土力学试验多媒体教学课件 土木建筑工程综合实验中心

土工试验 Soil experiments 1 土的密度试验 2 土的含水量试验 3 土的液塑限试验 4 土的固结试验 5 土的直剪试验 1 土的密度试验 2 土的含水量试验 3 土的液塑限试验 4 土的固结试验 5 土的直剪试验 6 土的三轴剪切试验

1 土的密度试验 density test 目的 objectives 仪器设备 apparatus 测定土在天然状态下单位体积的质量 ①符合规定要求的环刀； ②精度为0.01g的天平； ③其他：切土刀，凡士林等。

操作步骤 procedure （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：在环刀内壁涂一薄层凡士林，将环刀刃口向下放在土样上，随即将环刀垂直下压，边压边削，直至土样上端伸出环刀为止。将环刀两端余土削去修平（严禁在土面上反复涂抹），然后擦净环刀外壁。 （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

计算土的密度 要 求 ①密度试验应进行2次平行测定，两次测定的差值不得大于0.03g/cm3，取两次试验结果的算术平均值；

2 土的含水量试验 目的 仪器设备 用烘干法测定土的含水率 2 土的含水量试验 目的 用烘干法测定土的含水率 仪器设备 ①烘箱：采用电热烘箱；②天平：称量200g,分度值0.01g；③其他：干燥器，称量盒。

操作步骤 （1）取代表性试样，粘性土为15—30g，砂性土、有机质土为 50g，放入质量为m0的称量盒内，立即盖上盒盖，称湿土加盒总质量m1，精确至0.01g。 （2）打开盒盖，将试样和盒放入烘箱，在温度105——110℃的恒温下烘干。烘干时间与土的类别及取土数量有关。粘性土不得少于8小时；砂类土不得少于6小时；对含有机质超过10%的土，应将温度控制在65——70 ℃的恒温下烘至恒量。 （3）将烘干后的试样和盒取出，盖好盒盖放入干燥器内冷却至室温，称干土加盒质量m2为，精确至0.01g。

计算土的含水量 要 求 （1）计算准确至0.1%； （2）本试验需进行2次平行测定，取其算术平均值，允许平行差值应符合下表规定。 含水率（%） 小于10 10—40 大于40 允许平行差值（%） 0.5 1.0 2.0

3 土的液限、塑限试验 目的 仪器设备 测定细粒土的液限、塑限，计算塑性指数、给土分类定名，共设计、施工使用。 3 土的液限、塑限试验 目的 测定细粒土的液限、塑限，计算塑性指数、给土分类定名，共设计、施工使用。 仪器设备 ①液塑限联合测定仪：圆锥仪、读数显示； ②试样杯：直径40—50mm，高30—40mm； ③天平：称量200g，分度值0.01g；④其他：烘箱、干燥器、铝盒、调土刀、孔径0.5mm的筛、凡士林等。

液限锥式仪

液塑限联合测定仪

操作步骤 （1）当采用天然含水量的土样时，应剔除大于0.5mm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0.5mm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（2）-（5）的步骤，测试其余2个试样的圆锥下沉深度和含水率。

计算与制图 （1）计算含水量 （2）绘制圆锥下沉深度h与 含水量w的关系曲线

③当两个含水量的差值大于或等于2%时，应补做试验。 ①三点连一条直线。 ②当三点不在一直线上，通过高含水量的一点分别与其余两点连成两条直线，在圆锥下沉深度为2mm处查得相应的含水量，当两个含水量的差值小于2%，应以该两点含水量的平均值与高含水量的点连成一线。 ③当两个含水量的差值大于或等于2%时，应补做试验。 计算含水量：

（3）确定液限、塑限 在圆锥下沉深度h与含水量w关系图上，查得下沉深度为17mm所对应的含水量为液限wL；查得下沉深度为2mm所对应的含水量为塑限wP，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： 液性指数：

4 土的固结试验 目的 测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力的关系，变形和时间的关系，以便计算土的压缩系数、压缩指数、压缩模量、固结系数及原状土的先期固结压力等。 方法 快速固结法：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。

仪器设备 ①三联固结仪；②刮土刀、天平、秒表等 三联固结仪

基本原理 土样在压缩前后变形量为s，整个过程中土粒体积和底面积不变 根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制e-p曲线，为压缩曲线 p H1 Vv＝e0 Vv＝e H0/(1+e0) H1/(1+e) Vs＝1 Vs＝1 土粒高度在受压前后不变 整理 其中 根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制e-p曲线，为压缩曲线

操作步骤 （1）按要求取原状样或制备扰动土样。 （2）取环刀样，测试验前的密度与含水量。 （3）在固结仪底的透水石上放一滤纸，将环刀和土样放入压缩仪，套上导环，在土样顶面放上滤纸，再加上透水石，继而放上传压板与钢球，最后将固结仪放在容器板上。 （4）安装测微表并调零 （5）加荷。按50、100、200、400（kpa)四级荷重加荷，每级荷载历时10分钟，即每级荷重加上10分钟时，记测微表读数一次，然后加下一级荷载，依些类推，直到第四级荷载施加完毕为止。

注意事项 1．首先装好试样，再安装量表。在装量表的过程中，小指针需调至整数位，大指针调至零，量表杆头要有一定的伸缩范围，固定在量表架上。 2．加荷时，应按顺序加砝码；试验中不要震动实验台，以免指针产生移动。

成果整理 （1）按下式计算土的初始孔隙比 2.计算试样的颗粒（骨架）净高hs 式中：h0 — 试样初始高度（mm）

— 某级压力下试样高度的累计变形量，mm； 式中： 3.计算某级压力下变形稳定后的孔隙比ei — 某级压力下试样高度的累计变形量，mm； 式中： 4.计算某级压力下的压缩系数a 1-2和压缩模量Es （MPa-1） （MPa） 式中 Pi— 某一级荷重值，MPa。

5.作孔隙比e和压力p的关系曲线 以孔隙比e为纵坐标，压力p为横坐标，绘制孔隙比与压力的关系曲线。

5 土的直剪试验 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4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。 方法 快剪：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：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：在试样上施加垂直压力及水平剪应力的过程中，均使试样排水固结。

固结快剪试验 仪器设备 （1）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； （2）位移计（百分表）：量程5~10mm,分度值0.01mm； （3）天平、环刀、削土刀、饱和器、秒表、滤纸、直尺等。

操作步骤 1.切取试样：按工程需要用环刀切取一组试样，至少四个，并测定试样的密度及含水率。 2.安装试样：对准上下盒，插入固定销钉。在下盒内放入一透水石，上覆隔水蜡纸一张。将装有试样的环刀平口向下，对准剪切盒，试样上放隔水蜡纸一张，再放上透水石，将试样徐徐推入剪切盒内，移去环刀。 3.施加垂直压力：转动手轮，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触，调整测力计中的量表读数为零。顺次加上盖板、钢珠压力框架。每组四个试样，分别在四种不同的垂直压力下进行剪切。在教学上，可取四个垂直压力分别为100、200、400kPa。

4．进行剪切：施加垂直压力后，立即拔出固定销钉，开动秒表，以每分钟4～6转的均匀速率旋转手轮（在教学中可采用每分钟6转）。使试样在3～5分钟内剪破。如测力计中的量表指针不再前进，或有显著后退，表示试样已经被剪破。但一般宜剪至剪切变形达4mm。若量表指针再继续增加，则剪切变形应达6mm为止。手轮每转一圈，同时测记测力计量表读数，直到试样剪破为止。（注：手轮每转一圈推进下盒0.2毫米）。 5．拆卸试样：剪切结束后，吸去剪切盒中的积水，倒转手轮，尽快移去垂直压力、框架、上盖板，取出试样。

注意事项 1．先安装试样，再装量表。安装试样时要用透水石把土样从环刀推进剪切盒里，试验前量表中的大指针调至零。 2．加荷时，不要摇晃砝码；剪切时要拔出销钉。

成果整理 1．按下式计算各级垂直压力下所测的抗剪强度： 式中：τf —土的抗剪强度，kPa； C —测力计率定系数，kPa/0.01mm； R —测力计量表最大读数，或位移4毫米时的 读数(0.01毫米)，0.01mm。

2．绘制τf～σ曲线

6 土的三轴剪切试验 目的 三轴剪切试验是在三向应力状态下，测定土的抗剪强度参数的一种剪切试验方法。通常用3～4个圆柱体试样，分别在不同的恒定围压下，施加轴向压力，进行剪切，直至破坏；然后根据极限应力圆包络线，求得抗剪强度参数。 方法 根据排水条件不同，三轴剪切试验分为不固结不排水试验（UU）、固结不排水剪切(CU)和固结排水试验（CD）。本试验只作部固结不排水剪切试验。

仪器设备 操作步骤 1.试样制备 2. 试样的安装 3. 剪切试样 1. 应变控制式三轴剪切仪，由周围压力系统、反压力系统、孔隙水压力量测系统和主机组成。 2. 附属设备：包括击实器、饱和器、切土器、分样器、切土盘、承膜筒和对开圆模。 3. 天平：秤量200g，感量0.01g；称量1000g，感量0.1g。 4. 橡皮膜：应具有弹性，厚度应小于橡皮膜直径的1/100，不得有漏气孔。 操作步骤 1.试样制备 2. 试样的安装 3. 剪切试样

back 1.试样制备 （1） 本试验需要3～4个试样，分别在不同周围压力下进行试验。 （2） 试样尺寸：最小直径为φ35mm，最大直径为φ101mm，试样高度宜为试样直径的2～2.5倍。对于有裂缝、软弱面和构造面的试样，试样直径宜大于60mm。 （3） 原状试样制备，应将土切成圆柱形试样，试样两端应平整并垂直于试样轴，当试样侧面或端部有小石子或凹坑时，允许用削下的余土修整，试样切削时应避免扰动，并取余土测定试样的含水量。 （4） 扰动试样制备，应根据预定的干密度和含水量，在击实器内分层击实，粉质土宜3～5层，粘质土宜为5～8层，各层土料数量应相等，各层接触面应刨毛。 （5） 对制备好的试样，应量测其直径和高度。试样的平均直径应按下式计算： （式中D1，D2，D3分别为试样上、中、下部位的直径） 取余土，测定含水率。 back

back 2. 试样的安装 （1）在压力室底座上依次放上不透水板、试样及试样帽，将橡皮膜套在试样外，并将橡皮膜两端与底座及试样帽分别扎紧。 （2）装上压力室罩，向压力室内注满纯水，关排气阀，压力室内不应有残留气泡。并将活塞对准千分表和试样顶部。 （3） 关排水阀，开周围压力阀，施加周围压力，周围压力值应与工程实际荷重相适应，最大一级周围压力与最大实际荷重大致相等。 （4） 转动手轮使试样帽与活塞及千分表接触，装上变形指示计，将千分表和变形指示计读数调至零位。 back

back 3. 剪切试样 （1）开动电机，接上离合器，剪切应变速率宜为每分钟应变0.5～1.0％进行。 （2）剪切开始阶段，试样每产生0.3～0.4％的轴向应变，测记一次千分表读数和轴向应变值。当轴向应变大于3％以后，每隔0.7～0.8％的应变值测记一次读数。 （3）当千分表读数出现峰值时，剪切应继续进行，超过5％的轴向应变为止。若当千分表读数无峰值时，剪切应进行到轴向应变为15～20％。 （4）试验结束，关电动机，关周围压力阀，开排气阀，排除压力室内的水，拆除压力室外罩，取出试样，描述破坏特征，称试样质量，并测定含水率。 （5）对其余几个试样，在不同围压下重复上述步骤进行剪切试验。 back