土力学试验教学指导书

1《土力学》学生实验指导书学院：专业：班级：姓名：学号：土木工程防灾减灾实验教学示范中心1试验一界限含水率试验1.实验目的和要求界限含水率试验的目的是测定土的液限、塑限，对黏性土进行工程分类，判断土的状态，供设计施工使用。本实验要求学生掌握液塑限联合测定仪的使用方法，并使用该仪器进行圆锥下沉深度的测试。能应用双对数坐标系采用作图的方法处理实验数据。2.实验原理对于同一种黏性土，土粒与土中水相互作用很显著，含水率的变化会产生力学性质的变化。黏性土随着土中含水率的不同，处于不同的状态。1911年瑞典科学家阿太堡（Atterberg）将土从液态过渡到固态的过程分为流动状态、可塑状态、半固态、固态，并规定了各个界限含水率，称为阿太堡限度，分别为液限、塑限和缩限。土由可塑状态转为流动状态的界限含水率称为液限，用符号Lw表示；土由可塑状态转为半固态的界限含水率称为塑限，用符号pw表示；土由半固态不断蒸发水分，则体积逐渐缩小，直到体积不再收缩时，对应的界限含水率称为缩限，即土由半固态转为固态的界限含水率，用符号sw表示，低于缩限的土样含水率的减少不会引起土体积的缩小。所谓可塑状态，是指黏性土在某个含水率范围内，可用外力塑成任何形状而不产生裂纹，并且当外力移去后，仍能保持既得的形状，土的这种性能称为可塑性。液限和塑限为可塑状态的上限、下限含水率。土的界限含水率决定于土的散布程度、颗粒形状、矿物成分以及填充于土的孔隙中的盐类成分和浓度，与土的生成条件有密切关系。界限含水率均用百分数表示，习惯上不带%符号。3.仪器设备1）电子天平：称量1000g，感量0.01g；2）烘箱：电热烘箱或温度能保持105℃～110℃的其他能源的烘箱3）液、塑限联合测定仪：光电式4）试杯：内径为40mm，高度30mm5）其他：筛(孔径0.5mm)、调土刀、调土皿、毛玻璃板、称量盒、研钵(附带橡皮头的研杵或橡皮板、木棒)干燥器、吸管、蒸馏水等。24.实验方法和操作4.1土的含水率测定土的含水率是试样在105℃～110℃下烘至恒重时所失去的水质量和干土质量的比值，用百分比表示。含水率是土的基本物理性质指标之一，它是计算土的干重度、孔隙比、饱和度等必要指标，也是检测土工构筑物施工质量的重要指标。目前国内外测定含水率的方法有多种。但能确保质量，操作简便又能符合含水率定义的试验方法仍以烘干法为主。该方法是室内试验的标准方法，适用于有机质含量不超过干质量5%的土。采用烘干法测定土样含水率的步骤如下：1）称空的称量盒质量0m精确至0.01g；2）取具有代表性试样，粘性土为15～20g，砂性土、有机土为50g，放入称量盒内，盖上盒盖，称盒加湿土质量1m，精确至0.01g。3）打开盒盖，将铝盒置入烘箱内，在105℃～110℃的恒温下烘干。烘干时间对粘性土不得少于8h，对于砂性土不得少于6h。对于含有机质超过5%的土，应将温度控制在65～70℃的恒温下烘干。4）将称量盒从烘箱中取出，盖上盒盖，放入干燥器内冷却至室温，称盒加干土质量2m，精确至0.01g。5）计算含水率：%100)(%1000221mmmmmmwdw（1-1）式中：w——土的含水量（％）；wm——水的质量（g）；dm――干土样的质量（g）。1m——湿试样+盒质量（g）；2m——干试样+盒质量（g）；0m——空盒的质量（g）6）每份土样需进行两次平行测定，取其算术平均值作为该土样的含水率测定值。两次测定的差值不得大于下列数值：当含水率小于10%时为0.5%，当含水率大于10%小于或等于40%时为1%；当含水率大于40%时为2%。4.2圆锥法测液限1）土样制备：原则上采用具天然含水率的土样进行测定，当土样含水率较小或因土样中含较多大于0.5mm的颗粒或较多的杂物时，可将土样风干研磨过0.5mm筛的土加蒸馏水调成均匀膏状，用玻璃板覆盖或放在盛水的干湿器中静止一昼夜，使水分浸透3土样。2）将土样用调土刀充分调拌均匀后，分层装入试样杯中，并注意土中不能留有空隙，装满试杯后刮去余土使土样与杯口齐平，并将试样放在底座上。3）将圆锥仪擦拭干净，并在锥尖上抹一薄层凡士林，两指捏住圆锥仪手柄，保持锥体垂直，当圆锥仪锥尖与试样表面正好接触时，轻轻松手让锥体自由沉入土中。放锥时要平稳,避免冲击。4）观察平衡锥下沉，放锥后约经5s，锥体入土深度恰好在10mm的圆锥环状刻度线处，此时土的含水率即为液限。5）若锥体入土深度超过或小于10mm时，表示试样的含水率高于或低于液限，应该用小刀挖去粘有凡士林的土，然后将试样全部取出，放在橡皮板或毛玻璃板上，根据试样的干、湿情况，适当加纯水或边调边风干重新拌和，然后重复试验。直到椎体入土深度恰好为10mm为止。6）取出锥体，用小刀挖去粘有凡士林的土，然后取锥孔附近土样约10~15g，放入称量盒内，测定其含水率，此时测出的含水率即为液限。4.3搓条法测塑限塑限是区分粘性土可塑状态与半固体状态的界限含水率，测定土的塑限的试验方法主要是滚搓法。滚搓法塑限试验就是用手在毛玻璃板上滚搓土条，当土条直径达3mm时产生裂缝并断裂，此时试样的含水率即为塑限。1）制备土样。取代表性天然含水率试样或过0.5mm筛的代表性风干试样100g，放在盛土皿中加纯水拌匀，盖上湿布，静置24小时，使水分浸透。2）捏揉土样。将制备好的试样在手中揉捏至不粘手，然后将试样捏扁，若出现裂缝，则表示其含水率已接近塑限。3）用手搓条。取接近塑限含水率的试样8~10g，先用手捏成手指大小的土团（椭圆形或球形），然后再放在毛玻璃上用手掌轻轻滚搓，滚搓时应以手掌均匀施压于土条上，不得使土条在毛玻璃板上无力滚动，在任何情况下土条不得有空心现象，土条长度不宜大于手掌宽度，在滚搓时不得从手掌下任何一边脱出。4）当土条搓至3mm直径时，表面产生许多裂缝，并开始断裂，此时试样的含水率即为塑限。若土条搓至3mm直径时，仍未产生裂缝或断裂，表示试样的含水率高于塑限；或者土条直径在大于3mm时已开始断裂，表示试样的含水率低于塑限，都应重新4取样进行试验。5）取直径3mm且有裂缝的土条3~5g，放入称量盒内，随即盖紧盒盖，测定土条的含水率，此时的含水率即为塑限。4.4液塑限联合法测液限和塑限液、塑限联合测定法是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水率在双对数坐标上具有线性关系的特性来进行的。利用圆锥质量为76g的液塑限联合测定仪测得土在不同含水率时的圆锥入土深度，并绘制其关系直线图，在图上查得圆锥下沉深度为10mm（或17mm）所对应的含水率即为液限，查得圆锥下沉深度为2mm所对应的含水率即塑限。该方法原理清晰、步骤简单，能快速测定土的液、塑限。是目前实验室常用的测定土的液、塑限的方法。具体步骤如下：1）取有代表性的天然含水率或风干土样进行试验。如土中含大于0.5mm的颗粒或夹杂物较多时，可采用风干土样，用带橡皮头的研杵研碎或用木棒在橡皮板上压碎土块。试样必须反复研碎，过筛，直至将可的土块全部通过0.5mm的筛为止。2）取筛下土样200g左右，分开放入三个盛土皿中，用吸管加入不同数量的蒸馏水或自来水，土样的含水量分别控制在液限、塑限以上和它们的中间状态附近。用调土刀调匀，盖上湿布，放置18h以上。3）将制备好的土样充分搅拌均匀，分层装入土样试杯，用力压密，使空气逸出。对于较干的土样，应先充分搓揉，用调土刀反复压实。试杯装满后，刮成与杯边齐平。4）接通电源，调平机身，打开开关，装上锥体。5）将装好的土样的试杯放在液塑限联合测定仪的升降座上，手推升降座上的拨杆，使试杯上升，土样表面和锥体刚好接触，指示灯亮起，停止转动拨杆，按测试键，同时锥体在自重作用下下沉，经5s后测读液晶显示器上显示的下沉深度，单位为mm。6）改变锥尖与土体接触位置（锥尖两次锥入位置距离不小于1cm），重复上述步骤，测得锥体下沉深度值，允许误差为0.5mm。7）取椎体附近的试样不少于15g的土样两个，分别放入称量盒内，测定含水率。8）重复3）至7）步骤，对其它两个含水率的土样进行试验，测椎体的下沉深度和对应土样的含水率。液塑限联合测定应不少于三点，圆锥下沉深度宜为3~4mm、7~9mm、15~17mm。59）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，三点应在一条线上。当三点不在一条线上时，通过高含水率的点与其余两点连成两条直线，在下沉深度2mm处查得相应的2个含水率，当2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一直线。当两个含水率的差值大于等于2%时，应重做试验。10）在含水率与圆锥下沉深度的关系图上查得下沉深度为2mm所对应的含水率为塑限，查得下沉深度为10mm所对应的含水率为10mm液限，查得下沉深度为17mm所对应的含水率为17mm液限，取值以百分数表示，准确至0.1%。11）塑性指数应按下式计算：pLpwwI（1-2）式中：pI——塑性指数；Lw——液限（%）；pw——塑限（%）。12）液性指数LI应按下式计算：pLpL（1-3）式中：LI——液性指数，计算至0.01；w——天然含水率（%）；5.注意事项1）含水率试验规定温度为105～110℃，这是因为一方面取决于土的水理性质，另一方面参考国内外土工试验标准，多数以105～110℃为其烘干温度。2）在进行含水率试验时，烘干后的试样应冷却后再称重，防止天平受热后影响称量精度，严重时会损坏天平，另外，还可以防止热土吸收空气中的水分。3）含有机质土在高温下经长时间烘干后，有机质特别是腐殖酸会在烘干过程中逐渐分解而不断损失，使测得的含水率比实际的含水率大，土中有机质含量越高误差就越大。故本试验对有机质含量超过5%的土，并规定在65～70℃的恒温下进行烘干。4）在界限含水率试验中，若使土变干些，只可在空气中晾干或用吹风机吹干，为加速水分蒸发，可以用调土刀搅拌或用手搓揉，绝不能加干土或用烈火烘烤。6试验二直接剪切试验1.实验目的和要求直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种方法。通常采用在同样深度取得的同一试样桶中的4个试样为一组，分别在不同的垂直压力p下，施加水平剪力T进行剪切，求破坏时的剪应力，然后根据库伦定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角和黏聚力c。该试验属于综合性试验，涉及库仑定律的验证、土的抗剪强度指标的测定等内容，是所有岩土工程必做的试验项目。该实验要求学生掌握直剪仪的使用方法，并使用该仪器进行土体抗剪强度破坏值的测定；掌握采用作图法求土体的抗剪强度指标的方法。2.实验原理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。测定土的抗剪强度，可以提供计算地基强度和地基稳定性的基本指标，即土的内聚力和内摩擦角。土的内摩擦角和内聚力与抗剪强度之间的关系由库仑公式表示：ctg（2-1）直接剪切试验是目前工程实践中最广泛采用的一种。其实验原理是根据库仑定律，土的内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比。这样，将同一制备的4个土样分别在不同的法向压力下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得到其被破坏时的剪应力即为土的抗剪强度f。然后根据库伦公式确定土的抗剪强度指标内摩擦角和黏聚力c。直接对试样施加剪力的设备叫直接剪力仪，常用的直接剪力仪根据施加剪应力的特点分为应力控制式和应变控制式两种。应力控制式是分级施加等量水平剪力于土样使之受剪，应变控制式是等速推动剪切容器使土样受剪。应力控制式施加砝码时易引起冲击力，已被逐渐淘汰，目前多以应变式控制为主。仪器的主要部件是剪切容器，由固定的上盒和活动的下盒（应变式）或固定的下盒与活动的上盒（应力式）等部件组成。试样置于上下盒之间，在试样上先施加预定的法向压力，然后以一定的速率分级施加水平力对试样进行剪切，直至试样被剪坏为止，此时在试样破坏面上因变形所产生的剪应力，可借助与上盒相接触的量力环的变形或所加水平力与杠杆力臂比关系确定。为求得土的抗剪强度参数（,c），一般至少用4~5个试样，以同样的方法分别在不同的法向压力（1、2、3…）的作用下测出相应的（1f、2f、3f…）