天津大學巖土工程復試土工試驗總結

1、前 言土力學教學試驗課是土力學與地基課程的重要組成部分，其目的在于通過試驗加深對課堂所學知識的理解，熟悉試驗設備，掌握必要的試驗技術，培養(yǎng)學生試驗研究的基本技能與獨立工作能力，豐富對土的感性認識，明確土力學試驗在土工建筑中的作用和重要性。土工試驗的項目雖然繁多（具體項目可參看有關土工試驗規(guī)程），但歸納起來可大體分為三類：一、土的物理性質試驗包括含水率、密度、比重、顆粒分析、液限、塑限、天然稠度、濕化、相對密度、毛管水上升高度、天然坡角等試驗。二、土的力學性質試驗包括擊實、滲透、壓縮、三軸剪切、無側限抗壓強度、直剪、前期固結壓力等試驗。三、土的化學性質試驗包括有機水溶鹽測定等試驗。我們的教學試驗

2、只是其中一部分，但卻是重要的基本部分，具體內(nèi)容是參照水利出版社的土工試驗規(guī)程根據(jù)教學要求而擬定的，對于不同專業(yè)，試驗內(nèi)容可有所取舍。學生在進行教學試驗前，必須做到：1.試驗前要做好預習2.進入試驗室后，要認真聽取教師講解，掌握試驗課要點及有關內(nèi)容。3.試驗時要嚴肅認真、積極主動，既要獨立思考，又要互相配合，嚴格按照試驗指導書的要求和規(guī)定完成試驗。4.試驗結束后，應做好儀器設備的清理和清潔工作，經(jīng)指導教師或試驗室人員檢查合格后，方能離開試驗室。5.試驗報告書應在指定時間內(nèi)交上，繪圖書寫要清楚工整，不合要求需重做。試驗一 顆粒大小分析試驗（密度計法）一、試驗目的顆粒大小分析試驗的目的在于通過測定土

3、中各種顆粒占該土總重的百分數(shù)的方法，了解土的顆粒大小分配情況，供土的分類、判斷土的工程性質及建材選料之用。顆粒大小分析有篩析法和密度計法等，本試驗只做細顆粒（小于0.075毫米的土）的密度計法。二、試驗原理密度計法是使一定顆粒分布重量的土樣在水內(nèi)充分分散，并加以攪拌制成均勻的懸液見圖1-1(a)，停止攪拌后，土顆粒在水中自由下沉。圖1-1 土粒下沉情況示意圖按照司篤克(Stokers)定律，粒徑愈大的顆粒下沉愈快，粒徑愈小的下沉愈慢，見圖1-1(b)。此時，除最靠近筒底部外，從上到下懸液密度逐漸增加，不同時間放密度計于量筒中即可測讀懸液某深度處的密度，直到懸液接近澄清為止。根據(jù)密度計的讀數(shù)，用

4、量得L深度處懸液比重與原來懸液的比重相比較，就可以計算出小于某粒徑的顆粒在全部顆粒中所占的重量百分比數(shù)。同時在不同時間內(nèi)量測L深處（L為一變數(shù)）的密度，即可找出不同粒徑的數(shù)量，以繪出顆粒大小分配曲線。密度計在試驗中的作用，一是量測懸液的密度，二是量測土粒沉降的距離。不難看出，用密度計法分析顆粒徑大小的分布是根據(jù)下述三個假定進行的。1.試驗開始時土的顆粒大小均勻地分布于水中；2.運用了司篤克(Stokes)定律；（見附錄一）3.所用的量筒直徑要比密度計的直徑大很多三、試驗儀器及設備圖1-2 密度計1.密度計1個如圖1-2密度計有兩種，即甲種密度計和乙種密度計，甲種密度計的刻度單位以攝氏20時每1

5、000ml懸液內(nèi)所含干比重的克數(shù)表示。從060，最小刻度單位為1.0。乙種密度計刻度單位以攝氏20時懸液的比重表示，自0.9951.050，最小刻度單位為0.001，本試驗采用乙種密度計。2.量筒兩個容積1000ml，高約45cm，直徑約6cm。3.溫度計一個刻度050，最小刻度單位為0.54.攪拌器一個輪徑50mm，孔徑約3mm。5.其他：細篩、烘箱、碾土器、電熱器、三角燒瓶、冷凝管、六偏磷酸鈉、天平（感量0.01g）、蒸餾水等。該部分儀器主要供試驗室制備懸液準備工作用。四、試驗方法及步驟1.制備土樣試驗應采用天然含水率的土樣進行，若土樣在分析前無法保持其天然水率時，允許用風干或烘干土樣，風

6、干（或烘干）土樣制備如下：取代表性的土樣100300g，用碾土器研散，將研散后的土過2mm細篩，再將篩上的土粒研散再過篩，直至篩上僅留下大于2mm的顆粒為止，將篩下的土樣放入烘箱，烘至恒重。2.制備懸液將烘至恒重的土樣拌和均勻，稱取30g，準確至0.01g，裝入三角燒瓶中（裝瓶時切勿使土粒散失），在三角燒瓶中注入約200ml蒸餾水，浸泡時間不少于18小時（對于砂性較大，易于分散的土，可適當減少浸泡時間）。然后將瓶稍加搖晃，放在電熱器上，用連接冷凝管下端的橡皮塞塞緊瓶口，進行煮沸，煮沸時間從水沸騰開始，粘土和不易分散的土，一般1小時左右，其他土可酌量減少，但不得少于半小時，待懸液冷卻后，將其倒入

7、標明號碼的量筒內(nèi)，并將燒瓶中剩留的懸液，分次用少量蒸餾水完全洗凈倒入量筒內(nèi)，4%的濃度的六偏磷酸鈉約10ml倒入量筒溶液中，注水入量筒，使筒內(nèi)懸液恰達1000ml。以上土樣懸液制備由試驗室完成，同學不做。3.攪拌與量測將攪拌器置于盛懸液的量筒中，沿整個懸液深度上下攪拌約一分鐘，往復約30次，使懸液內(nèi)土粒均勻分布（注意攪拌時勿使懸液濺出筒外）。取出攪拌器，同時立即開動秒表，將密度計小心地放入懸液中，直到手上感覺不出密度計重量時，再輕輕松手，測記開動秒表后1、5、30、120和1440分鐘的密度計讀數(shù)。每次讀數(shù)均在預定時間前1020秒鐘將密度計放入懸液中，測記讀數(shù)后取出。取出密度計后，立刻測記懸液

8、溫度，準確至0.5。注意一密度計讀數(shù)均以彎液面上緣為準，（甲種密度計應準確至1，估讀至0.1，乙種密度計要準確至0.001，估讀至0.0001）。注意二取出或放入密度計時，應盡量減少懸液的擾動，每次取出后應將密度計放于盛清水的量筒中，不得放在桌面上，以防滾落；不得橫持密度計，以防折斷。五、計算與制圖1.計算小于某粒徑的土重百分數(shù)：（乙種密度計）式中：V懸液總體積（=1000ml）；WS分析用1000毫升懸液中的干土總質量，g；C¢s比重校正系數(shù)；rw2020時水的密度，0.998232g/cm3,同學可取1.0g/cm3；rs土粒密度，g/cm3；m¢溫度校正值；n

9、2;刻度及彎液面校正值；R¢乙種密度計讀數(shù)；C¢D分散劑校正值。m¢、n¢、CD取值見附錄。2.按司篤克公式計算顆粒直徑，d(mm)式中：rwo4時水的密度，g/cm3；h水的動力粘滯系數(shù)，KPa×s´10-6；L某一時間t內(nèi)的土粒有效沉降距離，cm(可查試驗室給出的圖表)Gs土粒比重；GwT溫度為T時水的比重；t沉降時間，secg重力加速度，（981cm/s2）為了簡化計算，可用司篤克公式列線圖，求得粒徑d值。3.用小于某粒徑的土粒重百分數(shù)X（%）為縱坐標，顆粒直徑d（mm）的對數(shù)值為橫坐標，繪制顆粒大小級配曲線（見試驗報告）。附錄

10、一、司篤克(Stokes)定律及懸液中等于或小于某粒徑d的土粒重量百分數(shù)的計算1.司篤克定律一八四五年司篤克研究得出在無限伸展的靜止的液體介質中，一剛性表面光滑球體下沉，其所受的力只有重力及水的粘滯力，若液體的抵抗力等于某重力時，球體則以等速下降。球體的重力 流體對球體的浮力 球體重力減去液體的浮力為球體在液體中下降的力量。設此力量為F2，則球體在液體中下降時，由于液體粘性，因此必然發(fā)生摩擦，設球體上所受摩擦力為Rf，則 式中f為阻力系數(shù)，與Re雷諾數(shù)（球體）有關，司篤克的研究認為：故 Rf=3pdhV當球體開始沉降時v甚小，故Rf亦甚小，但由于重力加速度作用，僅在數(shù)秒鐘內(nèi)，V迅速增大，即可使

11、Rf值增大至與F2相等。則當Rf=F2時，球體受力平衡，于是等速下降。因此式中d球體直徑，cmrs球體密度，g/cm3rw液體密度，g/cm3h液體動力粘滯系數(shù)，KPa×s´10-6；V球體下降速度；g/secg重力加速度(=981)，cm/sec2由于 故2.懸液中等于及小于某粒徑d的土粒質量占土?？傎|量的百分數(shù)的計算：設 Ws懸液中土粒的總質量，g；V懸液的總體積，cm3Gs土粒比重；rw2020時水的密度，g/cm3則試驗開始時在單位體積的懸液里：土粒質量=土粒體積=水的質量=故試驗開始時單位體積內(nèi)的懸液密度為 經(jīng)過t秒后，在深度L厘米以上的懸液中粒徑大于d的顆粒已消

12、失沉下，因為沉入土樣與通過L面單位體積內(nèi)土粒數(shù)量相等，所以直徑小于dmm的顆粒分布情況和試驗開始時一樣，故此時單位體積內(nèi)小于土粒直徑d的土粒質量Wst與總土質量Ws 之比為：即單位體積內(nèi)小于直徑d的土粒質量為。故經(jīng)過時間t后在深度L處單位體積內(nèi)：土粒的體積=水的體積=水的質量=懸液的密度故在任何時間t、任何深度L處1000mm懸液內(nèi)所含土重克數(shù)，或懸液的密度(rst)t經(jīng)測定后，即可算得小于某粒徑d的土重百分數(shù)：附錄二 密度計校正1.刻度及彎液面校正值（n）密度計制造時，刻度往往不易準確，因此使用前必須經(jīng)過檢驗及校正，同時試驗時密度計讀數(shù)均以彎液面頂為準，而刻度以彎液面底為準，故得進行校正，校

13、正方法是：(a)用蒸餾水配制不同濃度的硫酸溶液，并用比重瓶得其比重，用以校正相應的密度計刻度。(b)彎液面校正方法是將密度計放于清水中，測讀彎液面上下緣讀數(shù)，讀數(shù)之差即為彎液面校正值。彎液面校正見圖1-3。2.溫度校正值m¢圖1-3 彎液面校正圖密度計刻度是20時刻制的（令rw20的刻度為1.0000），若試驗時懸液溫度不等于20，則懸液的密度及密度計浮泡的體積都有變化，故必須校正，校正值見下表。懸液溫度溫度校正值懸液溫度溫度校正值懸液溫度溫度校正值10.0-0.001217.0-0.000524.0+0.000811.0-0.001218.0-0.000325.0+0.001012

14、.0-0.001119.0-0.000226.0+0.001313.0-0.001020.0-0.000027.0+0.001514.0-0.000921.0+0.000228.0+0.001815.0-0.000822.0+0.000429.0+0.002116.0-0.000623.0+0.000630.0+0.00233.分散劑校正值CD¢注蒸餾水入量筒，然后加分散劑，品種和用量與試驗時相同，使量筒溶液達1000毫升，用攪拌器在量筒內(nèi)沿整個深度上下攪拌均勻，恒溫至20，然后將密度計放入溶液中，測記密度計讀數(shù)。此時密度計的讀數(shù)與在20時蒸餾水中讀數(shù)之差，即為分散劑校正值。 式中：

15、 加入分散劑溶液乙種密度計讀數(shù) 乙種密度計20/20的準確讀數(shù)（20/20代表密度計是在20時刻制的，同時也采用20時水的密度作為懸液比重的標準）即 為密度計在20蒸餾水中的讀數(shù)。4土粒沉降距離校正測定密度計浮泡體積Vb,倒適量清水于量筒內(nèi)，測記水面讀數(shù)，將密度計放入筒內(nèi)，使水面達密度計最下刻度，再測記水面讀數(shù)，二者之差即為密度計浮泡體積Vb。如圖1-4。圖1-4 土粒有效沉降距離校正圖測定量筒斷面面積，量出刻度100ml至1000ml間的距離L。則則 按下式計算土粒有效沉降距離。式中：L土粒有效沉降距離，cm； Vb浮泡體積，cm3； L¢密度計讀數(shù)；5.土粒比重校正Cs密度計刻度

16、系假定懸液內(nèi)土粒比重為2.65。六、思考題1.簡要回答密度計法分析土的組成的基本原理。2.用密度計法分析土的顆粒組成時，把懸液攪拌均勻后隔不同的時間ti測讀密度計讀數(shù)，問每次測得的Li是常量還是變量？為什么？3.用密度計法做顆分試驗可能產(chǎn)生誤差與錯誤的因素很多，大致可分為兩大類：a.由于密度計法的理論假設，所用的儀器設備，規(guī)定的試驗步驟不完善所帶來的，因此在每次試驗中都會出現(xiàn)，主要有：土粒開始沉落的片刻是加速度運動，但密度計法卻假設一開始就是等速下沉。土粒并非球形，細顆粒常為扁狀、鱗片或針狀，用司篤克公式算出的d值只是與土顆粒水力性質相同（下沉速度相同）的小球體的直徑。代入司篤克公式的rs是加

17、權平均值，同一土中粗細顆粒的礦物組成不同，其rs也不同，所以沉落速度不但是粒徑的函數(shù)，也是rs的函數(shù)。無數(shù)顆粒同時下沉，相互干擾，且受容器壁的影響。密度計氣泡體積很大，放入懸液中影響顆粒下沉。密度計讀數(shù)是浮泡所排出的懸液的平均密度，用它來代表浮泡中心處懸液的密度有誤差。b.試驗操作過程中所形成的，例如：土樣的稱量不準確，或試驗過程中有損失。未按規(guī)定要求加分散劑煮沸，顆粒未能充分分散。攪拌不充分，懸液不均勻；密度計讀數(shù)、溫度、時間有錯誤等。以上各條完全領會理解了畫號，尚未領會理解的畫´號，本次試驗中出現(xiàn)的畫號。試驗二 液限、塑限試驗液限（平衡錐法）塑限（搓條法）試驗一、試驗目的測定粘性

18、土的液限、塑限含水率，進而計算其塑性指數(shù)及液性指數(shù)，用以進行土的分類、確定粘性土所處的狀態(tài)，估計地基承載力。二、試驗原理粘性土在含水率不同時可呈固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)和流動狀態(tài)。這是由于顆粒和顆粒之間存在電分子引力，含水率不同，土中水對土性質的影響也不同。當土粒間距離較遠，中間為自由水隔開時，土就處于流動狀態(tài)。當水分減少到多數(shù)土粒為弱結合水隔開時，土粒在外力作用下可相互滑動而不產(chǎn)生顆粒間聯(lián)系的破壞，這時土處于可塑狀態(tài)。當弱結合水含量減少，粘滯性增大，土就向半固態(tài)轉化。當土中主要含強結合水，處于固體狀態(tài)。土由流動狀態(tài)變成可塑狀態(tài)的界限含水率稱為液限。用WL表示，由可塑狀態(tài)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)的界限含水

19、率稱為塑限，用wP表示。液限與塑限之差稱塑性指數(shù)。根據(jù)液限、塑限及天然含水率就可求出液性指數(shù)。三、試驗儀器及設備1.錐式液限儀，如圖2-1所示。圖2-1 錐式液限儀1 錐身 2 手柄 3 平衡裝置 4 試杯 5 底座主要由三部分組成（1）平衡錐錐身由不銹鋼制成，頂角30°，高2.5cm，距錐尖10mm處刻有環(huán)狀刻線，錐上有手柄，兩側有平衡球，平衡錐共重76g；(2)試杯(3)底座2.調(diào)土碗、調(diào)土刀、鋁盒、凡士林3.毛玻璃板一塊，3mm直徑鐵棒一根，（對比搓條直徑用）4.天平、吹風機、烘箱四、試驗方法及步驟液限用園錐式液限儀測定法，塑限用搓條法。1.液限試驗(1)選取天然含水率的土約1

20、80g加蒸餾水調(diào)成均勻濃糊狀(2)將制備好的土樣再用調(diào)土刀徹底調(diào)拌均勻，分層裝入試杯中，裝時注意邊裝邊壓，勿使試杯中存在空隙或氣泡，待完全裝滿后，用調(diào)土刀將多余的土刮去使與杯口齊平，刮余土時不得用調(diào)土刀在土面上反復涂抹，以免影響試驗結果。(3)錐尖涂抹一薄層凡士林，提住錐體上端手柄，放在試樣表面中心，至錐尖與土樣表面接觸時，輕輕放手，使錐體在自重作用下沉入土中，經(jīng)15秒，觀察錐體下沉深度。(4)當沉入深度小于或大于錐體刻度時，均需把試杯中的土樣取出，去掉沾有凡士林的部分，放入調(diào)土碗中加水繼續(xù)攪拌（含水率小時），或不加水攪拌，使水蒸發(fā)（含水率大時）。重復以上試驗步驟，當錐體下沉深度恰為10mm（

21、經(jīng)15秒）取出平衡錐，去掉沾有凡士林的土，從錐孔周圍取出約1015g土樣，測定其含水率（準確至0.01g）即為液限，不同粘性土錐體刻度線下沉標準如圖2-2。圖2-2 錐式液限儀沉入土體中的幾種情況(5)按上述步驟做平行試驗兩次，結果的平均值為所求的液限含水率，但平行誤差不得超過2%。2.塑限試驗(1)選取做液限試驗的土樣約30g，用手搓捏至不沾手為止。(2)取大約1cm3的土樣，捏成橢園形后，用手掌在毛玻璃板上滾搓成土條。當土條直徑達3mm，不產(chǎn)生中空現(xiàn)象，并在數(shù)處產(chǎn)生裂縫及斷裂時為合格，此時取合格的土條35g，測定其含水率，即為塑限。(3)做二次平行測定，取算術平均值為塑限，精確至0.1%，

22、平行試驗的誤差高液限的粘質土及粉質土（CH、CI、MH）不得大于2%，低液限粉質土（OL、MI、ML）不得大于1%。(4)搓條過程中應注意以下幾點：(a)在滾搓土條過程中必須以手掌施加微小而均勻壓力于土條上，不得將土條在玻璃板上進行無壓力的滾動，土條長度不宜大于手掌寬度。(b)當土條搓到3mm時未發(fā)生裂縫或斷裂，說明土樣含水率大于塑限，需用吹風機吹一下土樣使水分略有蒸發(fā)，重新捏搓。若土條未到3mm時已經(jīng)斷開，說明土樣含水率低于塑限，應棄去，重新取土試驗。搓后土條如圖2-3。圖2-3五、計算1.按下式計算液限或塑限 式中： wL液限，% wp塑限； W濕土質量，g Ws干土質量，g2.按下式計算

23、塑性指數(shù) 3.按下式計算液性指數(shù)。 式中：IL液性指數(shù) w天然含水率(B)液限、塑限聯(lián)合試驗一、試驗目的測定粘性土的液限和塑限二、試驗原理通過光電式液、塑限聯(lián)合測定儀測定液限和塑限，基本原理同平衡錐法和搓條法，唯試驗儀器不同，方法不同，（塑限不經(jīng)搓條）三、儀器設備1.光電式液塑限聯(lián)合測定儀，如圖2-4。2.其他：同液限試驗四、試驗方法步驟1.按前述液限試驗制備土樣的要求，取300g代表性土樣，分放在三個調(diào)土皿中，加蒸餾水調(diào)制成三種不同含水率的土膏，并靜置浸潤。三種不同含水率的加水要求是：一種含水率接近塑限，一種含水率接近液限；另一種含水率介于二者之間，力求使三個土樣的園錐入土深度在310mm范

24、圍內(nèi)。圖2-4 光電式液、塑限聯(lián)合試驗儀示意圖1屏幕 2零線調(diào)節(jié)螺絲 3聚光鏡 4光源 5微分儀6圓錐儀 7升降座 8盛土杯 9放大鏡 10電磁鐵11反射鏡 12指示燈及開關 13水準器 14線路板2.將土膏用調(diào)土刀攪拌均勻，密實地填入試杯，刮去高出試杯口的余土，用刮土刀刮平，隨即將試杯放在升降底座上。3.取園錐儀，在錐體上抹以薄層凡士林（或潤滑油），接通電源，使電磁鐵吸穩(wěn)園錐儀。4.轉動升降座，待試杯上升至土面剛好與園錐儀錐尖相接觸。調(diào)節(jié)屏幕準線，使初始讀數(shù)為零位刻線，關斷電流，使電磁鐵失磁，園錐儀在自重下沉入土內(nèi)，約經(jīng)15秒測讀園錐入土深度。然后取出試樣，測定其含水率。5.重復上述步驟，測

25、試另兩種含水率土膏的園錐入土深度及含水率。6.將三種含水率與相應園錐入土深度數(shù)據(jù)，繪于雙對數(shù)坐標紙上，三點接近一直線，如圖2-5中A線。如果三點不在一直線上，通過高含水率的一點與其余兩點連一根直線，在園錐入土深度為2mm處查得相應的兩個含水率。如果兩個含水率的差值不超過2%，用該兩含水率的平均值的點與高含水率的測點作一直線如圖2-5 B線。若含水率差值超過2%，則應補點。圖2-5 圓錐下沉深度與含水率關系曲線五、計算按下式計算含水率式中：w圓錐入土任意深度下試樣的含水率，%W濕土質量，gWs干土質量，g計算至0.1%。六、確定塑限、液限在得到的圓錐入土深度與含水率的關系直線上（雙對數(shù)座標），查

26、得圓錐入土深度為10mm時的相應含水率即為液限，而入土深度為2mm時的相應含水率則為塑限。思考題1.土中水分哪幾類，怎樣影響土的性質，試用含水率變化、水與土顆粒相互作用說明之。2.塑限試驗過程中，如果施加的滾搓力不夠均勻，土條常會出現(xiàn)空心現(xiàn)象，試分析此現(xiàn)象的成因及不良影響。3.下表是三種土進行顆分與液限、塑限試驗的結果，試根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制粘粒含量與液限、塑限關系曲線，并在兩條曲線上根據(jù)塑性指數(shù)的大小對土進行分類。土樣編號粘粒含量<0.005mm液限（%）塑限（%）I304520II203015III10158試驗三 擊實試驗一、試驗目的用擊實儀在一定擊實次數(shù)下對土進行擊實，測定土的含水率

27、與密度的關系，從而確定該土的最優(yōu)含水率與相應的最大干密度，借以了解土的壓實性質。二、試驗原理圖3-1 南實處型擊實儀1擊實筒 2護筒 3導筒4擊錘 5底板土的擊實程度與含水率，擊實功能以及擊實方法有著密切關系。當擊實功能與擊實方法一定時，則土的干密度隨含水率而增加，當干密度達到某一種最大值后，含水率的繼續(xù)增加反而使干密度減小。此最大值稱最大干密度，其相應的含水率稱為最優(yōu)含水率。這是因為細粒土在低含水率時，顆粒表面水膜薄，摩阻力大，不易壓實，隨著含水率逐漸增大，顆粒表面水膜逐漸變厚，水膜潤滑作用也逐漸增大，因而表面摩阻力相應減小，在外力作用下，較易壓實，但當含水率超過某一值（最優(yōu)含水率）后，土顆

28、粒間孔隙內(nèi)的自由水逐漸增多（擊實功能被自由水吸收也愈多），同時孔隙體積也變大，土粒相對減少，故干密度相應降低。三、試驗儀器設備1.南實處型擊實儀，見圖3-1錘重2.5kg 高度15cm錘底直徑5.0cm 體積1000cm3落高46cm擊實筒直徑92.15cm每擊功能0.345kg-cm/cm2單位沖量0.039kg-s/cm22.天平：稱重200g，感量0.01g3.臺稱：稱量10kg，感量5g4.篩：孔徑5mm5.其他：噴水設備，碾土器，推土器，修土刀，鋁盒及毛刷等。四、試驗方法及步驟1.制備土樣：將具有代表性的風干土樣或在低于60溫度下烘干的土樣放在橡皮板上用土碾碾散，過5mm篩拌勻后取1

29、520kg備用。測定土樣風干含水率，按土的塑限估計其最優(yōu)含水率，擬定至少5個不同含水率，并使各含水率依次相差約2%，其中有兩個大于兩個小于最優(yōu)含水率，試樣所需加水量可按下式計算。式中：Ww所需的加水量，g Ww0含水率w0時土樣的質量，g w0 土樣的風干含水率，%w 要求達到的含水率，%按預定含水率分別制備試樣，每次取土2.5kg，平鋪于一不吸水的平板上，用噴水設備往土樣上均勻噴灑預定的水量并充分拌和，然后裝入土盆內(nèi)備用。以上步驟由試驗室預先做好，同學不做。2.裝土擊實將擊實筒放在堅實地面上，筒內(nèi)壁涂一層油，取制備好的試樣600-800g(其量應使擊實后試樣略大于筒高的1/3)倒入筒內(nèi)，整平

30、其表面，然后按25擊（或15擊）擊數(shù)進行擊實。擊實時，落錘應自由垂直落下，落高為46cm。第一層擊實后，安裝套環(huán)，把土面刨成毛面，重復上述步驟進行第二、第三層擊實，擊實后超出擊實筒的余土高度不得大于6mm。3.測定密度和含水率取下套環(huán)，注意勿將筒內(nèi)試樣帶出，齊筒頂細心削平試樣，拆除底板，試樣底面若有孔洞，則需補填，然后擦凈筒的外壁，稱其質量準確至1g，已知擊實筒的體積及筒壁質量，即可測得密度。從試樣中心處取出兩塊，各約15-30g的土，測定其含水率計算至0.1%。按（二）（三）步驟進行其它不同含水率試樣的擊實試驗，其平行誤差不得超過1%。五、計算與繪圖1.按下式計算出擊實后各點的密度式中：rd

31、干密度，g/cm3；r密度，g/cm3；w含水率；2.以干密度為縱坐標，含水率為橫坐標，繪制干密度與含水率的關系曲線，曲線上峰值的縱、橫坐標分別表示土的最大干密度和最優(yōu)含水率，如圖3-2，如果曲線不能給出準確峰值點，應進行補點。3.按下式計算飽和含水率 式中：wsat飽和含水率 rw溫度4時水的密度，取1g/cm3 Gs土粒比重；計算數(shù)個干密度下土的飽和含水率w，以干密度為縱坐標，含水率為橫坐標，繪制飽和曲線如圖3-2。圖3-2 rd-w關系曲線六、思考題1.為什么繪制擊實曲線時需附帶繪制飽和曲線？2.為什么用干密度表示土的壓實狀況，而不用天然密度？3.施工要求達到干密度小于試驗確定的最大干密

32、度時，最優(yōu)含水率如何選??？4.壓實粘性土時，為什么要求控制含水率？什么是粘性土的最優(yōu)含水率，哪些因素對它有重要影響？試驗四 滲透試驗一、試驗目的了解水在土中滲流的機理和特性，并測定土的滲透系數(shù)。二、試驗原理土的滲透性，是土具有水流通過土孔隙的能力，土的孔隙大小和其通道的形狀決定著滲透系數(shù)大小，水通過土體發(fā)生流動其流動規(guī)律大多數(shù)情況下符合達西定律，即u=ki，因此知道了兩測壓管的水頭差、滲徑、試樣斷面積、時間和流量，就可求滲透系數(shù)k，利用k可判斷土的滲透性。三、試驗儀器和設備1.南55型滲透儀，如圖4-1。圖4-1 滲透容器圖1套筒 2上蓋 3下蓋 4進水管 5出水管6排氣管 7橡皮圈 8螺栓

33、9 環(huán)刀 10 透水石2.水頭裝置本試驗采用變水頭裝置，如圖4-2。圖4-2 變水頭滲透裝置1滲透容器 2進水管夾 3變水頭管 4供水瓶5接水源管；6排氣水管；7出水管3.其他：切土器，100ml量筒，秒表、溫度計、削土刀、鋼絲鋸、凡士林等。四、試驗方法與步驟用環(huán)刀切取試樣，根據(jù)要求可為原狀試樣或擊實試樣，并進行充水飽和。（切土時，應盡量避免結構擾動，并嚴禁用修土刀反復涂抹試樣表面，以免試樣表面由于擾動而影響試驗結果）。將容器套筒內(nèi)壁涂一薄層凡士林小心刮凈，裝好帶有透水石和墊圈的上下蓋，并用螺絲擰緊，避免漏氣漏水。把裝好試樣容器的進水口與水頭裝置連接，擰緊水頭系統(tǒng)的止水夾，再使供水瓶裝滿水，直

34、至供水瓶的排氣孔有水溢出時為止。把容器側立，排氣孔向上，并打開排氣管管夾，然后打開止水夾及進水口管夾，排除容器底部的空氣，直至水中無夾帶氣泡溢出為止，關閉排氣管管夾，平放好容器。當容器上蓋出水管有水流出時，開始測定。開動秒表，同時測記起始水頭h1，經(jīng)過時間t后，再記終止水頭h2（每次測記的水頭差應大于10cm）。如此，連續(xù)測記23次后，再使水頭管水位回升至需要高度，再連續(xù)測記數(shù)次，前后需六次以上，試驗終止，同時測記試驗開始時與終止時的水溫。五、計算1.按下式計算T時的滲透系數(shù)式中：a變水頭測壓管截面積，cm2 L滲徑，等于試樣高度，cm h1開始時水頭，cm h2終止時水頭，cm A試樣斷面積

35、 cm2按下式計算20的滲透系數(shù)式中：hTT時水的動力粘滯系數(shù)g-sec/cm2h2020時水的動力粘滯系數(shù)，g-sec/cm22.在測得的結果中取3-4個允許誤差范圍內(nèi)數(shù)值。連續(xù)測定6次后，取同次方的A值（k=A´10-n時）最大與最小的差不大于2.0的四個以上的數(shù)值，求其平均值，作為該孔隙比的平均滲透系數(shù)。六、思考題1.何謂滲透定律？它對各種土的適用條件為何？2.影響土的滲透性的因素有哪些？附1 常水頭滲透試驗1.適用范圍：適用于粗粒土。2.儀器設備試驗使用70型滲透儀，如圖4-3圖4-3 常水頭滲透裝置1金屬圓筒；2金屬孔板；3測壓孔；4測壓管；5溢水孔；6滲水孔7調(diào)節(jié)管；8滑

36、動架；9供水管；10止水夾；11溫度計；12礫石層；13試樣；14量杯；15供水管3.試驗方法：常水頭法4.試驗步驟(1)量測濾網(wǎng)至筒頂?shù)母叨?，將調(diào)節(jié)管和供水管相連，從滲水孔和量筒充水至高出濾網(wǎng)頂面。(2)取具有代表性的風干土樣3-4kg，測定其風干含水率。將風干土樣分層裝入圓筒中，每層2-3cm，根據(jù)要求的孔隙比，控制試樣厚度。樣裝完后從滲水孔向圓筒充水至頂面，最后一層試樣應高出試樣應高出測壓管34cm，并在試樣頂面鋪2cm礫石作為緩沖層，當水面高出試樣頂面時，應繼續(xù)充水至溢水孔有水溢出。(3)量試樣頂面至筒高度，計算試樣高度，稱剩余土樣的質量，計算試樣質量。(4)檢查測壓管水位，當測壓管與

37、溢水孔水位不平時，用吸球調(diào)整測壓管水位，直至兩者水位齊平。(5)將調(diào)節(jié)管提高至溢水孔以上，將供水管放入圓筒內(nèi)，開止水夾，使水由頂部注入圓筒，降低調(diào)節(jié)管至試樣上部1/3高度處，形成高度差使水滲入試樣，經(jīng)過調(diào)節(jié)管流出。調(diào)節(jié)供水管止水夾，使進入圓筒的水量略多于溢出的水量，使水孔始終有水溢出，保持圓筒內(nèi)水位不變，試樣處于常水頭下滲透。(6)當測壓管水位穩(wěn)定后，測記水位。并計算各測壓管之間的水位差，按規(guī)定時間記錄滲出水量，接取滲出水量時，調(diào)節(jié)管口不得浸入水中，測量進水和出水處的水溫。(7)降低調(diào)節(jié)管管口至試樣中部及下部1/3處，以改變水力坡降，按上述步驟重復進行測定。當不同水力坡降下測定的數(shù)據(jù)接近時，結

38、束試驗。5.計算(1)水溫T時滲透系數(shù)kT按下式計算式中：kT水溫為T時試樣的滲透系數(shù)，cm/s；Q時間t秒內(nèi)的滲出水量，cm3；L兩側壓管中心間的距離，cm；A試樣的斷面積，cm2；H平均水位差，cm；t時間，s；(2)標準溫度下的滲透系數(shù)k20式中：k20標準溫度時試樣的滲透系數(shù)，cm/s；hTT時水的動力粘滯系數(shù)，kPa·s；h2020時水的動力粘滯系數(shù)，kPa·s。粘滯系數(shù)比hT/h20查下表：表1 水的動力粘滯系數(shù)、粘滯系數(shù)比、溫度校正值溫度（）動力粘滯系數(shù)hkPa·s(10-6)hT/h20溫度校正值Tp溫度（）動力粘滯系數(shù)hkPa·s(10

39、-6)hT/h20溫度校正值Tp5.01.5161.5011.178.01.3871.3731.285.51.4981.4781.198.51.3671.3531.306.01.4701.4551.219.01.3471.3341.326.51.4491.4351.239.51.3281.3151.347.01.4281.4141.2510.01.3101.2971.367.51.4071.3931.2710.51.2921.2791.3811.01.2741.2611.4020.50.9980.9881.7811.51.2561.2431.4221.00.9680.9761.8012.01.

40、2391.2271.4421.50.9740.9641.8312.51.2231.2111.4622.00.9680.9581.8513.01.2061.1941.4822.50.9520.9431.8713.51.1881.1761.5023.00.9410.9321.8914.01.1751.1681.5224.00.9190.9101.9414.51.1601.1481.5425.00.8990.8901.9815.01.1441.13315.626.00.8790.8702.0315.51.1301.1191.5827.00.8590.8502.0716.01.1151.1041.60

41、28.00.8410.8332.1216.51.1011.0901.6229.00.8230.8152.1617.01.0881.0771.6430.00.8060.7982.2117.51.0741.0661.6631.00.7890.7812.2518.01.0611.0501.6832.00.7730.7652.3018.51.0481.0381.7033.00.7570.7502.3419.01.0351.0251.7234.00.7420.7352.3919.51.0221.0121.7435.00.7270.7202.4320.01.0101.0001.76試驗五 固結試驗一、試驗

42、目的固結試驗的目的在于繪制壓縮曲線，求得土的壓縮性指標a、Es等，利用它們可進行地基的變形等有關計算，以及判斷土的壓縮性。二、試驗原理試樣裝在厚壁金屬容器內(nèi)，上下各放透水石一塊，然后在試樣上分級施加垂直壓力，如圖5-1（a）所示，測記加壓后不同時間的垂直變形，由壓縮前后土的體積變化，如圖5-1(b)可得：試樣裝在厚壁金屬容器內(nèi)，上下各放透水石一塊，然后在試樣上分級施加垂直壓力P，測記加壓后不同時間的垂直變形H，由壓縮前后土的體積變化，如圖可得： VV0VS0 H0VV1VS1H H1 土粒的壓縮?？珊雎圆挥?，故VS0 =VS1 即壓縮前后固結顆粒的體積不變，代入上式得： 所以 圖5-1土粒的壓

43、縮?？珊雎圆挥?，故Vs0=Vs1即壓縮前后固體顆粒的體積不變，代入上式得：若測得穩(wěn)定壓縮變形量H，則可由上式求得相應的孔隙比e1，同樣，在P2、P3、P4作用下測得穩(wěn)定壓縮變形量，并求得相應的e2、e3、e4等，這樣就可繪制e-P曲線，依此計算各指標。三、試驗設備及儀器1.壓縮（固結）儀，本試驗采用杠桿加壓式（圖5-2）包括：（1）固結容器（2）加力及傳力設備：傳力杠桿、平衡錘、砝碼等；（3）切取試樣用的環(huán)刀，內(nèi)徑一般為8cm，面積為50cm2，高2cm。（4）測微計（精度1/100mm）圖5-2 壓縮儀示意圖1水槽 2護環(huán) 3環(huán)刀 4加壓上蓋 5透水石6 量表導桿 7量表架 8試樣（5）其他

44、：秒表、天平、烘箱、切土刀（或鋼絲鋸）、凡士林等。四、試驗步驟1.整平土樣兩端，用環(huán)刀套切土樣，在切取土樣時應注意下列幾點：(a)土層受壓方向應與天然土層受壓方向一致。(b)環(huán)刀內(nèi)壁涂一薄層凡士林，以減少土樣與環(huán)刀壁的摩擦及土樣擾動。(c)切土樣時，先將環(huán)刀刃向下壓入土樣少許，將土樣修成略大于環(huán)刀直徑的土樣，邊修邊壓，直至土樣突出環(huán)刀為止，然后修去上下兩端余土，刮平土樣表面。（注意不得來回涂抹）。在切削過程中，細心觀察土樣，進行必要的描述。2.將環(huán)刀外壁擦凈，稱環(huán)刀加土質量準確至0.1g，計算密度用。3.將金屬底板放入容器內(nèi)，在其上順序放上濕潤而潔凈的透水石濾紙各一，將裝有土樣的環(huán)刀（刃口向下

45、）放在護環(huán)內(nèi)，將護環(huán)放入容器內(nèi)，再在試樣上放濾紙、透水石和傳壓蓋。4.將裝好的固結容器放在加壓設備正中，裝上測微表，并調(diào)節(jié)其可伸長距離不小于8mm，然后檢查測微表是否靈敏和垂直。5.在砝碼盤上加初始荷重50g（土樣所受壓力1kPa），以便使儀器上下各部件之間接觸貼妥，然后轉動測微表表盤，使指針對準零點。6.加第一級荷重P1=50kPa，注意加砝碼要輕，避免發(fā)生沖擊。如系飽水試驗，應向固結容器內(nèi)注水，使土樣處在水下。7.在加荷的同時，開動秒表，記錄測微表讀數(shù)，測記時間一般為15²，1¢，2¢15²，4¢，6¢15²，9

46、2;，12¢15²，16¢（正規(guī)壓縮試驗應測到壓縮穩(wěn)定為止，穩(wěn)定標準為每小時的壓縮量不超過0.005mm）。8.重復上述步驟繼續(xù)加荷P2=100kPa，P3=200kPa，P4=400kPa（正規(guī)壓縮試驗的最終加荷量應根據(jù)實際工程的需要而定）。9.在最后一級荷重下，除測記上述讀數(shù)外，還需測記加荷30¢讀數(shù)，然后拆除測微計，卸下砝碼從固結容器內(nèi)取出環(huán)刀與土樣，用濾紙吸去附在土樣表面及環(huán)刀外水份，稱環(huán)刀加土質量以求試驗后的密度。10.將環(huán)刀中的土樣推出，從其內(nèi)部取兩試樣，測定試驗后的含水率，用以計算壓縮的孔隙比。五、計算及繪圖1.計算（1）試驗前土樣孔隙比e

47、0： 式中：環(huán)刀+濕土質量，g =環(huán)刀質量，gw試驗前土樣的含水率，%V環(huán)刀容積，cm3Gs土粒比重。rd試樣干密度，g/cm3r試樣密度，g/cm3(2)試樣土骨架高度：式中：H試驗前土樣高度，即環(huán)刀高度2cm。(3)各級荷載在加荷后的16¢及最后一級荷載30¢的土樣孔隙比e：H2各級荷載作用下儀器的變形。（試驗室給出）H1各級荷載加荷后16¢與最后一級荷載加荷后30¢的測微計讀數(shù)(4)按下式計算壓縮系數(shù)，壓縮模量2.繪圖：(1)根據(jù)在不同荷載下，不同時間測微計的讀數(shù)（減去儀器變形）繪制土的變形H與時間t的關系曲線，見圖5-3。(2)根據(jù)各級荷載作用下

48、，經(jīng)過16¢分鐘的孔隙比繪出土的壓縮曲線即ep曲線，見圖5-4。圖5-3 圖5-43.校正：上述試驗方法是教學用的快速壓縮試驗，按正常方法進行壓縮試驗，每級荷載作用下一般需經(jīng)過24小時。但通過比較試驗得知，厚度為2cm的試樣，在荷載作用下，一小時的固結度可達到0.9以上，因此土工試驗規(guī)程中列有一小時快速壓縮試驗法，即各級荷載作用下只讀到一小時僅在最后一級荷載下，除測記一小時的量表讀數(shù)外還應測記24小時的量表讀數(shù)，然后對壓縮曲線進行校正，可得與正常慢壓法近似的結果。而教學試驗只采用的是16分鐘快速法，校正方法種類很多，我們采用直線比例校正法。直線比例校正法假設：各級荷載Pn作用下，Pn

49、值與相應一小時（或16¢）的 與相應24小時（或30¢）的en的差值 之比 ，為一常數(shù)，見圖5-5。圖5-5(1)按下式求出校正后孔隙比e1，e2，e3P1: P2:已知：(2)繪圖(a)根據(jù)各級荷重下達穩(wěn)定時的孔隙比e，與其相應的壓力繪出土的壓縮曲線，即e-P曲線，如圖5-4。六、思考題1.試分析壓縮儀中可能造成誤差的原因？2.土的壓縮系數(shù)a是常數(shù)還是變數(shù)？這個指標有什么用途？3.為什么說用單向分層總和法（使用e-p）曲線算出的沉降是最終沉降，試根據(jù)壓縮試驗說明之。4.試說明利用e-p曲線計算變形引起誤差的原因。附1 固結系數(shù)的測定1.通過試驗測定試樣的固結系數(shù)，用以計算

50、地基土體受荷載后的固結度及固結時間。2.測定固結系數(shù)所用儀器設備與固結試驗相同3.試樣的切取與安裝與固結試驗相同，加預壓荷載后測微表調(diào)零。4.進行試驗(1)施加第一級荷載，一般為25kPa或50kPa，加荷的同時，開動秒表，記錄測微計讀數(shù)，測記時間為6²，15²，1¢，2¢15²，4¢，6¢15²，9¢，12¢15²，16¢，20¢15²，25¢，30¢15²，36¢，42¢15²，49¢

51、;，64¢，100¢，200¢，400¢，23h，24h，至穩(wěn)定為止。(2)重復上述步驟繼續(xù)加荷P2=100kPa，P3=200kPa，P4=400kPa(3)讀數(shù)完成后拆除測微計，卸下砝碼從固結容器內(nèi)取出環(huán)刀與土樣，用濾紙吸去附在土樣表面及環(huán)刀外水份，稱環(huán)刀加土質量以求試驗后的密度。(4)將環(huán)刀中的土樣推出，從其中內(nèi)部取兩試樣，測定試驗后的含水率。5.計算及繪圖(1)時間平方根法：對P1=100kPa，以變形為縱坐標，時間平方根為橫坐標，繪制變形與時間平方根關系曲線（如圖5-6）。延長曲線開始段的直線，交縱坐標于ds。ds為理論零點，過ds作另一直線，

52、令其橫坐標為前一直線橫坐標的1.15倍，那么后一直線與曲線交點所對應的時間的平方即為試樣固結度達90%。所需的時間t90。該級壓力下的固結系數(shù)按下式計算：式中：Cv 固結系數(shù)，cm2/s最大排水距離，等于某級壓力下試樣的初始和終了高度的平均值，cm；圖5-6 時間平方根法求t90(2)時間對數(shù)法：對某一級壓力，以變形為縱坐標，時間的對數(shù)為橫坐標，繪制變形與時間對數(shù)關系曲線，（如圖5-7）。在曲線的開始段，選任一時間t1，查得相應的變形值d1，再取時間t2=t1/4，查得相對應的變形值d2，則2d2-d1即d01；另取一時間依同法求得d02、d03、d04等，取其平均值為理論零點ds，延長曲線中部的直線段和通過曲線尾部數(shù)點切線的交點即為理論終點d100，則d50=(ds+d100)/2，對應于d50的時間即為試樣固結度