土力学与基础工程实验指导书.docx

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土力学与基础工程实验指导书

《土力学与基础工程》

试验指导书

（土木工程实验室编）

福建省武夷学院环境与建筑工程系

2011．02

目录

1、概述

1．1土工试验的目的和要求

1．2试验考核

1．3试验内容及日程安排

2、土工试验课的要求

2．1试验室的纪律要求

2.2试验与试验报告的要求

3、试验的内容

实验一土的含水率试验

实验二土的密度试验

实验三土的颗粒大小分析试验

实验四界限含水率试验

实验五直接剪切试验

实验六土的击实试验

实验七标准贯入试验（选作）

1、概述

1．1实验目的与要求

土力学与地基基础是一门实践性很强的学科。

在完成土的工程地质性质的研究的理论知识后，通过这次实习

（1）加深对工程地质性质理论知识的理解；

（2）认识重力触探现场测试方法和标准贯入试验方法。

（3）加深对土的常规试验（室外取土、土样制备、密度试验、含水量试验、击实试验等）的理解及感观认识和动手操作能力。

本次实习要求学生在预习基础上，严格按试验规程操作，记录真实试验数据，并进行试验结果的整理及提交试验报告。

1．2、实验态度

在整个试验过程中，既要以探索的精神，发挥自己的学识，提出独立见解，又要以科学的态度严肃认真地对待每项试验步骤，绝不允许任意涂改试验数据，故意地与预期结果相吻合。

在试验过程中要求同学们做到：

（1）．明确试验目的，试验前对该项材料的性质及技术要求应有一定程度的了解；

（2）．建立严格的科学工作秩序，遵守试验室各项制度及试验操作规程；

（3）．密切注视试验中出现的各种现象，并分析其原因；

（4）．试验数据按有关规定进行处理，在此基础上，对试验结果作出实事求是的结论。

1．3、实验考核

1、形式：

单独评定实习成绩

2、成绩评定标准：

1）、学习态度及考勤20%

2）、实习过程的操作表现40%

3）、书面实习成果40%

3、考核办法：

由实习指导教师根据学生实习中的表现和实习成果来评定。

1．4实验内容及日程安排

时间

试验内容

天然含水量试验

测定土的天然密度

土的颗粒大小分析试验

界限含水率试验

直接剪切试验

击实试验

标准贯入试验

完善试验成果、提交试验报告

各项试验的试验目的、实验仪器、操作步骤与要求及成果整理所需表格如附件所示。

2、土工实验课的要求

2．1实验室的纪律要求

（1）.进入试验室后，要听从教师的安排，不得大声说笑和打闹。

（2）.进入试验室后，对本组所用的仪器设备进行检查，如有缺损或失灵应立即报告，由教师修理或调换，不得私自拆卸。

试验结束时，应将所用仪器设备按原位放好，经检查后方可离开试验室。

（3）.要爱护试验仪器设备，严格按照试验操作规程进行试验，同时注意人身安全，非本次试验所用的室内其他仪器，不得随便乱动。

（4）.在试验过程中，当仪器设备被损坏时，当事者应立即向试验室教师报告，由其根据学校的规定给予检查或赔偿等处理。

（5）.试验结束后，每组学生对所用的仪器设备及桌面、地面应加以清理，并由各试验小组轮流做全室的卫生整理。

（6）.完成实验后，经教师同意后方可离开试验室。

2.2实验与实验报告的要求

（1）.每次做试验以前，要认真阅读试验指导书，熟悉试验内容和试验方法步骤。

（2）.要以严肃的科学态度、严格的作风、严密的方法进行试验，认真记录好试验数据。

（3.）在试验课进行中要认真回答教师提出的问题，回答问题的情况作为试验课考核成绩的一部分。

（4）.要认真填写、整理试验报告，不得潦草，不得缺项、漏项，报告中的计算部分必须完成，同时要保持试验报告的整洁。

（5）.试验报告应及时完成，并按老师规定的时间上交。

3、实验内容

实验一土的含水率试验

（一）、实验目的

土的含水率指土在105—1100C下烘于恒量时所失去的水的质量和干土质量的百分比值。

土在天然状态下的含水率称为土的天然含水率。

所以，试验的目的：

测定土的含水率。

（二）、实验方法适用范围

1、烘干法：

室内试验的标准方法，一般粘性土都可以采用。

2、酒精燃烧法：

适用于快速简易测定细粒土的含水率。

3、比重法：

适用于砂类土。

（三）、烘干法实验

1、仪器设备

①烘箱：

采用电热烘箱；②天平：

称量200g,分度值0.01g；③其他：

干燥器，称量盒。

2、操作步骤

（1）取代表性试样，粘性土为15—30g,砂性土、有机质土为50g,放入质量为m0的称量盒内，立即盖上盒盖，称湿土加盒总质量m1，精确至0.01g.

（2）打开盒盖，将试样和盒放入烘箱，在温度105——1100C的恒温下烘干。

烘干时间与土的类别及取土数量有关。

粘性土不得少于8小时；砂类土不得少于6小时；对含有机质超过10%的土，应将温度控制在65——700C的恒温下烘至恒量。

（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，称干土加盒质量m2为，精确至0.01g。

3、计算含水率：

按下式计算

要求：

（1）计算准确至0.1%；

（2）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下表规定。

含水率（%）

小于10

10—40

大于40

允许平行差值（%）

0.5

1.0

2.0

5、本试验记录格式详见报告

实验二土的密度试验

（一）、实验目的

测定土在天然状态下单位体积的质量。

（二）、实验方法与适用范围

1、一般粘性土，宜采用环刀法

2、易破碎，难以切削的土，可采用蜡封法

3、对于砂土与砂砾土，可用现场的灌砂法或灌水法。

（三）、环刀法的试验

1、仪器设备

①符合规定要求的环刀；②精度为0.01g的天平；③其他：

切土刀，凡士林等。

2、操作步骤

（1）测出环刀的容积V，在天平上称环刀质量m1。

（2）取直径和高度略大于环刀的原状土样或制备土样。

（3）环刀取土：

在环刀内壁涂一薄层凡士林，将环刀刃口向下放在土样上，随即将环刀垂直下压，边压边削，直至土样上端伸出环刀为止。

将环刀两端余土削去修平（严禁在土面上反复涂抹），然后擦净环刀外壁。

（4）将取好土样的环刀放在天平上称量，记下环刀与湿土的总质量m2

3、计算土的密度：

按下式计算

4、要求：

①密度试验应进行2次平行测定，两次测定的差值不得大于0.03g/cm3，取两次试验结果的算术平均值；②密度计算准确至0.01g/cm3.

5、本试验记录格式详见实验报告

实验三土的颗粒大小分析试验

（一）、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。

（二）试验方法与适用范围

1、筛析法：

适用于粒径大于0.075mm的土。

2、密度计法：

适用于粒径小于0.075mm的土。

3、移液管法：

适用于粒径小于0.075mm的土。

4、若土中粗细兼有，则联合使用筛析法及密度计法或移液管法。

（三）、筛分法实验

1、仪器设备：

（1）符合GB6003——85的要求的试验筛。

粗筛：

圆孔，孔径为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm；细筛：

孔径为2.0、1.0、0.5、0.25、0.1、0.075mm。

（2）、天平：

称量1000g与称量200g。

（3）、台秤：

称量5kg.。

（4）、振筛机：

应符合GB9909——88的技术条件。

（5）、其他：

烘箱、研钵、瓷盘、毛刷、木碾等。

2、操作步骤（无粘性土的筛分法）

（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：

1粒径小于2mm颗粒的土取100g——300g

2最大粒径小于10mm的土取300g——1000g

3最大粒径小于20mm的土取1000g——2000g

4最大粒径小于40mm的土取2000g——4000g

5最大粒径小于60mm的土取4000g以上。

称量准确至0.1g；当试样质量多于500g时，准确至1g。

（2）将试样过2mm细筛，分别称出筛上和筛下土质量。

（3）取2mm筛上试样倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中；取2mm筛下试样倒入依次叠好的最上层筛中，进行筛析。

细筛宜放在振筛机上震摇，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，如仍有土粒漏下，应继续轻叩摇晃，至无土粒漏下为止。

漏下的土粒应全部放入下级筛内。

并将留在各筛上的试样分别称量，准确至0.1g。

（5）各细筛上及底盘内土质量总和与筛前所取2mm筛下土质量之差不得大于1%；各粗筛上及2mm筛下的土质量总和与试样质量之差不得大于1%。

注：

若2mm筛下的土，小于试样总质量的10%，则可省略细筛筛析；若2mm筛上的土，小于试样总质量的10%，则可省略粗筛筛析。

3、计算与制图

（1）计算小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分数：

式中：

X——小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分数；

mA——小于某粒径的试样质量，g；

mB——当细筛分析时或用密度计法分析时所取试样质量（粗筛分析时则为试样总质量），g；

dx——粒径小于2mm或粒径小于0.075mm的试样质量占总质量的百分数，如试样中无大于2mm粒径或无小于0.075mm的粒径，在计算粗筛分析时则dx＝100%。

（2）绘制颗粒大小分布曲线。

以小于某粒径的试样质量占总质量的百分数为纵坐标，以粒径在对数横坐标上进行绘制（详见教材）。

然后求出各粒组的颗粒质量的百分数。

（3）计算级配指标

1不均匀系数：

②曲率系数

实验四界限含水率试验

（一）、实验目的和适用范围

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。

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。

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

（二）、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。

一扁：

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》。

（三）、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—944.1.1.2的规定。

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

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

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；

md——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：

Ip=ωL-ωp（3.4.4.-1

IL=

（3.4.4-2）

式中Ip——塑性指数；

ωL——液限，%；

ωp——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

实验五直接剪切试验

1目的和适用范围

1.0.1直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法。

通常采用4个试样，分别在不同的垂直压力p下，施加水平剪切力进行剪切，求得破坏时的剪应力τ。

然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数：

内摩擦角φ和粘聚力c。

1.0.2直接剪切试验分为不快剪（Q）、固结快剪（CQ）和慢剪（S）3种试验方法。

1快剪试验（Q），是在试样上施加垂直压力后立即快速施加水平剪切力。

2固结快剪试验（CQ），是在试样上施加垂直压力，待排水固结稳定后，快速施加水平剪切力。

3慢剪试验（S），是在试样上施加垂直压力及水平剪切力的过程中，均应使试样排水固结。

1.0.3本规程适用于测定细粒土的抗剪强度参数c和ψ及土颗粒的粒径应小于2mm砂土的抗剪强度参数ψ。

渗透系数k大于10-6cm/s的土不宜作快剪试验。

2引用标准

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。

GB4934—85《应变控制式直剪仪》。

SL110—95《切土环刀的校验方法》。

SL116—95《应变控制式直剪仪检验方法》。

SL237—002—1999《土样和试样制备》。

SL237—003—1999《含水率试验》。

SL237—004—1999《密度试验》。

3仪器设备

3.1仪器设备

图3.1.1应变控制式直剪仪结构示意图

1—垂直变形百分表；2—垂直加压框架；3—推动座；

4—剪切盒；5—试样；6—测力地；7—台板；8—杠杆；9—磕码

3.1.1应变控制式直剪仪（图3.1.1）。

主要部件包括：

剪切盒（水槽、上剪切盒、下剪切盒），垂直加压框架，测力计及推动机构等。

其技术条件应符合GB/T15406—94的规定。

3.1.2位移计（百分表）：

量程5～10mm，分度值0.01mm。

3.1.3天平：

称量500g，分度值0.1g。

3.1.4环刀：

内径6.18cm,高2cm。

3.1.5其他：

饱和器、削土刀（或钢丝锯）、秒表、滤纸、直尺等。

3.2仪器设备的检定和校准

3.2.1环刀，按SL110—95的校验方法进行校验。

3.2.2直接剪切仪：

应按SL116—95的校验方法进行校验。

3.2.3天平：

应按相应的检定规程进行检定。

3.2.4位移计（百分表）：

参照JJG34—84《百分表检定规程》进行检定。

4操作步骤

4.1试样制备

4.1.1粘性土试样制备

1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。

制备方法应按SL237—002—1999规程规定进行。

2按SL237—004—1999规程及SL237—003—1999规程的规定，测定试样的密度及含水率。

对于扰动试样需要饱和时，按SL237—002—1999规程规定的方法进行抽气饱和。

4.1.2砂类土试样制备

1取过2mm筛孔的代表性风干砂样1200g备用。

按要求的干密度称每个试样所需风干砂量，准确至0.1g。

2对准上下盒，插入固定销，将洁净的透水板放入剪切盒内。

3将准备好的砂样倒入剪力盒内，拂平表面，放上一块硬木块，用手轻轻敲打，使试样在到要求的干密度。

然后取出硬木块。

4.1.3每组试验应取4个试样，在4种不同垂直压力P下进行剪切试验。

一个垂直压力相当于现场预期的最大压力P，一个垂直压力要大于P。

但垂直压力的各级差值要大致相等。

也可以取垂直压力分别为100、200、300、400kPa，各个垂直压力可一次轻轻施加，若土质松软，也可分及施加以防试样挤出。

4.2试样安装与剪切

4.2.1快剪试验（Q）

1对准上下盒，插入固定销。

在下盒内放不透水板。

将装有试样的环刀平口向下，对准剪切盒口，在试样顶面放不透水板，然后将试样徐徐推入剪切盒内，移去环刀。

对砂类土按本规程4.1.2之3规定制备和安装试样。

2转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触。

调整没力计读数为零。

顺冰加上加压盖板、钢珠、加压框架，安装垂直位移计，测记起始读数。

3按本规程4.1.3规定施加垂直压力。

4施加垂直压力后，立即拔去固定销。

开动秒表，以0.8～1.2mm/min的速率剪切（每分钟4～6转的均匀速度转手轮），使试样在3～5min内剪损。

如测力计的读数达到稳定，或有显著后退，表示试样已剪损。

但一般宜剪至剪切变形达到4mm。

若测力计读数继续增加，则剪切变形应在到6mm为止。

手轮每转一转，同时测记测力计读数并根据需要测记垂直位移计读数，直至剪损为止。

5剪切结束后，吸去剪切盒中积水，倒转手轮，尽快移去垂直压力、框架、钢珠、加压盖板等。

取出试样，测定剪切面附近土的含水率。

4.2.2固结快剪试验（CQ）。

1按本规程4.2.1之1和2规定进行试样安装和定位。

但试样上下两面的不透水板改放湿滤纸和透水板。

2如系饱和试样，则在施加垂直压力5min后，往剪切盒水槽内注满水；如系非饱和土，仅在活塞周围包以湿棉花，防止水分蒸发。

3在试样上施加规定的垂直压力后，测记垂直变形读数。

如每小时垂直变形读数变化不超过0.005mm，认为已达到固结稳定

4试样达到固结稳定后，按本规程4.2.1之4和5规定进行剪切，剪切后取试样测定剪切面附近度样的含水率。

4.2.3慢剪试验（S）。

1按本规程4.2.1之1和2规定进行试样安装；按本规程4.2.2之3规定进行试样固结。

待试样固结稳定后进行剪切。

剪切速率应小于0.02mm/min。

也可按式（4.2.3）估算剪切破坏时间。

Tƒ=50t50（4.2.3）

式中tƒ——达到破坏所经历的时间；

t50——固结度达到50%的时间。

2剪损标准按本规程4.2.1之4规定选取。

3按本规程4.2.1之5规定进行拆卸试样及测定含水率。

5计算和制图

5.0.1按式（5.0.1）计算试样的剪应力：

τ=CR/Ao×10（5.0.1）

式中τ——剪应力，kPa；

C——测力计率定系数，N/0.01mm；

R——测力计读数，0.01mm；

Ao——试样面积，cm2；

10——单位换算系数。

5.0.2以剪应力为比纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力τ与剪切位移△ι关系曲线，见图5.0.2。

5.0.3选取剪应力τ与剪切位移△ι关系曲线上的峰值点或稳定值作为抗剪强度S，如图5.0.2中曲线上的箭头所示。

如无明显峰点，则取剪切位移△ι等于4mm对应的剪应力作为抗剪强度S，图5.0.2中，P1、P2、P3为相应的垂直压力。

5.0.4以抗剪强度S为纵坐标，垂直压力P为横坐标，绘制抗剪强度S与垂直压力P的关系曲线，如图5.0.4所示。

根据图上各点，绘一视测的直线。

直线的倾角为土的内摩擦角ψ，直线在纵坐标轴上的截距为土的粘聚力c。

图5.0.4抗剪强度与垂直压力的关系曲线

图5.0.2剪应力与剪切位移关系曲线

6记录

6.0.1本试验记录格式如下表6.0.1-1

表6.0.1-1直剪试验记录表

实验六土的击实试验

（一）、实验目的

本试验的目的是用标准的击实方法，测定土的密度与含水率的关系，从而确定土的最大干密度与最优含水率。

轻型击实试验适用于粒径小于5mm的粘性土，重型击实试验适用于粒径小于20mm的土。

（二）、实验仪器设备

1、击实仪：

由击实筒、击锤和护筒组成。

2、天平：

称量200g，分度值0.1g。

3、台秤：

称量10kg，分度值5g。

4、孔径为5mm的标准筛。

5、试样推出器：

宜用螺旋式千斤顶。

6、其他：

烘箱、喷水设备、碾土设备、盛土器、修土刀和保湿设备等。

（三）、操作步骤

1、试样制备：

分为干法制备和湿法制备。

干法制备：

（1）取一定数量的代表性风干土样（轻型约为20kg），放在橡皮板上碾散。

（2）轻型击实试验过5mm筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的风干含水率。

（3）根据土的塑限预估最优含水率，按依次相差约2%的含水率制备一组（不少于5个）试样，其中应有2个含水率大于塑限，2个含水率小于塑限，1个含水率接近塑限。

并按下式计算应加的水量：

式中：

mw——土样所需加水质量，g；

m——风干含水率时的土样质量，g；

wo——风干含水率，%；

w——土样所要求的含水率，%。

（4）将一定量的土样平铺于不吸水的盛土盘内（轻型击实取土约2.5kg），按预定含水率用喷水设备往土样上均匀喷洒所需加水量，拌匀并装入塑料袋内或密封于盛土器内静置备用。

静置的时间分别为：

高液限粘土不得少于24小时，低液限粘土可酌情缩短，但不应少于12小时。

湿法制备：

取天然含水率的代表性土样（轻型为20kg）碾散，过筛，将筛下土样拌匀，分别风干或加水到所要求的不同含水率。

注意：

制备试样时