土力学试验指导书及报告书-2013版

土工试验指导书及实验报告书编者：陈海玉适用课程：土力学土力学与地基基础2012.6土工试验指导书第一章 含水率试验第一节 概述土体含水率（ω）是土的物理性质指标之一。

土体含水率高低与粘性土的强度和压缩具有密切的关系。

土体在各种状态下的含水率是计算其它物理性质指标、测量其它物理状态指标的最基本试验。

第二节 试验原理土样含水率是指土样在105℃至110℃的温度下烘干至恒重时所失去的水分质量与烘干土质量的比值，用百分数表示。

即：%100⨯-=ss m m m ω （1-1） 式中：ω——土样含水率（%）； m ——湿土质量，单位：克（g ）；s m ——烘干土质量，单位：克（g ）。

含水率试验的室内试验方法以烘干法为标准方法。

在野外，如条件不满足可依土的性质和工作条件选用如下试验方法：1． 酒精燃烧法；2． 比重法（适用于砂性土）；3． 实容积法（适用于粘性土）；4． 炒干法（适用于砾质土）。

含水率试验的上述方法在水中还会发生水解适用于无机土（有机质含量低于5%），对于有机质土和有机土，在温度较高时会发生分解，使测得的含水率偏高，从而造成试验误差。

有机质含量超过5%的有机质土和有机土，含石膏和硫酸盐矿物的土，因这些矿物晶体中含结晶水，因此需采用65℃~70℃温度将土烘干至恒重，测量其含水率。

上述各种试验方法都是利用水在加温后逐渐变成水蒸气的性质。

加热一定时间后，在温度不高于110℃时，土中自由水全部变成气体挥发，之后土重不再发生变化，即处于恒重状态。

这时挥发掉的水重s m m m -=ω。

土恒重即认为是干土质量。

对粘性土，s m 实际上是土粒质量与强结合水质量之和，因强结合水需要温度高于120℃才能析出，故将其作为固体颗粒的一部分。

第三节 烘干法测定含水率一、仪器设备烘干法仪器设备主要包括：1．恒温烘箱：一般要求在50℃~200℃范围内能在任一点保持一定恒温范围。

最常用的恒温范围在105℃~110℃，控制温度的精度高于±2℃；2．天平：200g ，感量0.01g 。

常用天平分机械天平和电子天平两类；3．附属设备：铝盒（称量盒）、干燥器、铅丝篮、温度计等。

二、操作步骤烘干法含水率试验操作主要步骤包括：1．取代表性试样15~30g ，对于砾类土，取100g 以上试样。

放入铝盒内，迅速盖好盒盖，称量1m ，准确至0.01g ，称量结果减去铝盒质量0m ，得到湿土质量01m m m -=；2．揭开铝盒盖，将试样和铝盒一起放入恒温烘箱，在温度105℃~110℃下烘至衡重。

在设定温度下烘至恒重所需时间由土类和烘箱构造决定。

一般砂土约需1~2小时，粉土和粉质粘土约6~8小时，粘土约10小时，有机质土用65℃~70℃烘干需48小时以上；3．将烘干后的试样和铝盒取出，盖好铝盒盖后，放入干燥器内冷却至室温后，称铝盒加土质量2m ，准确至0.01g 。

计算干土质量02m m m s -=；4．按下式计算该试样的含水率：%100%1000221⨯--=⨯-=m m m m m m m s s ω （1-2） 5．按前面的步骤进行两次平行试验，当两次测定含水率的差值在允许的范围内时，取其算术平均值作为该土样的含水率。

两次测定的差值允许范围为：含水率低于40%时，不得大于1%；含水率高于40%时，不得大于2%。

本允许范围是对均质土而言，对原状土由于非均质，样筒上下水在重力作用下重新分布使含水率差值增大，可适当放宽平行试验差值允许范围。

三、试验记录试验记录包括土样描述、试验过程说明和记录表格三个主要组成部分。

试样描述内容有：1.土样颜色；2.土样初步定名；3.土质均匀性及是否含有机质等。

试验过程说明通常有：1.取样位置；2.试验方法；3.试验条件（如烘干法试验的温度、时间、试验设备等）。

含水率试验记录表格见表1-1所示。

在填写原始记录表格过程中，要求使用黑色圆珠笔或钢笔填写，特别注意严禁随意涂改试验记录，对于书写错误，用细线杠去错误数字（要能清楚看出错误数字），把正确数字写在旁边，试验人员要签章。

第二章 密度试验第一节 概述土体的密度是土体直接测量所得的物理性质指标之一。

土体密度大小与土的松紧程度、压缩性、抗剪强度等均有密切联系。

土体密度是计算地基自重应力的重要参数。

密度测试还是土体相对密实度等物理指标的测试方法。

单位体积土体质量叫土的密度，定义式为：vm =ρ （2-1） 式中：ρ——土样密度，单位g/cm 3；m ——土样质量，单位g ；V ——土样体积，单位cm 3。

实验室内直接测量的密度为湿密度（对原状土称作天然密度），用ρ表示。

工程中常用的土体在不同状态下的密度有干密度（d ρ）、饱和密度（sat ρ）、浮密度ρ等。

与密度相对应的常用指标——容重的定义为单位体积土体的重量。

定义式为：g V mg ργ==（2-2） 式中：γ——土样容重，单位3/m kN ，工民建规范称作重度；g ——重力加速度，一般取9.81m/s 2；其余符号同前。

与不同状态下土的密度对应的不同状态土的容重分别记作：干容重d γ、饱和容重sat γ、浮容重γ'。

本章介绍湿密度的实验室测定方法。

第二节 试验原理根据公式（2-1），密度试验方法即包括测定试样体积V 和质量m 。

试验时，将土充满给定容积V的容器，然后称取该体积土的质量m 。

或者反过来，测定一定质量m 的土所占的体积。

前者最常用的有环刀法、灌砂法、灌水法等。

第三节 环刀法一、仪器设备环刀法测试土的密度需要如下设备：1．环刀：内径6.18cm ，高2cm 。

体积定期校正为恒值，常用环刀体积为60cm 3；2．天平：称量200g ，感量0.01g 。

也可用称量1000g ，感量0.1g 的天平。

3．附加设备：切土刀，钢丝锯，凡士林等。

二、操作步骤1．取原状土或制务的扰动土样，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，将环刀垂直向下压至约刃口深处，用切土刀（或钢丝锯）将土样切成略大于环刀直径的土柱后，边压边削，直至土样伸出环刀顶部，将两端余土削平；42．用切下的代表性土样测定含水率ω；3．擦净环刀外壁，称环刀加土的质量1m ，准确至0.1g ；4．按下式计算试样密度和干密度：Vm m 01-=ρ （2-3） ωρρ01.01+=d （2-4）式中：ρ——试样密度，单位g/cm 3； d ρ——试样干密度，单位g/cm 3；1m ——环刀加试样质量，单位g ；0m ——环刀质量，单位g ；V ——环刀容积，单位cm 3；ω——试样含水率，单位%。

5．按1至4的步骤进行两次平行测定，其平行差不得大于0.03g/cm 3，取其算术平均值作为试验结果。

三、试验记录环刀法测定土的密度记录格式及成果可参考附表2-1。

第三章 颗粒分析试验（不做）第一节 概述颗粒分析试验是测定干土中各粒组含量占该土总质量的百分数。

土的颗料大小、级配和粒组含量是土的工程分类的重要依据。

土粒大小与土的矿物组成、力学性质、形成环境等均有直接联系。

因此，土的颗料大小是土的重要特征。

颗粒分析试验是土工基本试验之一，其成果的准确性常影响土工建筑物设计方案甚至稳定性。

第二节 试验原理土粒的粒径变化范围非常大（粒径由大于60mm 到小于0.002mm ），故对不同的粒组采用不同的试验方法：粗粒组一般用筛析法，细粒组采用密度计法或移液管法。

不同的试验方法其试验原理也不同。

一、粗粒组筛析法试验原理对于粒径大于0.075mm 的粗粒土，一般采用筛析法分析土的颗粒大小。

筛析法是采用不同孔径的分析筛，由上至下孔径自大到小叠在一起。

试验时，取质量为s m 的干土放入最上的筛里，通过筛析后，得到不同孔径筛上土质量si m ，进而计算出粒组含量和累积含量。

二、粗粒组密度计法试验原理司笃克斯（Stocks ）研究微小球体在水中下沉时，发现球体的运动近似满足如下规律；1．小球体在水中沉降的速率是恒定的；2．小球体沉降速率大小与球体直径d 的平方成正比。

上述规律可用下式表示：()241800d g G G v C w wt s ηρ -=（4-1）式中：d ——颗粒直径，mm ； v ——颗粒沉降速率，cm/s ；C w4ρ——4℃时水的密度，34/0.1cm g C w = ρ；wt G ——水温C T 时水的比重；η——水温C T 时水的动力粘滞系数，s kPa ⋅-210；s G ——土粒比重；g ——重力加速度，2/81.9s m g =。

由式（4-1）知，颗粒比重一定时，颗粒愈大，在水中沉降的速率愈快。

现将一定质量s m 的土与水搅拌成总体积为V 的均匀悬液，然后观察悬液中颗粒下沉情况和悬液浓度的变化。

为研究方便，取距悬液表面为L 的薄层MN 来分析，如图4—1所示。

试验开始时（0=t 时刻），悬液均匀，悬液中自上至下各粒组均匀分布，然后土粒开始下沉，大颗粒下沉比较快，细颗粒下沉比较慢。

设在i t t =时刻，i d d =的颗粒刚好从悬液表面下沉到MN 层，那么该时刻在MN 层中，没有i d d >的颗粒，而d ≤i d 的颗粒浓度与起始时刻(0=t 相同)。

因此，如果我们已知L ，则i d d =颗粒下沉速度为：ii t L v =（4-2） 将（4-2）代入（4-1）得： i i t L k d 1= （4-3）式中：1k ——粒径计算系数()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=g G G k C w wt s 411800ρη与悬液温度和土粒比重有关，可由图4-6查出。

式（4-3）将测量粒径i d 的问题转化为测定任一时刻i t 及相应落距L 的问题。

在密度计法颗粒分析试验中，不固定L ，而是测量i t 时刻密度计读数i r ，将L 定义为密度计在液面读数i r 至密度计浮泡形心距离i L ，i L 与i r 的关系可通过密度计率定获得。

现在若再算出d ≤i d 的颗粒占总土质量百分含量i P ，问题就解决了。

由于i t t =时刻，距悬液表面为i L 的MN 层中，只有d ≤i d 的颗粒存在，i d d >的颗粒浓度为零，d ≤i d 的颗粒浓度i q 与起始时刻（0=t ）相同。

如果测出i t t =时刻MN 层中d ≤i d 的颗粒浓度i q ，可以算出量筒中d ≤i d 的颗粒质量si m 为：V q m i si ⨯= （4-4）密度计法量测MN 层（密度计形心处）的密度i r ，密度i r 与浓度i q 成正比，见式（4-6）和（4-7）所示。

在移液管法试验中，i t t =时刻，在MN 层中吸取3cm V i 的悬液，烘干后得到土粒质量为si m '，则可计算出i d d <土粒浓度为：i si i V m q /'=。