土力学实验报告

土力学实验报告 Prepared on 22 November 2020
园林学院
土力学实验报告
学生姓名
学号 01
专业班级土木工程091 指导教师李西斌
组别第三组
成绩
实验目录3
前言
土是矿物颗粒所组成的松散颗粒集合体，其物理力学性质与其他材料不同；土力学是利用力学的基本原理和土工试验技术来研究土的强度和变形及其规律性的一门应用学科。

土的天然含水率、击实性、压缩性、抗剪强度是水利工程中的四大问题，他们的好坏与否直接关系到水利工程的经济效益与安全问题，因此在工程中作好土料的指标实验，确定出相应标对水利工程具有十分重要的意义。

实验一 含水量试验
一、概述
土的含水率
是指土在温度105~110℃下烘干至恒量时所失去的水质量与达
到恒量后干土质量的比值，以百分数表示。

含水率是土的基本物理性质指标之一，它反映了土的干、湿状态。

含水率的变化将使土物理力学性质发生一系列变化，它可使土变成半固态、可塑状态或流动状态，可使土变成稍湿状态、很湿状态或饱和状态，也可造成土在压缩性和稳定性上的差异。

含水率还是计算土的干密度、孔隙比、饱和度、液性指数等不可缺少的依据，也是建筑物地基、路堤、土坝等施工质量控制的重要指标。

二、实验原理
土样在在105℃～110℃温度下加热，土中自由水会变成气体挥发，土恒重后，即可认为是干土质量s m ，挥发掉的水分质量为w s m m m =-。

三、实验目的
测定土的含水量，供计算土的孔隙比、液性指数、饱和度等不可缺少的一个基本指标。

并查表可确定地基土的允许承载力
四、实验方法
含水率实验方法有烘干法、酒精燃烧法、比重法、碳化钙气压法、炒干法等，其中以烘干法为室内实验的标准方法。

在此仅用烘干法来测定。

烘干法
烘干法是将实样放在温度能保持105~110℃的烘箱中烘至恒量的方法，是室内测定含水率的标准方法。

（一）仪器设备
（1）保持温度为105~110℃的自动控制电热恒温烘箱；
（2）称量200g、最小分度值的天平；
（3）玻璃干燥缸；
（4）恒质量的铝制称量盒。

（二）操作步骤
（1）从土样中选取具有代表性的实样15~30g（有机质土、砂类土和整体状构造冻土为50g），放入称量盒内，立即盖上盒盖，称盒加湿土质量，准确至。

（2）打开盒盖，将实样和盒一起放入烘箱内，在温度105~110℃下烘至恒量。

实样烘至恒量的时间，对于粘土和粉土宜烘8~10h，对于砂土宜烘6~8h。

对于有机质超过干土质量5%的土，应将温度控制在65~70℃的恒温下进行烘干。

（3）将烘干后实样和盒从烘箱中取出，盖上盒盖，放入干燥器内冷却到室温。

（4）将实样和盒从干燥器内取出，称盒加干土质量，准确至。

（三）成果整理
按式（1-1）计算含水率：
（2-1）
式中—含水率（%），精确至%；
—称量盒加湿土质量（g）；
—称量盒加干土质量（g）；
—称量盒质量（g）。

含水量实验须进行二次平均测定，每组学生取两次土样测定含水量，取其算术平均值作为最后成果。

但两次实验的平均差值不得大于下列规定：
含水率测定的平行差值
含水率（%）允许平行差值（%）
<10
<40 1
≥40 2
（四）实验记录
烘干法测含水率的实验记录见表1-1。

表1-1 含水量实验记录
实样编号土
样
说
明
盒
号
盒质
量
（g
）
盒加湿
土质量
（g）
湿土
质量
（g）
盒加干
土质量
（g）
干土
质量
(g)
含水
量
（%
）
总平
均含
水量
（%
）
备
注
1 粘
土
45
53
五、成果分析
该实验为最基础的土力学实验之一，在实验时应谨慎操作，不可马虎，烘干一定要彻底，盒子与盒盖不可弄混，否则将影响实验成果。

在本次实验中，由于时间有限，烘干过程不是很彻底；在烘箱中烘干过程中前期忘打开盖子，不利水分蒸发。

这些一定程度上都影响了实验结果。

实验二密度实验
土的密度是指单位体积土的质量，它是土的基本的物理指标之一，也是计算土体自重应力和土体抗力的基本参数。

一、试验目的
测定土在天然状态下单位体积的质量。

二、试验方法与适用范围
一般粘性土，宜采用环刀法
已破碎，难以切削的土，可采用蜡封法
对于砂土与砂砾土，可采用现场的灌砂法或灌水法。

三、环刀法的试验
1、仪器设备
①符合规定要求的环刀；②精确度的天平；③其它：切土刀，钢丝锯，凡士林等。

2、实验操作步骤
（1）、测出环刀的容积V ，在天平上称环刀质量m1。

（2）、取直径和高度略大于环刀的原状土样或制备土样。

（3）、环刀取土：取原壮土或制备的扰动土样，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；
（4）、将取好土样的环刀放在天平上称量，记下环刀与湿土的总质量m2
3、按下式计算试样土的密度：
21
m m m V V
ρ-=
=
式中：ρ——试样密度，单位g/cm 3；
m
——环刀加试样质量，单位g；
2
m
——环刀质量，单位g；
1
V——环刀容积，单位cm3；
4、要求：
①密度试验应进行2次平行测定，2次测定的差值不得大于cm3，取2
次试验结果的其算术平均值；②密度计算精确至 g/cm3。

5、实验记录
烘干法测含水率的实验记录见表2-1。

表2-1 密度实验记录
五、成果分析
该实验为最基础的土力学实验之一，在实验时应谨慎操作，不可马虎，环刀事先要清理干净，环刀内土样上下表面与环刀要平整，否则将影响实验成果。

实验数据满足平行误差要求。

实验三液限和塑限试验
一、概述
粘性土的状态随着含水率的变化而变化，当含水率不同时，粘性土可分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态，粘性土从一种状态转到另一种状态的分界含水率称为界限含水率。

土从流动状态转到可塑状态的界限含水率称为液限；土从可塑状态转到半固体状态的界限含水率称为塑限；土由半固体状态不断蒸发水分，则体积逐渐缩小，直到体积不再缩。

小时的界限含水率称为缩限
s
I是指液限与塑限的差值，由于塑性指数在一定程度上土的塑性指数
p
综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素，因此，粘性土常按塑性指数进行分类。

界限含水率试验要求土的颗粒粒径小于，且有机质含量不超过5%，且宜采用天然含水率试样，但也可采用风干试样，当试样含有粒径大于的土粒或杂质时，应过的筛。

二.液限、塑限试验原理
粘性土随着含水量变化，其物理状态和力学性质发生明显的变化。

重塑土处于液态时在自重作用下不能保持其形状，发生类似于液体的流动；
土体处于可塑状态，在重力作用下能保持形状，在外力作用下将发生塑性变形而不断裂，外力消失后能保持外力消失前一时刻的形状而不变，有一定的抗剪强度。

通过给予试样一个小的外力，在一定时间内变形达到规定
值时的含水量。

塑限试验利用土体处于可塑时，在外力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）时发生断裂底特点。

试验时给予一定外力，使试样变形达到规定刚好出现裂缝时所对应底含水量作为塑限含水量。

三、实验目的
测定土的液限时含水量，用以计算土的塑性指数和液性指数，作为粘土的分类以及估算地基土承载力的一个依据。

测定土的塑限，并与液限实验和含水量实验结合，来计算土的塑性指数和液性指数，作为粘性土的分类以及估算地基承载力的一个依据。

四、实验方法：
1、试验方法
土的液、塑限试验：采用液塑限联合测定法;
土的塑限试验：采用搓滚法；
土的液限试验：采用碟式仪法。

2、适用范围
适用于粒径小于颗粒组成及有机质含量不大于干土质量5%的土。

五、液塑限联合测定法试验
1、仪器设备
○1液塑限联合测定仪：圆锥仪、读数显示；○2样杯：直径40—50mm,高30—40mm；○3平：称量200g,分度值；○4他：烘箱、干燥器、铝盒、调土刀、孔径的筛、凡士林等。

2、操作步骤
液限、塑限联合试验，原则上采用天然含水量的土样制备试样，但也允许采用风干土制备试样。

（1）当采用天然含水量的土样时，应剔除大于的颗粒，然后分别按接近液限、塑限和二者之间状态制备不同稠度的土膏，静置湿润。

静置时间可视原含水量的大小而定。

当采用风干土样时，取过筛的代表性土样约200g,分成3份，分别放入3个盛土皿中，加入不同数量的纯水，使分别接近液限、塑限和二者中间状态的含水量，调成均匀土
膏，然后放入密封的保湿缸中，静置24小时。

（2）将制备好的土膏用调土刀调拌均匀，密实地填入试样杯中，应使空气逸出。

高出试样杯的余土用刮土刀刮平，随即将试样杯放在仪器底座上。

（3）取圆锥仪，在锥体上涂以薄层凡士林，接通电源，使电磁铁吸稳圆锥仪。

（4）调节屏幕准线，使初读数为零。

调节升降座，使圆锥仪锥角接触试样面，指示灯亮时圆锥在自重下沉入试样内，经5秒后立即测读圆锥下沉深度。

（5）取下试样杯，然后从杯中取10g以上的试样2个，测定含水
率。

（6）按以上（2）——（5）的步骤，测试其余2个试样的圆锥下沉
深度和含水率
3、计算与制图
（1）计算含水量：100%s
m m ω=⨯ （2）绘制圆锥下沉深度h 与含水量ω的关系曲线
以含水率为横坐标，圆锥入土深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制h~w 的关系曲线。

如图所示。

○1三点连一条直线上。

○2当三点不在一直线上，通过高含水量的一点与其余两点连两根直线，在圆锥入土深工为2mm 处查得相应的两个含水量，如果两个含水率的差值小于2%，应该两含水率的平均值与高含水量的点作直线，○3当两个含水量差值等于或大于2%，则应补做试验
（3）确定液限、塑限
在圆锥下沉深度h 与含水量w 的关系图上查得下沉深度为17mm 对应的含水量为液限L ω，查得下沉深度为2mm 所对应的含水量为塑限w p ,以百分数表示，取整数。

（4）计算塑性指数和液性指数
塑性指数：p L p I ωω=-
液性指数：p
L p I I ωω-=
(5) 按规范规定确定土的名称
4、本试验记录格式详见表3-1
L P
塑性指数：p L p I ωω=- 液性指数：p
L p I I ωω-=
表3-1 液塑限联合测定法试验记录表
图3-1 h-w关系图
五、注意事项
1、在实验中，锥连杆下落后，需要重新提起时，只需将侧杆轻轻上推到位，便可自动锁住
2、试样杯放置在实验台上时，需轻轻平放，不与台面相碰撞，更应避免与其他金属等硬物与工作台面碰撞，有助于保持台面的平整度。

3、每次试验后都应取下标准锥，用棉花或布擦干，放置干燥处。

4、做实验前后都应保持侧杆的清洁。

5、对于含水率接近塑限（即圆锥入土深度稍大于2mm）的试样，由于含水率较低，用调土刀不易调拌均匀，须用手反复将试样揉捏均匀，才能保证试验成果的正确性。

六、成果分析
进行该实验之前，要对土样进行筛分，由于时间有限我们没有进行此项工作，用的土也非实验要求的细粒土，这会对实验成果产生一定的影响。

根据已知三点作图，三点取整时三点正好共线。

由图得出：W L=56% W P=26%
塑性指数：Ip= W L-W P =56%-26%=30%
液性指数：I
L =(W-W
P
)/ Ip=（%-26%）/30%=%
1、黏土状态的划分
2、黏性土塑性指数 Ip>10。

若10< Ip <17 称为粉质黏土; Ip>17称为黏土所以，该土样为黏土；稠度状态为可塑。

实验四固结试验
一、试验目的
本实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，或孔隙比和压力的关系，变形和时间的关系，以便计算图的压缩系数、压缩指数、压缩模量、固结系数及原状土的先期固结压力等。

二、试验方法
适用于饱和的粘质土（当只进行压缩试验时，允许用于非饱和土）。

试验方法：
1、标准固结试验;
2、快速固结试验：规定试样在各级压力下的固结时间为1小时，仅在
最后一级压力下除测记1小时的量表读数外，还应测读达压缩稳定时的量表读数。

三、标准固结试验
1、仪器设备
①固结容器；②加压设备；③变形测量设备；④其他；刮土刀、天平、
秒表
2、试验步骤
（1）根据工程需要，切去原状土试样或制备给定密度与含水量的扰动土样。

（2）按试验一、二的方法，测定试样的密度及含水量。

对于试样需要饱和时，按规范规定的方法将试样进行抽气饱和。

（3）在固结容器内放置护环、透水板和薄滤纸，将带有环刀的试样，小心装入护环内，然后在试样上房薄滤纸、透水板和加压盖板，置于加压框架下，对准加压框架的正中，安装量表。

（4）施加1KPa 的预压压力，使试样与仪器上下各部分之间接触良好，然后调整量表，是指针读数为零。

（5）确定需要施加的各级压力。

加压等级一般为、100、200、400、800KPa 。

（6）如系饱和试样，则在施加第1级压力后，立即向水槽中注水至满。

如系非饱和试样，须用湿棉围住加压盖板四周，避免水分蒸发。

（7）测记稳定读数。

当不需要测定沉降速率时，稳定标准规定为每级压力下固结24小时。

测记稳定读数后，再施加第2级压力。

依次逐渐加压至试验结束。

（8）试验结束后，迅速拆除仪器部件，取出带环刀的试样。

（如系饱和试样，则用干滤纸吸取试样两端表面的水，取出试样，测定试验后的含水量）。

3、计算与制图
()000
10.011w s G e ρωρ+=- （1） 按下式计算试样的初始孔隙比e 0
式中：0ρ—试样初始密度，g/cm 3
0ω—试样的初始含水量，% 。

（2） 式计算各级压力下固结稳定后的孔隙比e i
()0001i i h e e e h ∆=-+
式中：i h ∆—某级压力下试样的高度变化，即总变形量减去仪器
变形量，cm ；
0h —试样初始高度，cm 。

(3)按下式计算某一级压力范围内的压缩系数
11i i v i i
e e a p p ++-=-
（4）绘制e~p 的关系曲线 以孔隙比e 为纵坐标，压力p 为横坐标，将试验成果点在图上，连成一条光滑曲线。

（5）要求：用压缩系数判断图的压缩性。

4、本试验记录格式详见实验报告
四、快速固结试验
1、仪器设备
①固结容器；②加压设备；③变形测量设备；④其他；刮土刀、天平、秒表等。

2、操作步骤
试样在各级压力下的固结时间为1小时，仅在最后一级压力下除测记1小时的量表读数外，还应测读达压缩稳定时的量表读数。

1、 快速固结试样结果的校正
按下式计算各级压力下试样校正后的总变形：
()()()
()n T
i i i t t n t
h h h K h h ∆==∑
式中：i h ∆∑—某一压力下校正的总变形量，mm ；
()i t h —某一压力下压缩1的总变形量减去该压力下的仪器变形量，mm ； ()n t h —最后一级压力下压缩1的总变形量减去该压力下的仪器变形量，
mm ；
()n T h —最后一级压力下达到稳定标准的总变形量减去该压力下的仪器变
形量，mm ； K —校正系数。

4、本试验记录格式详见表4 固结试验记录（一）
表4-1 含水量实验记录
表4-2 密度实验记录
表4-3 固结实验记录
五、成果分析
实验时间有限，每级荷载只加载1个小时，尚未沉降稳定即加下一级荷载。

最后稳定只取23小时。

取GS=
e0=1××﹙1＋×﹚÷－1＝
由
()
00
1i
i
h
e e e
h
∆
=-+
，Δh i=H0－H i ,可得表中各e i值。

由11i i v i i
e e a p p ++-=-得出v a
图4-1 e-p 关系
1112 1.720.5v a MPa MPa ---=>，为高压缩性土。

实验五直接剪切试验
一、试验目的
直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法。

通常采用四个试样，分别在不同的垂直压力P下，施加水平剪切力进行剪切，测得剪切破坏时的剪应力τ.然后根据库仑定律确定土的抗剪强度指标:内摩擦角φ和粘聚力c。

二、试验方法与适用范围
1、试验方法
快剪试验：在试样上施加垂直压力后立即快速施加水平剪应力。

固结快剪试验：在试样上施加垂直压力，待试样排水固结稳定后，快速施加水平剪应力。

慢剪试验：在试样上施加垂直压力及水平剪应力过程中，均使试样排水固结。

2、适用范围：适用于测定细粒土的抗剪强度指标c和φ及土颗粒的粒径小于2mm的沙土的抗剪强度指标φ。

渗透系数k大于10-6cm/s的土不宜做快剪试验。

三、固结快剪试验
1、仪器设备
应变控制式直剪仪：剪切盒、垂直加压框架、测力计、推动机构等；
位移计（百分表）：量程5~10mm,分度值；
天平、环刀、削土刀、饱和器、秒表、滤纸、直尺等。

2、操作步骤（粘性土）
（1）试样制备：从原状土样中切取原状土试样或制备给定干密度和含水量的扰动土试样。

按规范规定，测定试样的密度及含水量。

对于扰动土样需要饱和时，按规范规定的方法进行抽气饱和。

（２）试样安装：
对准上下盒，插入固定销。

在下盒内放湿滤纸和透水板。

将装有试样的环刀平口向下，对准剪切盒口，在试样顶面放湿滤纸和透水板，然后将试样徐徐推入剪切盒内，移去环刀。

转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触。

调整测力计读数为零。

依次加上加压盖板、钢珠、加压框架，安装垂直位移计，测记起始读数。

（3）施加垂直压力：一个垂直压力相当于现场预期的最大压力p，一个垂直压力要大于p，其他垂直压力均小于p。

但垂直压力的各级差值要大致相等。

也可以取垂直压力分别为100、200、300、400kPa 各级垂直压力可一次轻轻施加，若土质软弱，也可以分级施加以防试样挤出。

（4）如系饱和试样，则在施加垂直压力5min后，往剪切盒水槽内注满水；如系非饱和试样，仅在活塞周围包以湿棉花，以防止水分蒸发。

（5）在试样上施加规定的垂直压力后，测记垂直变形读数。

当每小时垂直变形读数变化不超过,认为以达到固结稳定。

（６）试样达到固结稳定后，拔去固定销，开动秒表，以~min的速率剪切（每分钟4~6转的均匀速度旋转手轮），使试样在3~5min剪损。

剪损的标准：①当测力计的读数达到稳定，或有明显后退表示试样剪损；
②一般宜剪切至剪切变形达到4mm；③若测力计的读数继续增加，则剪切变形达到6mm为止。

（７）剪切结束后，吸去剪切盒中积水，倒转手轮，尽快移去垂直压力、框架、钢珠、加压盖板等。

取出试样，测定剪切面附近的含水量。

3、计算与制图
010
CR
A
τ=⨯
（1）计算：按下式计算试样的剪应力
式中：C—测力计率定系数，N/；
R—测力计读数，
A
—试样断面积，cm2；
10—单位换算系数。

（2）制图：以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力τ与剪应位移Δ1曲线关系：以抗剪强度τf为纵坐标，垂直p为横坐标，绘制抗剪强度τf与垂直压力p的关系曲线。

选取剪应力τ与位移Δ1关系曲线上的峰值点或稳定值作为抗剪强度τf；若无明显峰值点，则可取剪切位移Δ1等于4mm对应的剪应力作为抗剪强度τf。

4、本试验记录格式详见表
表5-1 直剪试验记录
四、成果分析
计算：相关数据结果见表5-1.
制图：由于在本次实验中，土样没有固结稳定就做直剪实验，土样很容易被剪坏，无法测得一组实验中剪力与位移的关系，因此，本次实验只有抗剪强度与垂直压力关系图，见图5-1。

图5-1 抗剪强度与垂直压力关系图。