土力学实验讲义

1、粒组含量 ：
（4-1）
2、累积含量 ：
（4-2）
式中： ——某粒组百分含量（％）；
——小于某粒径土粒占总土质量百分含量（％）；
——试样总质量（g）；
——某粒组土粒质量（g）；
——小于某粒径土粒质量（g）。
3、按下式计算不均匀系数：
Cu=d60／d10（4-3）
式中：Cu——不均匀系数；
d60——小于某孔径土质量为60%的粒经（mm）；
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：粒径小于、等于60mm，大于0.075mm的土一般用筛析法，粒径小于0.075mm的土采用密度计法或移液管法。
二、筛析法
（一）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 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 ，进而计算出粒组含量和累积含量。
1、搓滚法塑限试验：用手掌在手玻璃板上搓土条，当土条直径刚好在3mm时出现裂缝，对应的含水率叫塑限含水率，这种方法是国内外大多土工试验方法所采用的方法；
2、液、塑限联合测定仪法：采用与锥式液限仪完全相同的仪器，通过与搓条法对比，得到76g圆锥在5秒钟内锥尖入土深度为2mm时对应的含水率与搓条法得到的塑限接近，因此，定义76g圆锥仪在5秒钟内锥尖入土深度为2mm时对应的含水率为塑限含水率。
2、电子天平，电子天平依称量范围和精度需要两种：（1）称量10kg，感量1g，（2）称量1000g，感量0.1g；
3、摇筛机，规范规定摇筛机能够在水平方向摇振，垂直方向拍击。摇振次数为100~200次/分钟，拍击次数为50~70次/分钟；
（4）辅助设备，包括：烘箱、量筒、漏斗、瓷杯、研钵、瓷盘、毛刷、匙、木碾、白纸等。
注：上述试验步骤不适用于层状和网状构造的冻土含水率试验应。
三、成果整理
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：
(1-2)
式中： ——土样含水率（%）；
——湿土质量，单位：克（g）；
——烘干土质量，单位：克（g）。
m1——环刀+土质量（g）
累积留筛土质量（g）
小于该孔径的土质量（g）
小于该孔径的土质量百分数（%）
小于该孔径的总土质量百分数（%）
底盘上土总计
实验
一、试验目的
界限含水率试验主要内容是测试细粒土的液限含水率（ωL）和塑限含水率（ωP），简称液限和塑限，由此获得塑性指数Ip=ωL－ωP、液性指数Il=（ω－ωP）/IP，由ωL和IP利用塑性图上对土进行分类和利用IL判断天然土所处的状态，其次是测试土的缩限ωS。本试验仅介绍液限和塑限的试验方法。
（二）试验步骤
1、选取具有代表性的天然含水量或风干土样，若土中含有较多大0.5mm的顺粒或夹有大量的杂物时，应将土样风干后用带橡皮头的研材研碎或用木棒在橡皮板上压碎，然后再过0.5mm的筛；
2、取过筛的土样不少于200g分别放入三个调土碗里，加不同数量的蒸馏水，土样的含水量分别控制在液限、略大于塑限和二者的中间状态。用调土刀调匀，然后用玻璃片或湿布覆盖，静置24h备用；
粘性土随着含水率的变化，其物理状态和力学性质也发生明显的变化。土体在不同含水率下可能处于如下不同的状态：
1、液态：土体重塑后，在自重作用下不能保持其形状，发生类似于液体的流动现象。同乎没有强度；
2、可塑态：土体重塑后，在自重作用下，能保持其形状。在外力作用下，将发生持续的塑性变形而不产生断裂，外力消失后，即保持外力消失前那一时刻的形状不变。有一定的抗剪强度；
d10——于某某孔径土质量为10%的粒经（mm）。
4、按下式计算曲率系数：
Cc=d302／(d10×d60)（4-4）
式中：Cc——曲率系数；
d60——小于某孔径土质量为60%的粒经（mm）；
d10——于某某孔径土质量为10%的粒经（mm）。
（二）仪器设备
1、分析筛，分析筛据孔径大小分粗筛和细筛两类：土工试验常用的粗筛一般为圆孔，孔径为100，80，60，40，20，10，5，2mm；细筛一般为方孔，等效孔径为2.0，1.0，0.5，0.25，0.10，0.075mm。不同国家和不同部门使用的分析筛孔径大小分级有些差别；
（二）塑限试验原理和方法
塑限试验利用土体处于可塑态时，在外力作用下产生任意变形而不发生断裂；土体处于半固态时，当变形达到一定值（或受力较大）时发生断裂的特点。试验时给予一定外力，使试样变形达到规定值刚好出现裂缝时所对应的含水率作为限含水率。国标中据此给出了两种试验方法：搓滚法和液、塑限联合测定仪法，并且以后者为标准。
3、将制备好的土样用调土刀调拌均匀，分层密实地填入试样杯中，使空气逸出。试杯装满后，刮成与杯边齐平；
4、调平机身，提起锥杆，锥尖涂少许凡士林；
5、将装好的土样的试杯放在升降座上，转动升降旋钮，使试杯徐徐上升，土样表面和锥体尖好接触，蜂鸣器报警，停止升降，按检测键，同时锥体立刻自行下沉，5S时液晶显示器上显示锥入深度h1，试验毕，手拿锥体向上，锥体复位；
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 ，准确至0.01g。计算干土质量 ；
4、按下式计算该试样的含水率，准确至0.1%：
（1-1）
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。
3、半固态：在较小的外力作用下，产生弹性变形为主的变形，当外力超过一定值后，土体发生断裂。土体体积随含水率减小而减小；
4、固态：变形性质类似于半固态，但其体积趋于稳定，不随含水率变化而变化。
我们把液态与可塑态分界处的含水率叫液限含水率（简称液限，记作ωi），可塑态与半固态分界处的含水率叫塑限含水率（简称塑限，记作ωP），半固态与固态分界处的含水率叫缩限含水率（简称缩限ωS）。实际上，土体不同状态之间的过渡是渐变的，为了使用上的方便，将给定的试验方法得到的含水率称作界限含水率。
（二）操作步骤
测密度：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；
2、用切下的代表性土样测定含水率 ；
3、擦净环刀外壁，称环刀加土的质量，准确至0.1g；
m0——环刀质量（g）
V——环刀体积，常用环刀体积为60cm3
试验成果包括土样描述、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、1-2所示。
（三）操作步骤
1、从风干的松散土样中，用四分法取土。取土数量按表2-1执行；
表2-1筛分法取土数量
最大粒径（mm）
取样质量（g）
100~300
300~900
1000~2000
2000~4000
4000以上
2、将试样过2mm筛，分别称出筛上和筛下土质量。取2mm筛上土倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中，取2mm筛下土倒入依次叠好的细筛的最上层筛中（分析筛自上至下孔径自大至小叠放）。用摇筛机充分筛析至各筛上土粒直径大于筛孔孔径，一般摇筛15~30min；
3、由最大孔径筛开始，顺序将各筛取下，将留在各筛上的土分别称量，准确至0.1g。各筛上土质量之和与总土质量之差不得大于总土质量的l％；
4、计算粒组含量和累积含量，画出级配曲线，得到各特征粒径，分析土的级配，据规范定名。
（四）试验记录及试验成果
1、筛析法试验记录表，见表2-2；
2、绘制颗粒大小级配曲线（累积分布曲线）；
3、获得特征粒径 、 、 ，计算曲率系数 、不均匀系数 ；
4、据土的分类标准给土分类定名。
表2-2颗粒大小分析试验记录（筛析法）
风干土质量=g小于0.075mm的土占总土质量百分数=%
2mm筛上土质量=g小于2mm的土占总土质量百分数=%
2mm筛下土质量=g细筛分析时所取试样质量=g
筛号
孔径（mm）
二、试验原理和试验方法
（一）液限试验原理和方法
重塑土处于液态时，在自重作用下发生流动，而处于可塑态时，必须施加外力作用才发生变形。由此我们知道，在两种态的分界处，土从不能承受外力向能承受一定外力过渡。试验时，给予试样一个小的外力作用，在一定的时间内，变形量达到规定值时的含水率叫做液限含水率。规范中给出了两种液限试验方法：锥式液限仪法和喋式液限仪法。并以前者为标准方法。
4、按1至3的步骤进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于0.03g/cm3，取两次测值的平均值。
测含水率：1、取测密度时装入环刀中削出的多出土样15-30g，放入铝盒内，迅速盖好盒盖，称量 ，准确至0.01g，称量结果减去铝盒质量 ，得到湿土质量 ；
2、打开铝盒盖，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。对粘土、粉上不得少于8h，对砂土不得少于6h，对含有机质超过干土质量5%的土，应将温度控制在65～70°C的恒温下烘至恒量，一般需48小时以上；
表1-1含水率试验记录表格
盒号
盒质量（g）
盒加湿土质量（g）
盒加干土质量（g）
湿土质量（g）