土力学四大实验

实验一 土的密度及含水量实验
(一) 实验目的
测定土的密度与含水量。

(二) 土的密度测定 1. 实验内容和原理
(1) 实验内容：用“环刀法”测土的天然密度。

(2) 实验原理：土的密度ρ是单位体积土的质量。

V m m /)(21-=ρ 式中m 1——环刀加土的质量（g ）; 2m ——环刀的质量（g ）;
V ——土的体积（cm 3）。

2. 实验仪器及材料（环刀法）：内径6~8cm ，高2~3cm ，体积为100cm 3和60cm 3两种；天平：感量0.01g ，称量200g ，其他：切土刀，钢丝锯，凡士林。

3. 实验步骤
（1）按工程需要取原状土或制备所需状态的扰动土样，整平其两端，将环刀内壁涂一层凡士林，称出环刀的质量，刀口向下放在土壤上。

（2）用切土刀（或钢丝锯）将土样削成略大与环刀直径的土柱，然后将环刀垂直下压，边压边削，至土样伸出环刀为止，将两端余土削平，取剩余的代表性土样用于测定含水量。

（3）擦净环刀外壁称重(若在天平放砝码一端，放一等重环刀)可直接测出湿土重。

准确至0.1g 。

（4）计算土的密度，精确至0.01g/cm 3。

（5）本实验需进行两次平行测定，其平行差值不得大于0.03 g/cm 3，取其算术平均值。

（6）操作注意事项：用环刀切取式样，为防止扰动，应切削一个较环刀内径略大的土柱，然后将环刀垂直下压，为避免环刀下压时挤压四周土样，应边压边削，直至土样伸出环刀，然后将两端修平用直刀一次刮平，严禁用直刀在环刀土面上来回抹平，如遇石子等其他杂物等要尽量避开，无法避开则视情况酌情补上。

4.成果整理，写出实验过程，整理实验数据，并填表1
1. 实验内容和原理
（1）实验内容：用烘干法测土的含水量。

（2）实验原理：土的含水量ω为土中所含水的质量W m ，与土粒质量m s 的比值。

%100/⨯=s W m m ω
本实验一烘干法完成，为室内实验的标准方法，烘干法是将一定数量土样称重后放入烘箱中在100~105℃恒温烘至恒重。

烘干后土的质量即为土粒质量s m ,土样所失去质量为水质量
W m 。

2. 实验仪器及材料 烘箱：电热烘箱或温度能保持100～105℃的其他能源烘箱及红外线烘
箱等；天平：称重200g ，感量0.01g ，其他：干燥器，称量盒，削土刀等。

3.实验步骤
（1）取代表性式样15～30g放入称量盒内，立即盖好。

称湿土加盒的质量，精确至0.1g （2）揭开盒盖将试样放入烘箱，在温度100～105℃下烘到恒重。

（3）将烘干后的式样取出，放入干燥器内冷却，称出盒加干土质量，精确至0.1g（冷却时间不要过长）
（4）计算土的含水量：本方法需要进行两次平行测定，取两次结果的算术平均值作为土的含水量，精确至0.1%。

4.成果整理写出实验过程，整理实验数据，并填表2.
试验二粘性土的液限、塑限的测定
一、实验目的：
是测定粘性土的液限和塑限，从而算出塑性指数，用来作为粘性土的分类依据。

其与天
然含水量比较，可以判断土属于哪个稠度状态，借此可确定地基土的计算强度。

二、基本原理
（一）粘性土由于所含的水分不同，而形成流动状态，可塑状态，半固体状态及固体状态。

测求土处于可塑状态与流动状态的界限含水量称为液限，测土处于可塑状态与半固体状态的界限含量称为塑限。

其液限与塑限之差称为塑性指数。

（二）测定的方法有多种，这里我们采用塑液限联合测定仪法。

（三）、液限与塑限的测定只适用于小于0.5毫米土粒占优势所级成的粘性土，土样含有大于0.5毫米的颗粒或含有机物质5—10%之间时，仍可用此方法，但必须注明有机物含量。

三、仪器设备
①液限联合测定仪：圆锥仪,读书显示器；②试样杯:40-50mm,高30-40mm;③天平:称量
200g,分度值0.01g;④其他: 筛（0.5毫米）、烘箱、调土刀、凡士林等。

四、操作步骤
（一）本次试验采用风干土制备试样。

取筛余土样，放在调土皿中，加水调成均匀浓糊状，制备成三组分别含水率不同的试样，用湿布覆盖，或放在密闭玻璃容器中，静置于一昼夜。

（二）将制备好的试样，用调土刀调拌均匀，分层装入土杯中，填装时注意勿使土内留有空隙或气泡，用刮刀将多余的土刮去，使与杯口齐平，并将其杯放在底座上。

（三）将锥式流限仪用布拭净，并用锥体上抹一层凡士林，提住锥体上端手柄，对准试样表面中部，至锥尖与试样表面接触时放开手指，使锥体在其自重下沉入土中，测出经过约5秒钟其下沉深度。

（四）从杯中圆锥沉入点附近（把附有凡士林的土去掉）取土10克以上，测其含水量，精确到0.01。

（五）将称量过的铝盒放入烘箱在规定温度线烘至衡重，取出后冷却称量重量
（六）重复2-7次以上步骤，测试三种含水率土样的圆锥深入度和含水量（三种土样最好分别为液限，塑限，固限左右的含水量）。

五、记录格式
液塑限实验
土样编号班级勘技一班
六 误差分析
按下式计算流限W L 与塑限W P ；%：
W L %或W P %=
%1000
22
1⨯--g g g g
式中：g 1——称量盒加湿土重，克
g 2——称量盒加干土重，克 g 0——称量盒重，克 计算至0.1%
试验三、固 结 试 验
（一）概述
固结试验的目的在于测定试样在侧限和垂直排水条件下的压力、变形和时间以及孔隙比和压力间的关系。

以便绘制压缩曲线，求得土的压缩系数a v 、压缩模量E s 、压缩指数C c 、固结系数C v 以及原状土的先期固结压力p c ，用来判断土的压缩性和进行变形计算。

（二）试验原理
试样装在厚壁金属容器内，上下各放一块透水石，然后在试样上分级施加垂直压力p 。

测记加压后不同时间的垂直变形，由于试样受金属厚壁容器的限制，不可能产生侧向膨胀，因此该试验称为侧限压缩试验，或无侧胀压缩试验。

设加压前土样的高度为H 0，面积为A ，土样的体积为V 0，颗粒体积为V s0，孔隙体积为V v0。

压缩前后土的体积变化示意图如图 4–1。

根据图 4-1可得
10010010)(V V V A H A H H H H H -=-=-
v 0s 1v 1s 0v 0s )(V V V V V V ++-+=
由于土粒的压缩量常可忽略不计，故1s 0s V V =，代入上式得
图 4–1 压缩前后土的体积变化示意图
100
s 0v 0s 0s 0s 1
v 0s 0v 0v 0s 1v 0v 00101e e e V V V V V V V V V V V V H H H H H +-=+-
=+-=∆=-
（ 4–1）
即
)1(00
01e H H e e +∆-= （ 4–2）
若通过试验测得稳定压缩量H ∆，则可由上式求得相应的孔隙比1e ；同样，在不同的压力2p 、3p 、4
p 作用下都可测得稳定的压缩变形量，并求得相应的孔隙比2e 、3e 、4e 等，则可绘制e —p 曲线（或e —lg p 曲线）。

（三）仪器设备
目前常用的固结仪有磅秤式、杠杆加压式或其他加压设备形式。

本试验用杠杆加压式。

（1）固结仪：固结仪包括固结容器和加压设备两部分，如图 4–2所示。

试样面积30cm 2或50 cm 2，高2cm ；加压设备为杠杆及砝码；
（2）天平：感量0.01g 及0.1g 各一台； （3）量表：最小分度为0.01mm ，量程10mm ； （4）其他：秒表、烘箱、钢丝锯、削土刀、土盒、凡土林等。

（三）操作步骤
1．试样制备及含水率测定
（1）切取原状试样时，土层受压方向应与天然土层受压方向一致。

（2）环刀内壁涂一薄层凡士林，以减少试样与环刀壁的摩擦及对试样的扰动。

（3）切取试样时，先将环刀刃口向下压入土样少许，将土样修成略大于环刀直径的土样，边修边压，直至试样突出环刀为止，然后修去上下两端余土，修平试样表面（注意不要来回涂抹）。

2．测定试样密度：按照前两个试验的方法测定试样的密度及含水量。

3．安装试样：将带有环刀的试样，小心装入护环，再装入固结容器内，然后放上透水石和加压盖板。

4．将装好的固结容器放在加压框架下，对准加压框架正中，装上量表，并调节其可伸长距离不小于8mm ，然后检查量表是否灵敏和垂直。

5．在砝码盘上加预压荷载50g （试样所受压力约1kPa ）使试样与仪器上下各部分之间接触良好，然后转动量表表盘，使指针对准零点。

本次加压等级为50，100，200kpa 。

6．每三十分钟记下测微表读数，精确到0.01mm ，并记录。

（1）计算试样的初始孔隙比e o 1)01.01(0
w 0s 0-⋅+=γγw G e
式中
e 0——初始孔隙比；w 0——试验前土样的含水率，%；0γ——试样初始密度，g/cm 3；
w γ——水的密度，g/cm 3。

（2）计算各级荷载下压缩稳定后的相对沉降量S i 0
h h S i i
∑∆=
图 4–2 固结仪示意图
1–水槽；2–护环；3–环刀；4–加压上盖； 5–透水石；6–量表导杆；7–量表架；8–试样
式中 ∑△h i ——某一压力下，试样压缩稳定后的总变形量（等于该荷载下压缩稳定后的量
表读数减去仪器变形量。

仪器变形量由实验室给出），mm ；h 0——试样的初始高度（等于环刀高度），mm 。

（3）计算各级荷载下压缩稳定后的孔隙比e i i i S e e e )1(00+-= 计算压缩系数
2
33221v p p e e a --=
-
（5）计算压缩模量
v
0s 1a e E +=
（ 4–7）
E s ——压缩模量，MPa 。

式中其余符号含义同上。

2．绘图：
（1）土的变形与时间关系曲线。

（2）压缩曲线，即e ～p 曲线。

实验四 直接剪切试验
（手动）
一、基本概念及原理
土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质指标之一。

工程中的地基承载力，挡土墙的土压力，土坡稳定等问题都与土的抗剪强度直接相关。

根据库仑定律，土的抗剪强度与剪切面上的法向应力成正比。

其本质是由于土粒之间的滑动摩擦以及凹凸面间的镶嵌作用产生的摩阻力，其大小决定于土粒表面的粗糙度、密实度、土颗粒的大小以及颗粒级配等因素。

粘性土的抗剪强度由两部分组成，一部分是摩擦力，另一部分是土粒之间的粘结力。

用库仑定律公式表达为τ＝c+σtg υ。

二、试验目的
直接剪切试验是测定土抗剪强度指标的一种常用方法。

通常将同一土样切取不少于四个试样；分别在不同的垂直压力下施加水平剪切力，测得破坏时的切应力，以确定土的内摩擦角和内聚力，为工程实践提供依据。

三、试验方法及适应范围
由于土体在固结过程中孔隙水压力的消散，荷载在土中产生的附加应力最后全部转化为有效应力。

其实质是土体强度不断增长的过程。

因此，剪切试验条件决定了同一种土在不同试验条件下的抗剪强度不同。

为了模拟现场土体的剪切条件，根据土的固结程度，剪切时的排水条件以及加荷速率，把剪切试验分为三种：
1、快剪试验（或不排水剪）：土样施加法向应力后，立即施加水平剪切力，在3-5分钟内将试样剪切破坏。

在整个试验过程中不允许土样含水量有所变化，即孔隙水压力保持不变。

这种方法只适用于模拟现场土体较厚，透水性较差，施工速度较快，基本上来不及固结就被剪切破坏的情况（土的渗透系数小于10-6cm/s）。

2、固结快剪（或固结不排水剪）：先将土样在法向应力作用下达到完全固结，然后施加水平剪切力，与快剪方法一样使土样剪切破坏。

此方法只适用于模拟现场土体在自重或正常荷载条件下已达到完全固结状态，随后，又遇到突然增加荷载或因土层较薄，透水性较差，施工速度快的情况。

适用于土的渗透系数小于10-6cm/s的土类，对渗透系数大于10-6cm/s的土，应采用三轴仪进行试验。

3、慢剪试验（或固结排水剪）：先将土样在法向应力作用下，达到完全固结。

随后施加慢速剪切（剪切速度应小于0.02mm/min）剪切过程中使土中水能充分排出，使孔隙水压力消散，直至土样剪切破坏。

本次试验采用快剪试验。

四、仪器设备
1、应变控制式直接剪切仪，如图6.1所示。

2、百分表：量程1-10mm，最小分度为0.01mm
3、其它：切土刀、环刀、秒表、蜡纸、钢丝锯等。

五、操作步骤
6.1
1、切取土样：用标准环刀，切取原状土或制备的扰动试样，方法同密度试验，每组试验不少于四个试样，并分别测定其密度及含水量。

密度差值不得超过0.03g/cm3。

2、仪器检查：
①将调整平衡的白色手轮逆时针旋转，使中心轴上升至顶端，以便加荷过程中调整杠杆水平；
②调整平衡锤使水平杠杆水平；
③检查仪器各部分接触是否紧密转动是否灵敏；
④安装百分表于量力环中，并检查百分表是否接触良好。

3、安装试样：对准上、下剪切盒并插入固定销钉。

在下盒内放入透水石一块，其上放不透水蜡纸一张。

将切取土样的环刀刀口向上对准上剪切盒口，在土样上面放上蜡纸一张，用推土器堆入剪切盒中，移去环刀，并在蜡纸上放块透水石，然后依次加上传压盖板，钢珠及加
压框架，并调整加压框，使钢珠与框架之间的缝隙为1-3mm 。

4、垂直加荷：每组试验需要剪切不少于4个试样，分别在不同的垂直压力下剪切，垂直压力由现场情况估计出的最大压力决定，对一般的粘性土、砂土，宜采用50、100、200、300KPa 或100、200、300、400KPa 的垂直应力。

对高含水量，低密度的土样可选用20、50、100、200KPa 的应力。

5、水平剪切：
① 先转动手轮，使上盒前端钢铰与量力环接触，调整百分表计数为零；
②拨出固定销钉、开动秒表，以1转/10S 的速率旋转手轮，使试样在3-5分钟内剪切破坏； ③剪切过程中，手轮应匀速不间断地旋转，并保持杠杆水平；
④剪切过程中，百分表指针不再上升，或有明显后退时，表示试样已剪切破坏。

若变形继续增加，而剪切变形(上下盖错开)4mm 时，也认为试样已剪切破坏； ⑤记录手轮转数n 以及量力环中百分表的读为R 。

6、拆除容器：剪切结束，依次卸除百分表，垂直荷载，上盒等。

重新装上另一试样进行下一级剪切试验，直至全部结束。

六、计算及绘图
1、根据百分表读数，计算土样的剪切位移和剪应力 ①
R n L -=∆20
② R ζτ=
式中：∆L______剪切位移(0.01mm) n______手轮转数
R______量力环百分表读数(0.01mm)
τ______剪应力(KPa)
ζ______量力环率定系数(KPa.0.01mm)
2、以剪应力τ为纵坐标，剪切位移为横坐标绘制剪应力和剪切位移关系曲线τ—∆L ，如图所6.2示。

取τ—∆L 曲线的峰值为该垂直压力作用下土的抗剪强度f τ，无峰值时，取剪切位移4mm 所对应的剪应力为土的抗剪强度f τ。

3、以抗剪强度f τ为纵坐标，垂直压力σ为横坐标绘制曲线，如图6.3所示。

将图上各点连成直线，并延长与纵坐标相交，则直线的倾角为土的内摩擦角，直线在纵坐标上的截距为土的内聚力c(x=c)。

图6.2 剪应力和剪切位移关系曲线图6.3 抗剪强度与垂直压力关系曲线
七、记录格式
八、注意事项
1、对于一般黏性土采用峰值或稳定值作为破坏应变。

但对高含水量，低密度的软粘土，应力－应变曲线峰值不明显，应采用剪切位移为4mm的应变。

因而应绘制剪应力和剪切位移关系曲线，选择抗剪强度。

2、同组试样应在同台仪器上试验，以消除仪器误差。

3、施加水平剪切力时，手轮务必要均匀连续转动，不得停顿间歇，以免引起受力不均匀。

4、量力环，不得摔打，并应定期校正。