘土的名称。

以上记录用钢笔或圆珠笔填在土力学试验表中，并按要求进行成果整理。

实验三颗粒分析试验

1.试验目的

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。

2.试验方法与适用范围

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。

3.仪器设备：

（1）标准筛：粗筛（圆孔）：孔径为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm；细筛：孔径为2mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.074mm。

（2）天平：称量1000g；称量200g。

（3）其它：烘箱、研钵、振筛机、瓷盘、毛刷、木碾等：

4.试验步骤（无凝聚性土的筛分法）

（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。

5.成果整理

（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% 13

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：

C_u=d₆₀／d₁₀

式中：C_u —— 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：

C_c=d₃₀²／(d₁₀×d₆₀)

式中：C_c —— 曲率系数；

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）。

(5)颗粒分析示例

实验四      固结试验

土样编号：                             试验者：                                 

试验方法：                             计算者：                                 

试验日期：                             试验成绩：                               

一、    固结试验目的：

固结试验是测定土体在外力作用下排水、排气、气泡压缩性质的一种测试方法。在一般情况下，土体承受三个主应力的作用，发生三相应变。压缩试验的目的在于测定试样在侧限和轴向排水条件下的变形和压力、变形和时间以及空隙比和压力间的关系，以便绘制压缩曲线，求得土的压缩系数a_V、压缩模量E_S、，以便来判断土的压缩性和进行变形计算。
二、实验方法：
正常慢固结试验、快速固结试验。本试验因时间关系用快速固结试验法。
三、试验原理：
    试样装在厚壁金属容器内，上下各放透水石一块，然后在试样上分级施加垂直压力P。记录加压后不同时间的垂直变形量，绘制不同荷载下垂直变形量Δh与时间t的关系曲线；垂直变形Δh与相应荷载P的关系曲线；空隙比e与荷载P的关系曲线。由于试样受金属厚壁容器的限制，不可能产生侧向膨胀，土样只有垂直变形，故该试验称为侧限压缩试验。通过记录加压前后土样空隙比的变化，建立变形和空隙比的关系，然后计算地基的压缩模量。四、仪器设备：
    目前常用的压缩试验仪分杠杆加压式和磅称式两种。本试验用杠杆加压式。常用型号WG—1B三联中压固结仪、WG—1C三联低压固结仪。
1、压缩仪（土样面积30cm2，土样高度2cm），固结压力应满足12.5、25.0、50.0、100.0、200.0、300.0、400.0、600.0、800.0、1600.0kp的等级荷载，杠杆比1：12。
2、测微表（最大量程为10mm、最小分辨率为0.01mm的百分表）。
3、透水石 试样上下放透水石，以便于土样受压后土中空隙水排除。

五、操作步骤
1、环刀选用    按工程需要选择(大环刀)50cm²或(小环刀)30cm²切土环刀（本试验用30cm²切土环刀），调整天平平衡，称量环刀的重量m₁，计算初始密度ρ₀，填入表1中。
2、套切试样前环刀内壁涂一薄层凡士林，以减少试样与环刀壁的摩擦及对试样的扰动。整平试样两端用环刀套切试样。

3、试样制备    切取原状土样时刀口朝下，土层受压方向应与天然土层受压方向一致，并观察土样的层次、颜色、有无杂质等，如有杂质时取出并用余土填补空缺处，小心地边压边削，注意避免环刀偏心入土，将土样修成略大于环刀的土柱，直至试样突出环刀为止，用钢丝锯拉断土样，然后修去上下两端余土，再修平试样两端表面，擦净环刀外壁，称环刀与湿土的质量m₂，求得实验前的湿密度ρ₀，立即用玻璃板将环刀两端盖上，防止水分蒸发。再用天平称两个铝盒的重量 ，取10克左右的土样，称两个铝盒加湿土样的重量，放在烘箱烘干8h，称铝盒加干土的重量,计算初始含水量W₀，并将有关数据填入表2中。

4、安装试样    装入护环，在固接仪底部的透水石上放湿润的滤纸一张，将带有环刀的试样刀口朝上，再放湿润的滤纸一张，然后放上透水石和加压盖板，以及定向钢球。
5、固接容器和量表安装  将装好的固结容器放在加压框架上，对准加压框架正中，装上量表，并调节其可伸长距离不大于8mm，然后检查量表是否灵敏和垂直，使百分表长针正好对准“0”字，短针对准刻度的中间（注意要将百分表活动杆提到上部再调“0”。
6、施加预压荷载
    在砝码盘上加预压荷载1kp（此时试样所受压力约1kpa），检查试样与仪器上下各部件之间接触是否良好，如果良好则表针转动，然后微调表盘，使长指针对准零点方便计算。
7、施加第一级荷载并测读压缩量
    工程上加载大小与级数根据土质实际情况需要确定。本次实验采用常规实验确定用50、100、200、300 kpa等四级荷载顺序加压。施加第一级荷载P₁=50kpa，注意加砝码为吊盘+0.319kg+0.637 kg要轻放，避免发生冲击，在加荷的同时开动秒表，记录表读数。根据SD128-84《土工试验规程》，加荷后按下列时间顺序记录表读数，工程上加载为时间24h，教学试验受时间限制可选择1min、2min、3min、 4min、5min、 6min、7min、8min 9min、10min所对应的百分表的读数，并填入表3中，卸下第一级荷载，按装荷载的相反顺序取出土样。
8、根据上述施加一级荷载的步骤施加P₂=100kpa（吊盘+0.319kg+0.637kg+1.275kg）；P₃=200kpa（吊盘+0.319kg+0.637kg+1.275kg+2.55kg）；

P₄=300kpa,（吊盘+0.319kg+0.637 kg+1.275kg+2.55kg+2.55kg）等各级荷载，并记录压缩量填在表3中。

9、实验结束，迅速拆除仪器各部件，将环刀中的试样取出，洗净环刀放到规定的地点。

五、试验数据的记录和资料整理（注意单位要统一）
1、基本数据：
试样面积S=30cm²     给定土粒比重Gs=2.72（g/cm³）          试样初始高度h₀=20mm
ρ_w=1g/cm³
2、计算试样初始空隙比e₀

ρ₀—初始密度，                             w₀—初始含水率

3、试样颗粒净高hs（mm）

4、计算各级荷载下压缩稳定后的空隙比ei

ΣΔhi—某一级荷载下土样变形量（Ｒi-Ｒ0）mm，

（Ｒi-Ｒ0）—百分表终读数减去某一级荷载下的百分表初读数

5、计算压缩系数a_i

某级荷载后（下一级）压缩稳定后的空隙比
p_i——某一级荷载值(kpa)
p_i+1——对应于 时的荷载值(kpa)

6、计算压缩模量Esi　　　　　　　7、压缩仪构造图

                                          1、水槽                      2、护环  
                                          3、环刀                      4、加压上盖  
                                          5、透水石                    6、量表导杆  
                                          7、量表架                    8、削好的试样  
   
   

   
                                      含水率计算表：                      表1   

                                   密度计算表：                            表2   

固结实验变形记录表：                         表3

固结实验计算表                                     表5

 六、思考题：  
 1、压缩系数a_1-2和压缩指数Cc有何作用？  
     

   
 2、根据压缩系数a_1-2的大小，来判断本实验土的压缩性高低？  
   
   

 3、绘制e~p曲线、绘制Ei~p关系曲线   

实验五   匣式直接剪切实验  
  土样编号：                                试 验 者：                           
  试验方法：                                计 算 者：                             
  试验日期：                                试验成绩：                            
   
 1、 试验原理：  
    土的破坏都是剪切破坏，土的抗剪强度是土在外力作用下，其一部分土体对于另一部分土体滑动时所具有的抵抗剪切的极限强度。土体的一部分对于另一部分移动时，便认为该点发生了剪切破坏。无粘性土的抗剪强度与法向应力成正比；粘性土的抗剪强度除和法向应力有关外，还决定于土的粘聚力。剪切破坏是强度破坏的重要特点。土的摩擦角φ、粘聚力c是土压力、地基承载力和土坡稳定等强度计算必不可少的指标。土的强度为土木工程的设计和验算提供理论依据和计算指标。  
 2、 试验目的：  
    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  
  库仑公式：  
    砂性土  τ=σtgφ                       粘性土  τ_f=σtgφ+c    
  其中τ、τ_f—抗剪强度（kpa）    σ—正应力（kpa）   φ—内摩擦角(度)    c—内聚力（kpa）   
      tgφ—直线的斜率  
  砂土的内摩擦角φ取决于砂粒间的摩擦力以及连锁作用，一般，中砂、粗砂、砾砂的φ=320~400，粉砂、细砂的φ=280~360。  
  库仑定律表明，在一般的荷载范围内土的抗剪强度与法向应力之间呈直线关系。  
  3、 试验方法：  
  固接慢剪、固接快剪、快剪法。本试验常用方法：快剪法。  
  （1）固接慢剪原理：先使土样在某一级垂直压力作用下排水固结变形稳定，排水固结变形稳定16小时后，缓慢施加水平剪应力。在施加剪应力过程中，使土样始终不产生空隙水压力，如用几个土样在不同垂直压力下进行固结慢剪，将会得到有效应力下的抗剪强度参数内聚力C和φ。该试验历时时间较长，一般不用。  
  （2）固结快剪：先使土样在某荷载下固结，再以较快速度施加剪力，直至剪坏，一般3~5分钟内完成。由于时间短，剪力所产生的超静水压力不会转化为土颗粒间的有效应力；这样就使得库仑公式中的τ和P都被控制着。如用几个土样在不同的P作用下进行试验便能求得C和φ值，这种C和φ值称为总应力法强度参数。  
  （3）快剪法：尽量采用原壮土样或接近现场的土样，然后在较短的时间3~5分钟内完成，这种方法将使土颗粒间有效应力维持原状，不受实验时外力的影响，但由于这种颗粒间有效应力的数值无法求得，所以试验结果只能得出(ptgφ+cq)的混合值。快速法适合于测定粘性土天然强度，但φq角将会偏大。  
  4、仪器设备  
  （1）ZJ-1、ZJ-2型等应变直剪仪   本试验采用应变控制匣式直接剪切仪，由上盒及下盒、垂直加压框架、量力环、剪切传动装置等组成，试样置于剪力盒中，通过在垂直应力作用下施加水平力，使上下两盒错动导致试样被剪坏。上匣固定，下匣可以水平方向移动，且下匣放在钢珠上，目的是避免由于钢珠而导致滚动摩擦力影响。加压原理采用杠杆传动，杠杆比1：12。  
  （2）环刀   试样底面积为30cm² ，高度为2cm，环刀内径为6.18cm。  
 

（3）应变圈附加百分表也叫测力计，根据编号查测力计校正系数，每台设备系数不同。  
  百分表作用：读出剪切变形量。  
 （4）切土刀   作用：削土样用。  
 （5）钢丝锯   作用：锯断土样。  
 （6）滤纸   作用：吸取试样两端的表面水。  
 （7）圆玻璃片   作用：放在试样的两端防止水分蒸发。  
 （8）透水石   作用：土样受压时以便空隙水排除。  
  手摇应变控制式直接剪切仪结构如图：  

5、操作步骤：  
  （1）拿来事先准备好的土样，环刀刀口朝下，边压边削，直至土样露出环刀，用钢丝锯锯断土样，擦干净环刀外环，并将土样两侧削平，不平之处补平，土样两侧均放上玻璃片。  
  （2）不加荷载只加吊盘，调整加压杠杆系统平衡。  
  （3）将直剪仪的上下盒对准，插入固定销钉，缓慢转动手轮，直至百分表指针转动，说明此时应变圈和剪力盒接助良好。  
  （4）在试样下面放透水石一块及湿润滤纸一张，将盛有试样的环刀平口向下、刀口向上，放透水石一块对准剪切盒的上盒，用力将土样推入盒内，并顺次加上传压活塞及加压框架。   
  （5）拔下销钉，此时记录百分表的初度数，轻轻加上一级荷载50kpa（吊盘+0.319kg+0.637kg），以每分钟4—6圈的速度转动手轮，当表针不动或回转时试样被剪坏，记录终读数，填入表1中,取出破坏的土样。继续加二级荷载100kpa（吊盘+0.319kg+0.637kg+1.275kg）；三级荷载200kpa（吊盘+0.319kg+0.637kg+1.275kg+2.55kg）；四级荷载300kpa（吊盘+0.319kg+0.637kg+1.275kg+2.55kg+2.55kg）；取出土样，按上述程序重新放置土样，并加不同的载荷，记录初、终读数。原则上在3~5分钟内剪完。  
（6）根据仪器编号及应变圈编号抄写应变圈系数K。  
 

编号9034  K=1.556kPa/0.01mm               编号9033   K=1.565kPa/0.01mm  
编号8939  K=1.565kPa/0.01mm               编号93476  K=1.901kPa/0.01mm  
编号93439  K=1.903kPa/0.01mm              编号23551  K=1.1.869kPa/0.01mm  
编号23586  K=1.684kPa/0.01mm              编号23597  K=1.867kPa/0.01mm   
编号23572  K=1.905kPa/0.01mm   

 6、计算和制图                                                                                表1  
   

  按下式计算每一试样的抗剪强度：  
  τ=KΔR
 式中S—抗剪强度（kPa）           K—应变圈系数（kPa/0.01mm）  
       ΔR—剪切时应变圈中测微表的初读数与剪坏时终读数之差（0.01mm）  
       C—内聚力   
     

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（τ－L关系曲线）；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（τ－p关系曲线），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）。                                                                                                      
 

  7、试验思考题  
  （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？