土力学实验指导书2008

土工实验指导书（试用版）东北大学资源与土木工程学院二○○七年三月2前言为了提高东北大学土木工程专业本科生的实践能力和创新精神，促进研究型大学的教学工作，进一步深化土工实验教学内容、方法、考核方式的改革。本实验教学指导书在东北大学原有《土力学与基础工程》实验指导书的基础上做了补充和修订。主要特色如下：1）结合东北大学“211工程”和“985工程”建设的最近成果，引进新的实验手段，比如土的三轴静动实验，强调基本技能和学生自行设计实验的能力；2）增加了土工实验综合性、设计性内容，便于发挥学生的创新和动手能力；3）增加了最新仪器设备介绍和操作说明，方便学生创新性地自主开展研究性实验项目；4）实验选题更贴近工程热点和具体工程课题，更具有知识性、趣味性和灵活性。5）结合实验教学内容补充了相关思考题和讨论题，引导学生对实验做进一步思考，便于提高学生发现问题、分析问题、创新思维和研究问题的能力。总之，面向土木工程及相关工程的需要，利用最新的研究成果，丰富和拓宽了土工实验的内容，引导学生积极开展相关实验研究，培养学生独立开展实验研究的能力。3目录第1章引言第2章实验原理第3章实验准备/注意事项第4章实验方案实验一土的物理性质实验试验二土的界限含水量试验三土的压缩试验试验四无侧限抗压强度实验五直接剪切实验第5章实验报告实验一土的物理性质实验试验二土的界限含水量试验三土的压缩试验试验四无侧限抗压强度实验五直接剪切实验第6章自制实验设计参考方案第7章工程问题的实验设计案例第8章思考和讨论题第9章相关实验设备和操作简介第10章总结与致谢4第1章绪论一、实验的作用人类要改造自然，不外乎只有两种手段：生产实践和科学实验两种。所谓科学实验，是人们按照一定的目的，采取一定的手段，借助一定的仪器设备，人为地控制或模拟自然现象，突出主要因素，对自然事物和现象进行精密和反复地观察、测试，探索其内部规律的实验过程。人类通过科学实验，掌握事物发展地本质，造福于人类。例如原子能、半导体和激光等，都是在生产实践中总结不出来的，只有在科学实验中才被发现。至于土工方面，它需要人类长年累月生产实践经验的积累和总结。当然，它也离不开科学实验。例如土应力、剪力等都需要通过科学实验才能得到。总之，科学实验在人类社会发展，在改造自然的实践中，起着举足轻重的作用。二、实验课的教学目的1.培养和提高学生的科学实验能力，主要包括实践能力、自学能力、思维分析能力、书面表达能力和实践设计能力。2.通过对实验现象的观察和分析，得出事物内在的规律，为以后的工作打下基础，并且是学生掌握实验的基本知识、基本方法和基本技术。3.通过实验培养学生的科学研究素养，使学生不怕苦，独立研究，主动进取，严肃认真，理论联系实际。4.通过土工实验，对土工知识更深一步的了解。三、岩土工程简介、施工技术及选用原则岩土工程学（Geotechnology）是以工程地质学、岩体力学、土力学和地基基础工程学作为基本理论基础，以解决工程建设过程中出现的所有与岩体和土体有关的工程技术问题为目的的一门新型技术科学，是隶属于土木工程学的一个分支学科。而岩土工程（GeotechnicalEngineering）则是这门学科在工程建设中的应用，是一门把岩体和土体作为建设环境、建筑材料和建筑物组成部分并进而研究其合理利用、整治、改造的综合性应用技术。岩土工程的施工技术主要包括以下几个方面：5（1）地基处理技术；（2）基础工程施工技术；（3）边坡加固工程施工技术；（4）非开挖施工技术；（5）地下水防治工程施工；（6）其它岩土工程施工技术。岩土工程施工工艺和方法应正确应用，选用的原则是：（1）不同岩土工程的施工往往有几种不同的技术方法供选择，而每种技术方法可能应用于几类岩土工程问题，需要通过经济、工期、技术、安全等各方面对比后才能选定。在这里，施工技术的经济性占第一位。（2）没有经验的施工方法，还需要首先在较小的现场范围内试验，取得可靠数据，经过可靠分析，才能全面使用。（3）各种施工方法对环境的影响程度，将成为选用与否的重要参考。6第2章实验原理实验一土的物理性质实验原理土是由固体矿物、液体水和气体三部分组成，这三项即土的三相组成。土体的三相组成比例不同，土的状态和工程性质也随之各异。例如：固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土呈坚硬状态，砂土呈松散状态。固体+液体+气体为湿土，此时粘土多为可塑状态。固体+液体（气体=0）为饱和土，此时，粉细砂或粉土遭遇强烈地震，可能产生液化，而使工程遭受破坏；粘土地基受建筑荷载作用发生沉降需几十年才能稳定。1.含水量试验（烘干法）土中水的种类比较多，主要有结合水、自由水、气态水和固态水；结合水又分强结合水和弱结合水；自由水又分重力水和毛细水。土的含水量表示土中含水的数量，为土体中水的质量与固体矿物质量的比值，用百分数表示：%100固体颗粒质量水的质量土的含水量利用烘干法，通过烘干，把土中的液体蒸发，可以得到固体矿物即干土的重，再由原来试样土的重，便可以求得试样土的含水量。2.容重试验（环刀法）土的容重是单位体积土的重力密度，表达式是7g土的总体积土的质量土的容重利用环刀法，可以测出试样土的总体积和质量。3.比重试验（比重瓶法）土的比重是土中固体矿物的质量与同体积Co4时的纯水质量的比值，表达式是时纯水的质量固体矿物质量土的比重c4比重瓶法通常用容积为100毫升的玻璃制的比重瓶，将烘干的试样装入比重瓶，用天平称瓶和干土的重量。然后注入纯水，煮沸1小时左右以排除土中气体，冷却后将纯水注满比重瓶，再称总质量和瓶内水温计算而得。4.颗粒大小分析试验（筛析法）工程中常用土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数来表示，称为粒径级配。这是决定无粘性土工程性质的主要因素，以此作为土的分类定名标准。粒径分析方法，工程中常用的是筛析法。筛析法适用于土粒直径大于0.075mm的土，主要设备是一套标准分析筛。将干土样倒入标准筛中，盖严上盖，置于筛析机上震筛（10~15）分钟。由上而下顺序称各级筛上和底盘内的式样的质量。少量试验可用人工筛。8试验二土的界限含水量实验原理细粒土随着含水量不断增加，土的状态变化为固态—半固态—可塑状态—液体状态，相应的地基土承载力基本值逐渐减低。细粒土的稠度，反映土粒之间的连结强度随含水量的高低变化的性质，其中，各种不同状态之间的分界含水量具有重要的物理意义。1.液限试验细粒土呈液态与塑态之间的分界含水量称为液限。液限试验是利用锥式液限仪，先将土样调制成土糊状，装入金属杯中，刮平表面，放置在底座上，置于水平桌面。用锥式液限仪来测试：手持液限仪顶部的小柄，将角度为c30的圆锥体的锥尖，置于土样表面的中心，松手，让液限仪在自重作用下沉入土中。此圆锥体距10mm处有一刻度。若液限仪沉入土中深度为10mm，即锥体的水平刻度正好与土样表面平齐，则此土样的含水量即为液限含水量。如液限仪沉入土样中以后锥体的刻度高于或低于土面，则表明土样的含水量低于或高于液限。此时，需要从金属杯中取出土样，加少量水或反复搅拌使土样中水分蒸发降低后，再测试，直到达到锥尖下沉10mm标准为止。2.塑限试验细粒土呈塑态与半固态之间的分界含水量称为塑限。取略高于塑限含水量的试样，用手搓成圆形土条，放在毛玻璃上用手滚搓。要求手掌均匀加压在土条上，不得使土条在毛玻璃板上无力滚动。土条的水分被毛玻璃吸去一部分而逐渐变干，同时土条的直径由粗逐渐搓9细。当土条直径为3mm时，产生裂缝并开始断裂，则此时土条的含水量即为塑限。若土条直径大于3mm已断裂或小于3mm未断裂，说明土条含水量小于或大于塑限，需重新取土样搓土。试验三土的压缩试验原理土的压缩试验是在侧限条件下进行的。侧限条件指侧向限制不能变形，只有竖向单位压缩的条件。侧限条件在建筑工程中广泛存在，当自然界土层上作用有大面积均布荷载的情况就满足侧限条件。一般工程与侧限条件近似，通常可运用此条件。试验原理是土的有效应力原理，即饱和土体所承受的总应力为有效应力与孔隙水压力之和。实验四无侧限抗压强度实验原理无侧限抗压强度实验适用于饱和粘性土。用无侧限压力仪对试样只施加轴向压力，使用量表和天平测得所需实验数据，实验简单。实验原理是，在试样施加周围压力之前，即将试样的排水阀关闭，即不固结的情况下施加轴向压力进行剪切，在剪切过程中排水阀始终关闭，即不排水试验。实验五直接剪切实验原理直接剪切实验通常采用四个试样，实验原理是使用应变控制直接剪切仪，采用手轮连续加荷，用弹性量力环上的测微计（百分表）量测位移换算剪应力。10实验六土的三轴实验原理三轴实验通常11第3章实验准备/注意事项1．12第4章实验方案实验一土的物理性质实验（一）含水量试验（烘干法）概述土的含水量是在100～105℃下，烘到恒重时所失去水分重量达到恒重后干土重的比值。以百分数表示。仪器设备：烘箱：可采用电烘箱，也可用红外线烘箱；天平：称重500克，感量0.01克；其他：干燥器，称量盒等。操作步骤：1．取代表性试样15～30克，放入称量盒内，立即盖好盒盖称重。称重时可在天平的一端放上等重的称量盒，或者与盒重等重的砝码，称量结果为湿土重。2．揭开盒盖，将试样和盒放入烘箱，在温度100～105℃下烘到恒重。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，称干土重。4．本实验称重应该准确至0.01克。5．按下式计算含水量：WA=(W/WS-1)×10013式中：WA－含水量，％；W－湿土重，克；WS－干土重，克。6．本实验需进行二次平方测定，取其算术平均值。（二）容重试验（环刀法）概述：土的容重是土的单位体积重量。对一般粘质土，都可以采用环刀法。仪器设备：环刀：内径6～8厘米，高2～3厘米；天平：称量500克，感量0.01克；其他：切土刀、钢丝锯、凡士林等。试验步骤：1.将原状土整平两端，将环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上。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量。3．擦净环刀外壁称重，去掉环刀重，即为土重，准确至0.1克。4．按下式计算容重：r=g.W/Vrd=r/(1+0.01ω)14式中：r－容重，牛/厘米3；rd－干容重，牛/厘米3；W－湿土重，克；V－环刀容积，立方厘米；ω－含水量，％。(三)比重试验（比重瓶法）概述：土的比重是在100～105℃下烘至恒重时的重量与同体积4℃蒸馏水重量的比值。仪器设备：比重瓶：容重100毫升（或50毫升）；天平：称量200克，感量0.001克；恒温水槽：灵敏度－1～1℃；砂浴；温度计：测量范围0～50℃，精确至0.5℃；其他：烘箱、漏斗、滴管等。试验步骤：1．一般土的比重用蒸馏水测定，如发现有可溶性盐，亲水性胶体或有机质土，须用中性液体测定（如煤油）。2．将比重瓶烘干，装烘干土约15克入100毫升比重瓶内，（若用50毫升比重瓶装干土12克）称重。3．为排除途中空气，将装有干土的比重瓶，注蒸馏水至瓶的一半处，15摇动比重瓶。并将瓶放在砂浴上煮沸，煮沸时间自动溶液沸腾时算起，砂质土30分钟，粘土不少于一小时，煮沸时注意不使土液溢出瓶外。4．将事先煮沸及冷却的蒸馏水，注满比重瓶，将比重瓶放入恒温水槽内，使瓶内溶液温度稳定，瓶上部悬液澄清。5．用瓶塞紧塞比重瓶口，多余的水由瓶塞小孔中溢出，擦干瓶外部的水，称瓶、水、土总重，称重后立即测出瓶内水的温度。6．根据测得的温度，从已绘制的温度与瓶、水总重关系曲线中查瓶、水的总重。7．本实验称量应准确至0.001克。8．按下式计算土的比重：GS=WS/(W1+WS-W2)-Gωt式中：GS－土粒的比重；WS－干土重，克；W1－瓶、水总重，克；W2－瓶、水、土总重，克；Gωt－t℃时蒸馏水的比重。9．本实验取两次试验结果的平均值。（四）颗粒大小分析试验（筛析法）概述：颗粒大小分析是测定土样中各种粒组所占该土总重百分数的方法。借以明了颗粒大小分配的情形，供土的分类及概略的判断土的工程性质及建材选料之用。16仪器设备：标准筛：孔径为2、