岩土工程土工实验指导书

土木与材料工程系土工实验指导书河南城建学院2012年元月河南城建学院土木与材料工程系岩土工程实验室1目录实验要求··············································2实验1土的物理性质实验································3实验2土的压缩实验····································6实验3土的直接剪切实验································10实验4土的击实实验····································13实验5土的三轴剪切实验································15河南城建学院土木与材料工程系岩土工程实验室2实验要求一土工实验是整个土力学教学课程中的一个教学环节，它不仅起着巩固课堂理论，增强对土的各种工程性质的理解等重要作用，而且是学习科学的实验方法和培养实验技能的重要实践途径。因此要求学生必须严肃、认真地对待实验中的每一个环节，并作好实验前的预习准备工作。二本实验指导书适用于土建类各专业。对每个专业需要作的实验项目按教学计划确定。三实验报告必须按教师规定时间完成。图表和文字必须正确和整洁，必须用墨水笔写。原始记录不得涂改，每个学生必须独立完成实验报告。四严格遵守实验室的各项规章制度，除遵守课堂纪律外，还应特别注意以下几点：（1）不得动用与本次实验无关的任何仪器设备；（2）小心使用仪器设备，遵守“使用仪器注意事项”；（3）实验结束后，必须将仪器擦洗干净，并将仪器放回原处；（4）如有仪器设备损坏，应立即报告实验室工作人员，并按学校规定进行处理。土木与材料工程系岩土工程实验室河南城建学院土木与材料工程系岩土工程实验室3实验一土的物理性质试验A实验目的通过测定土样的含水量ω、密度ρ、相对密度ds，确定土的三相比例指标；B实验要求1由实验室提供一组扰动土样，要求学生测定该土样的含水量、密度和土的相对密度；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Sr、干土密度ρd、和饱和密度ρsat等物理指标；3参观原状土样。C实验方法一含水量实验（烘干法）土的含水量是土在100℃～105℃下烘至恒重时所失去的水分质量与土颗粒质量的比值，用百分数表示。本实验采用烘干法，此法为实验室内实验的标准方法。（一）仪器准备：1、电烘箱:(或红外线烤箱)；2、天平：精度为0.01g；3、烘土盒：又称称量盒，将每一烘土盒的质量事先称好，并登记备用；4、干燥器：用无水CaCl2作干燥剂；5、其它：实验土样等。（二）实验步骤：1、选取有代表性的试样不少于15克，放入烘土盒内立即盖紧，称取烘土盒和湿土的总质量（m1），准确至0.01克，记录烘土盒号码，烘土盒质量（m3）（由实验室提供）和m1。2、打开烘土盒盖，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℃时起算不少于6小时），然后取出烘土盒，加盖后放进干燥器中，冷却至室温。3、从干燥器中取出烘土盒，称取烘土盒和烘干后干土的总质量（m2），准确至0.01克，并记录m2。4、本实验须进行二次平行测定。（三）成果整理：按下式计算含水量%100%3221mmmmw计算精确至0.1%式中：（m1–m2）——式样中所含水的质量；（m2–m3）——式样中土颗粒的质量。(四)注意事项：1、试验时打开土样应立即进行测定，以免改变土样中的水份散失，影响实验结果。2、本实验必须进行平行测定，每一学生须取两次试样进行同时测定含水量，最终含水量值应取两次结果的算术平均值，但两次实验的差值不得大于下列规定：河南城建学院土木与材料工程系岩土工程实验室4含水量允许平行差值（%）401≥4023、烘干盒中的湿试样质量称取以后由实验员负责烘干，同学们在12小时后抽时间来实验室称干试样的质量。二、密度实验（环刀法）土的密度为单位体积土的质量。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，可以采用蜡封法。本实验采用环刀法（一）仪器准备：1、环刀：内径60～80mm，高20mm，壁厚1.5～2.0mm；2、天平：称量500g以上，精度0.1g；3、切土刀，凡士林等。（二）实验步骤：1取原状土样或取按工程需要制备的扰动土，用切土刀削平其上下两端，在环刀内壁涂抹一层凡士林。刃口向下放在土样整平的面上。图1环刀剖面图2、用切土刀将土样上部修切成略大于环刀口径的土柱，将环刀垂直下压，边压边削，将土样伸出环刀上口为止，削去环刀两端余土并修平土面使之与环刀口齐平。3、擦净环刀外壁，称环刀和土的质量（m1）,准确至0.1g。4、记录m1，环刀号数以及有实验室提供的环刀质量（m2），环刀体积（v）。（三）成果整理：321/厘米克Vmm式中ρ——土的密度g/cm³m1——环刀和土的总质量gm2——环刀质量gv——环刀体积cm³（m2和V可根据环刀号查实验室的数据得到）（四）注意事项：1．用环刀切试样时，为了防止环刀内试样结构被扰动，环刀应垂直均匀缓慢下压。2、试验时为了防止称质量时试样中水分被蒸发，影响试验结果，宜用两块玻璃片盖住环刀上下面称取质量，但计算时必须扣除玻璃片的质量。3、每次作两次平行测定，两次实验差值不得大于0.03g/cm³,取算术平均值作为最后结果。D、实验建议1、本次实验项目较多，事先必须作好预习。2、从相对密度测定开始作，利用煮沸及放在恒温水槽内定温的时间作含水量和密度测定，必须充分安排好时间，同时，要注意保证实验质量。3、实验数据必须当时立即填入表格，注意不要漏记仪器号及其它必要数据。4计算及填写实验结果时，注意必要的单位和位数。计算时要画三相草图，尽可能在图上将数值填入，不要死代公式。河南城建学院土木与材料工程系岩土工程实验室5E预习问题1、密度、相对密度、含水量、空隙比、空隙率、饱和度、干密度、饱和密度的定义分别是什么？2、什么时候必须测定土的密度、相对密度和含水量。实验结果有什么用处。河南城建学院土木与材料工程系岩土工程实验室6实验二压缩试验A实验目的土的压缩是土体在荷载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变形和压力的关系曲线。并根据孔隙比与压力的关系曲线（е～р曲线）计算出压缩系数和压缩模量等土的压缩性指标，以便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和时间的关系曲线，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，且压缩过程需时也很短，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需要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。本实验主要采用非饱和的扰动土样，并按常速法步骤进行，但为了能在试验课的规定时间内完成试验，所以要缩短加荷间隔（具体时间间隔由教师决定）。B实验要求（1）由实验室提供土样一块，要求学生在侧限压缩仪中测定出压缩性，并绘制该土的压缩曲线（е～р曲线）。（2）求出a1-2，ES1-2，并判断该土的压缩性（3）仔细观察土的变形与时间的关系。可以绘制出每一级荷载作用下的ｓ～ｔ曲线。C实验方法粘性土的压缩试验常速法（一）仪器准备：1、小型固结仪（见图7）；2、百分表：量程10mm，精度0.01mm（见图9）；3、密度实验和含水量实验所需要的仪器；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、从压缩仪器中取出环刀，按密度实验方法切取土样，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。然后称环刀和试样的总质量，扣除环刀质量后即得湿土样质量（m）并计算出土的密度。3、用切取试样时修下的土测定含水量（ω），平行作两次试验，取其算术平均值；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8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。然后平衡加压设备（此项工作由实验室代作）。（平衡加压部分的方法是转动上杠杆上的平衡锤，使下杠杆之弧形轮向上10°－15°之间，而上杠杆为水平时即平衡完毕，水平情况一般用目测）；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，再安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R0）后即可进行试验；7、轻轻施加第一级荷载50千帕（其中托盘质量0.75kg,再加一质量为0.75kg的小砝码，河南城建学院土木与材料工程系岩土工程实验室7土样面积30cm2）,并开动秒表，开始计时；8、可按下列时间测计读数：6、15、1´、2´15、4´、6´15、9´、12´15、16´、20´15、25´、30´15、36´、42´15、49´、64´、100´、200´、400´、23h、24h直至试样沉降稳定为止。当不需要测定沉降速率时，则施加每级压力后2小时，认为土样已稳定，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100、200、300、400千帕）。记录各级压力下试样变形稳定后的百分表读数（R1、R2、R3、R4、R5）；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，移出压缩仪器，取出试样并测定其含水量，最后将仪器擦洗干净。（三）成果整理1底板2平衡锤3手轮4容器5表夹6百分表7容器座板8杠杆9水泡10砝码盘11圆水泡图7轻便固结仪示意图1表夹2钢珠3小传压板4透水石5小导环6土样7小刀环8小护环9大护环10透水石11容器图8压缩仪示意图河南城建学院土木与材料工程系岩土工程实验室8按下式计算试验前孔隙比e0；110wdews式中：ds----土粒的相对密度；ρw----水的重度，一般可取ρw＝1克/厘米3；ω----试样开始时试样的含水量（％）；ρ----试样开始时试样的密度（克/厘米3）。2、计算试样在任一级压力p（千帕）作用下变形稳定后的试样总变形量，Si：Si＝R0－Ri－SieR0----试验前百分表初读数（mm）；Ri----试样在在任一级压力pi（千帕）作用下变形稳定后的百分表读数（mm）；Sie----各级荷载作用下仪器变形量（mm）。（由实验室提供资料）。3、按下式计算各级压力作用下试样变形稳定时的孔隙比ei:注0001ehSeeii4、以p为横坐标，e为纵坐标，绘制压缩曲线（е～р曲线）。5、计算压缩系数av11221v1000MPappeea6、计算压缩模量Esv0s1aeE7、计算体积压缩系数mv0vs11eaEmv（四）注意事项：1、试样的土粒相对密度由实验室测定后提供；仪器本身的变形量，环刀的质量、面积、高度均可在实验室仪器资料表中查取；2、试验前可参照图9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、含水量测定的烘干工作由实验室代作，24小时以后来实验室称取质量（或取结果）。4、每组作一个试样，每人独立完成试验报告，不得抄袭，可以相互校核。D实验建议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、不要忘记抄录仪器变形量。3、试验24小时以后可以来实验室称取干土质量。然后进行计算，完成报告；4、绘制压缩曲线时，注意选用适当的比例尺（主要是纵坐标）。短针：一小格＝1.0mm长针：一小格＝0.01mm次图所示相应读数为3.37mm图9百分表河南城建学院土木与材料工程系岩土工程实验室9E预习问题1、联系工程实际问题，思考做压缩实验的目的是什麽？2、a1-2，和ES1-2的物理意义是什么？有什么用途？注：假定试样的压缩仅仅是由于孔隙体积的压缩。土样是在侧限条件下压缩，则土样在pi作用下产