1、土力学与地基基础试验指导书（港口航道与海岸工程、工程管理等专业）赵 川 编重庆交通大学河海学院土工地质实验室二七年七月1目 录前 言2实验一 土工参数测试综合试验3(一) 、土样制备3(二) 、含水量试验4(三) 、密度试验5(四) 、比重试验6(五) 、固结试验7(六) 、直接剪切试验9实验二 颗粒分析试验12实验三 液限和塑限试验143.1 搓条法及平衡锥法143.2 液限塑限联合测定法16实验四 滲透试验18实验五 载荷试验20实验六 击实试验222前 言本试验指导书适用于港口航道与海岸工程、工程管理等专业的本科生、研究生使用。本试验是土力学与地基基础等课程的重要实践教学环节。该试验指导
2、书包括以下内容：土工参数测试综合试验、颗粒分析试验、液限和塑限试验、滲透试验、击实试验、载荷试验等试验项目，通过上述试验可以让学生熟悉各种仪器设备在试验项目中的使用方法，锻炼学生的试验基本技能，掌握试验内容和试验的基本方法，培养学生的动手能力及综合分析问题和解决问题的能力，使学生知道为什么要做这些试验，试验参数在工程设计和施工中如何应用，为今后的实际工程设计、施工和研究工作奠定了坚实的基础。本指导书主要依据中华人民共和国行业标准公路土工试验规程JTJ051-93、中华人民共和国国家标准岩土工程勘察规范 GB50021-2001 、中华人民共和国行业标准公路工程地质勘察规范JTJ 064-98
3、等国家和行业标准，并结合工程实践经验及教材特点编制而成。由于编者水平有限，若有不当之处，请批评指正。赵 川二 00 七年七月3实验一 土工参数测试综合试验(一)、土样制备1.概述土样的制备是获得正确的试验成果的前提，为保证试验成果的可靠性以及试验数据的可比性，应严格按照规程要求的程序进行制备。土样制备可分为原状土和扰动土的制备。本试验主要讲扰动土的制备。扰动土的制备程序则主要包括取样、风干、碾散、过筛、制备等程序，这些程序步骤的正确与否，都会直接影响到试验成果的可靠性，土样的制备都融合在今后的每个试验项目中。2.仪器设备孔径 0.5mm、2mm 和 5mm 的筛；天平；击样器；切土刀；橡皮板；
4、木锤；烘箱；喷水设备等。3.扰动土样制备步骤（1）将扰动土样进行土样描述，如颜色、气味、夹杂物和土类及均匀程度等，如有需要，将扰动土样拌和均匀，取代表性土样测定其含水量。（2）将土样风干或烘干，然后将风干或烘干土样放在橡皮板上用木碾碾散，但应注意不得将土颗粒破碎。（3）将分散后的土样根据各试验项目的要求过筛。对于物理性试验如液限、塑限等试验，过 0.5mm 筛；对于力学性试验土样，过 2mm 筛；对于击实试验、比重试验（比重瓶法） ，过 5mm 筛。（4）为配制一定含水量的试样，根据不同的试验要求，取足够过筛的风干土样，按下面的公式计算加水量，把土样平铺于不吸水的盘内，用喷水壶喷洒预计的加水量
5、，并充分拌和均匀，然后装入容器内盖紧，润湿一昼夜备用。（5）测定润湿后土样不同位置的含水量（至少二个以上） ，要求差值不大于1。（6）按下式计算干土质量：ms=m(10.01w h)式中：m s 干土质量（g ） ；m 风干土质量（ g） ；wh 风干含水量（） 。（7）根据试样所要求的含水量，按式计算制备试样所需的加水量：mw= 0.01(ww h) m s式中：m w 土样所需加水质量（g） ；ms 干土质量（g） ；w 制备试样所要求的含水量（） ；wh 风干含水量（） 。（8）根据试验所要求的干密度按下式计算制备试样所需的风干含水率时的总土质量：m=(10.01w h) d V4式中：
6、m 制备试样所需的风干含水量时的总土质量；d 制备试样所要求的干密度（g/cm 3） ；V 试样体积（cm 3） ；wh 风干含水量（） 。（9）试件成形，可采用击实法和压样法。击实法是采用击实仪，将土样击实到所需的密度，用推土器推出，然后将环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上，用切土刀将试件削成略大于环刀直径的土柱，然后将环刀垂直向下压，边压边削，直至土样伸出环刀为止，削平环刀两端。压样法将根据环刀容积和要求干密度所需质量的湿土，倒入装有环刀的压样器内，采用静压力将土样压紧到的所需密度，然后取出环刀。（10）把环刀外壁擦干净，称环刀和土的总质量，并同时测定土样的含水量。试件制备应尽量迅
7、速，以免水分蒸发。（11）试件制备的数量根据试验项目的需要而定，一般应多制备 12 组备用，同一组试件的密度、含水量与制备标准之差应分别在0.1g/cm 3 或 2范围之内。(二)、含水量试验（烘干法）1.试验目的土的含水量指土在 105110下烘至恒量时所失去的水分质量和达恒重后干土质量的比值，以百分数表示。2.试验方法烘干法、酒精燃烧法、炒干法、比重法等。本试验采用烘干法。3.仪器设备烘箱，采用电热烘箱，温度能保持在 105110；天平，感量 0.01g；干燥器；称量盒等。4.试验步骤（1）先称称量盒的质量（m 1） ，精确至 0.01g。（2）取具有代表性试样，细粒土不小于为 15g，砂
8、类土、有机质土不小于 50g，放入已称好的称量盒内，立即盖上盒盖，称湿土加盒总质量（m 2） ，精确至 0.01g。（3）打开盒盖，将试样和盒放入烘箱内，在温度 105110的恒温下烘干。烘干时间与土的类别及取土数量有关。细粒土不少于 8 小时；砂类土不得少于 6 小时；对含有机质超过 5%的土，应将温度控制在 6570的恒温下烘干。（4）将烘干后的试样和盒取出，放入干燥器内冷却至室温。冷却后盖好盒盖，称盒和干土质量（m 3） ，精确至 0.01g。（5）本项试验要求进行二次平行测定，其平行差值需满足以下要求：当含水量小于 5时，允许平行差值不大于 0.3；当含水量大于 5小于 40时，允许平
9、行差值不大于 1；当含水量大于等于 40时，允许平行差值不大于 2。当满足上述要求时，含水量取两次测值的平均值。5.成果整理（1）按下式计算含水量：5w=( m2m 3)/( m3 m1)100%式中：w 含水量（） ；m1 称量盒的质量（g） ；m2 盒加湿土质量（ g） ；m3 盒加干土质量（ g） 。（2）记录表格见实验报告。6.注意事项（1）测定含水量时动作要快，以避免土样的水分蒸发。（2）应取具有代表性的土样进行试验。（3）称量盒要保持干燥，注意称量盒的盒体和盒盖上下对号。（4）烘干、冷却由于时间较长，由实验室完成，同学另找时间来称盒加干土质量。(三) 、密度试验1.试验目的：土的密
10、度是指土的单位体积的质量，是土的基本物理性质指标之一。在天然状态下的密度称为天然密度，其单位为 g/cm3。2.试验方法：试验方法有环刀法、蜡封法、灌水法、灌砂法等。对于细粒土，采用环刀法；对于易碎裂、难以切削或不规则的土体，可用蜡封法；对于现场粗粒土，一般用灌水法或灌砂法。本试验采用环刀法。3.仪器设备环刀；天平，感量 0.1g；切土刀；推土器；白瓷盘；游标卡尺；凡士林等。4.试验步骤（1）用卡尺测出环刀的高和内径，并计算出环刀的体积 V(cm3)。（2）称环刀的质量 m1，准确至 0.1g。（3）在环刀内壁涂一层薄薄的凡士林油，并将其刃口向下放在试样上。（4）用切土刀沿环刀外缘将土样削成略
11、大于环刀直径的土柱，然后慢慢将环刀垂直下压，边压边削，到土样伸出环刀上部为止，削去环刀两端余土，使与环刀口面齐平。把削下的土样做含水量试验。（5）擦净环刀外壁，称量环刀加土的质量 m2，准确至 0.1g。（6）用推土器将试样从环刀中推出。（7）本试验须进行二次平行试验，其平行差值不大于 0.03g/ cm3,满足要求取其算术平均值。5.成果整理（1）按下式计算土的湿密度：=(m2m1)V式中： 土的湿密度（g/ cm 3） ；m1 环刀的质量（g） ；6m2 环刀加土的质量（ g） 。（2）按下式计算土的干密度：d=(10.01w)式中： d 土的干密度（ g/ cm3） ； 土的湿密度（ g
12、/ cm3） ；w 土的含水量（） 。（3）记录表格见实验报告。6.注意事项（1）操作要快，动作细心，以避免土样被扰动破坏结构及水份蒸发。（2）环刀一定要垂直，加力适当，方向要正。（3）边压边削的时候，切土刀要向外倾斜，以免把环刀下面的土样削空。(四)、比重试验1.试验目的：土粒比重 Gs，是土粒在温度 105110下烘至恒重时的质量与土粒同体积 4时纯水质量的比值。2.试验方法根据土粒粒径的不同，土的比重试验可分别采用比重瓶法、浮称法或虹吸筒法。对于粒径小于 5 mm 的土，采用比重瓶法进行；对于粒径大于等于 5mm 的土，且其中粒径为 20mm 的土质量应小于总土质量的 10时，采用浮称法
13、进行；对于粒径大于等于5mm 的土，但其中粒径为 20mm 的土质量大于等于总土质量的 10时，采用虹吸筒法进行。本试验采用比重瓶法。3.仪器设备烘箱；比重瓶，容量 100mL；天平，感量 0.001g；恒温水槽；电砂浴；温度计；孔径 5mm 的筛；其它：匙、漏斗、滴管、洗瓶刷、蒸馏水等。4.试验步骤（1）先将洗净、烘干的比重瓶称其质量 m1，准确至 0.001g.（2）将过 5mm 筛并烘干后的土，取不低于 15g 装入比重瓶内，称试样和瓶的总质量 m2，准确至 0.001g。（3）将纯水注入已装有干土的比重瓶中至一半处，摇动比重瓶，将瓶放在电砂浴上煮沸，煮沸时间自悬液沸腾时算起，砂及低液限
14、粘土应不少于 30min，高液限粘土应7不少于 lh，使土粒分散。（4）将蒸馏水注入已煮好比重瓶至近满，待瓶内温度稳定及悬液上部澄清后，再加满蒸馏水，塞好瓶塞，使多余的水份自瓶塞毛细管中溢出。将瓶外水份擦干净，称瓶、水、土的总质量 m3，准确至 0.001g，称后马上测瓶内温度。（5）把瓶内悬液倒掉，把瓶洗干净，再注满蒸馏水，把瓶塞插上，使多余的水份自瓶塞毛细管中溢出，将瓶外水份擦干净，称比重瓶、水的总质量 m4，准确至0.001g。（6）本试验须进行两次平行测定，其平行差值不大于 0.02，然后取其算术平均值。5.成果整理（1）按下式计算土的比重：Gs=Gwt(m2m1)/(m4 (m2 m
15、1) m3)式中：G s 土粒比重；m1 空瓶的质量（g） ；m2 瓶加干土的质量（ g） ；m3 瓶加水加土的质量（ g） ；m4 瓶加水的质量（g） ；Gwt t时蒸馏水的比重（可查相应的物理手册） 。（2）记录表格见实验报告。6.注意事项（1）比重瓶、土样一定要完全烘干。（2）煮沸排气时，防止悬液溅出。（3）称量时比重瓶外的水份必须擦干净。(五)、固结试验1.试验目的：本试验的目的是测定试样在侧限与轴向排水条件下，变形和压力或孔隙比和压力的关系，绘制压缩曲线，以便计算土的压缩系数 a、压缩模量 Es 等指标，通过各项压缩性指标，可以分析、判断土的压缩特性和天然土层的固结状态，计算土工建筑
16、物及地基的沉降等。2.试验方法试验方法有慢速法和快速法。根据学生试验的实际情况，本试验采用近似的快速法。8图(5)-1 固结容器示意图1-固结容器 2-下护环 3-环刀 4-上护环 5-透水石 6-加压盖 7-量表套杆 8-量表架 9-试样3.仪器设备固结仪：见图(5)-1；环刀:面积 50cm3，高 2cm；天平；测微表；精度；其它：秒表、烘箱、修土刀、称量盒、滤纸等。4.试验步骤（1）根据工程要求，用环刀（50cm 3）切取试样备用，并测出土样的密度、含水量、和比重。( 参见前面的试验)（2）把下护环和大的透水石放入固结容器，并放上一张滤纸。（3）将带有环刀的试样，刃口向下小心地装入压缩容
17、器的下护环内。（4）再套入上护环，放上滤纸和稍小的透水石，最后放上加压盖。（5）轻轻抬起杠杆，将装好试样的压缩容器放在加压台的正中，使加压横梁的凹槽与加压盖的钢珠紧密结合，然后装上测微表（百分表） ，并预调百分表大于 6mm 以上，并检查表是否灵敏和垂直。 （学生在试验前应熟悉测微表如何读数。 ）（6）在砝码吊盘上加相当于试样受压约为 1 kPa 的预压荷载，使固结仪的各部分接触良好，并调平加压杠杆，然后调整测微表，使其大指针归零。（7）卸去预压荷载，施加第一级荷载，其大小可视土的软硬程度或工程情况一般采用 25、50、100、200、300、400 kPa，或按设计要求，模拟实际加荷情况进行
18、调整。由于试验教学时间的关系，本试验加荷顺序为 50、100、200、300、400 kPa。（8）在加荷同时开动秒表计时，按规定的时间读数，做完一级，再加下一级荷载，直至全部荷载完成。在试验过程中，应始终保持加压杠杆的平衡。（9）试验结束后，迅速顺次拆去测微表，卸除砝码，取出环刀，把仪器擦干净。95.成果整理（1）按下式计算试样的原始孔隙比：e0=wGs(10.01w)1式中：e 0 试样原始孔隙比；w 水的密度（g/ cm 3） ，一般取 1；Gs 土粒比重；w 试样原始含水量（） ； 试样原始密度（ g/ cm3） ；（2）按下式计算各级荷载下变形稳定后的孔隙比：ei=e0(1 e 0)
19、hiH式中：e i 某一荷载下变形稳定后的孔隙比；e0 试样原始孔隙比；hi 某一级荷载下的总变形量（mm） ；H 试样原始高度（mm） ；（3）按下式计算某一荷载范围内的压缩系数： ii+1 =1000(eie i+1)(p i1 p i )式中： ii+1 某一荷载范围内的压缩系数（MPa -1） ；ei 某一荷载下变形稳定后的孔隙比；pi 某一荷载值（kPa） ；（4）按下式计算某一荷载范围内的压缩模量：Es ii+1 = (1e i) ii+1式中：E s ii+1 某一荷载范围内的压缩模量（MPa） ；ei 某一荷载下变形稳定后的孔隙比； ii+1 某一荷载范围内的压缩系数（MPa -1） ；（5）记录表格见实验报告。6.注意事项（1）使用仪器前必须预习，严格按程序进行操作，对仪器不清楚的地方马上问老师。（2）试验过程中不能卸载，百分表也不用归零。（3）随时调整加压杠杆，使其保持平衡。（4）加荷时应轻拿轻放，不得对仪器产生震动。（5）试验完毕，卸下荷载，取出土样，把仪器打扫干净。(六) 、直接剪切试验1.试验目的：测定土的抗剪强度指标 和 c，土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。通常采用不少于 3 个试样，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力，测得试样破坏时的剪应力 ，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角
