土力学实验指导书中国农业大学水利与土木工程学院
土力学实验指导书 中国农业大学 水利与土木工程学院
前言土工试验主要是测定土的物理、力学性质指标，为工程设计、施工提供必要的计算参数和资料。学习土工试验是《土力学与地基基础》课程教学的一个重要环节，它不仅起着巩固课堂教学，增强对土的工程性质的理解等重要作用，而且是学习试验方法和实验技能的主要途径，培养学生学会分析和解决实际问题的能力。因此，要求学生必须认真对待每个试验环节，作好试验前的预习和准备，试验后的成果整理和分析。土的物理力学性质指标很多，试验项目和试验方法也很多，根据各专业的教学要求，本土工试验指导书仅介绍我校土木、水利类有关专业的几个基本教学试验。土力学实验室2005.5
2 前言 土工试验主要是测定土的物理、力学性质指标，为工程设计、施工提供必要 的计算参数和资料。 学习土工试验是《土力学与地基基础》课程教学的一个重要环节，它不仅起 着巩固课堂教学，增强对土的工程性质的理解等重要作用，而且是学习试验方法 和实验技能的主要途径，培养学生学会分析和解决实际问题的能力。因此，要求 学生必须认真对待每个试验环节，作好试验前的预习和准备，试验后的成果整理 和分析。 土的物理力学性质指标很多，试验项目和试验方法也很多，根据各专业的教 学要求，本土工试验指导书仅介绍我校土木、水利类有关专业的几个基本教学试 验。 土力学实验室 2005.5
目录试验一 含水量试验试验二土的密度试验（环刀法）液限和塑限试验试验三00005试验四渗透试验试验五压缩试验试验六直接剪切试验·试验七击实试验....·24
3 目录 试验一 含水量试验 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 2 试验二 土的密度试验（环刀法）••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 4 试验三 液限和塑限试验••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 5 试验四 渗透试验 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 9 试验五 压缩试验•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13 试验六 直接剪切试验••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••19 试验七 击实试验••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••24
试验一含水量试验一、试验目的1.土的含水量是土在温度105~110°℃下烘到恒重时所失去的水质量对达到恒重后干土质量的比值。以百分数表示。2.试验目的是测定土的含水量，以了解土的含水情况，它是土的几个物理指标中较重要的一个，因它可计算土的干密度、土的密度、孔隙比、饱和度及粘性土的状态指标。3.本试验应采用控制温度的烘干法作为标准方法，但此法常受设备和时间的限制。因此，在工地常用一些快速测定的方法，其中酒精燃烧法是尚较准确和简易的一种方法。4.土样的有机质（泥炭、腐殖质等）含量不应超过干土重的5%（由于在高温下的长时间焙烘，可使有机质分解或氧化，其重量因而变化，固有机质含量过多，所测得的含水量就不准确）。如果土的有机质含量在5~10%之间，仍可按本法进行，但应加以注明。二、仪器设备1.烘箱可采用电热烘箱或温度能保持105~110℃的其它能源烘箱，也可用红外线烘箱。2.酒精：纯度95%3.天平：感量0.01克。4.其它：干燥器、土盒、滴管等。三、操作步骤及计算方法1.烘干法（1）选取代表性试样约15-30克（沙土应多取些），放入质量为Mo的土盒内（注意盒盖与盒底对号），立即盖好盒盖，称湿土加盒质量Mi，准确至0.01克。（2）揭开盒盖，将盒盖套在盒底下，一起放入烘箱，在温度105~110℃的恒温下烘干（烘到恒重的时间因土的性质及土重不同而异），对砂性土不得少于6小时，对粘性土不得少于8小时，对含有机质超过5%的土，应将温度控制在
4 试验一 含水量试验 一、试验目的 1.土的含水量是土在温度 105~110oC 下烘到恒重时所失去的水质量对达到恒 重后干土质量的比值。以百分数表示。 2.试验目的是测定土的含水量，以了解土的含水情况，它是土的几个物理指 标中较重要的一个，因它可计算土的干密度、土的密度、孔隙比、饱和度及粘性 土的状态指标。 3.本试验应采用控制温度的烘干法作为标准方法，但此法常受设备和时间的 限制。因此，在工地常用一些快速测定的方法，其中酒精燃烧法是尚较准确和简 易的一种方法。 4.土样的有机质（泥炭、腐殖质等）含量不应超过干土重的 5%（由于在高 温下的长时间焙烘，可使有机质分解或氧化，其重量因而变化，固有机质含量过 多，所测得的含水量就不准确）。如果土的有机质含量在 5~10%之间，仍可按本 法进行，但应加以注明。 二、仪器设备 1.烘箱可采用电热烘箱或温度能保持 105~110oC 的其它能源烘箱，也可用红 外线烘箱。 2.酒精：纯度 95% 3.天平：感量 0.01 克。 4.其它：干燥器、土盒、滴管等。 三、操作步骤及计算方法 1.烘干法 （1）选取代表性试样约 15－30 克（沙土应多取些），放入质量为 M0 的土 盒内（注意盒盖与盒底对号），立即盖好盒盖，称湿土加盒质量 M1，准确至 0.01 克。 （2）揭开盒盖，将盒盖套在盒底下，一起放入烘箱，在温度 105~110oC 的 恒温下烘干（烘到恒重的时间因土的性质及土重不同而异），对砂性土不得少于 6 小时，对粘性土不得少于 8 小时，对含有机质超过 5%的土，应将温度控制在
65~70℃的恒温下烘干。(3）将烘干后的试样连盒取出，盖好盒盖，放入干燥容器内冷却至室温，称出干土加盒质量M2，准确至0.01克。(4）按下式计算试样的含水量，计算准确至0.1%。_ M- Mz×100含水量0(%)=M, -M。式中：Mi—湿土加盒质量（克）；M2一烘干土加盒质量（克）；Mo—土盒质量(克）本试验需要进行两次平行测定，取其算术平均值，允许平行差见下表：表1-1允许平行差值表含水量(%)允许平行差值（%）40 以下*1≥40*22.酒精燃烧法（1）取代表性试样若干（粘性土5~10克，砂性土20~30克）用小刀分散试样后，按烘干法称湿土加盒质量Mi（2）揭开盒盖，用滴管将酒精注入试样，直至土盒中呈现自由液面为止。为使酒精充分浸透试样，可将盒底在桌上轻轻敲击，（3）将土盒放在非易燃物上（如水泥台面）点燃酒精，燃至火焰熄灭。（4）等试样稍微冷却，重新滴入酒精，再次燃烧。一般粘性土燃烧三次，砂土二次。（5）最后一次火焰熄灭后，立即盖好盒盖，待冷却后称称盒加干土质量M2.（6）本试验需要进行二次平行测定，称重、计算以及平行差值均同于烘干法。5
5 65~70oC 的恒温下烘干。 (3) 将烘干后的试样 连盒取出，盖好盒盖，放入干燥容器内冷却至室温， 称出干土加盒质量 M2，准确至 0.01 克。 (4) 按下式计算试样的含水量，计算准确至 0.1%。 含水量 (%) 100 2 0 1 2 − − = M M M M 式中：M1 —湿土加盒质量（克）；M2 — 烘干土加盒质量（克）；M0—土盒质量 （克） 本试验需要进行两次平行测定，取其算术平均值，允许平行差见下表： 表 1-1 允许平行差值表 含水量 ω（%） 允许平行差值（%） 40 以下 ≯1 ≧40 ≯2 2.酒精燃烧法 （1）取代表性试样若干（粘性土 5~10 克，砂性土 20~30 克）用小刀分散试 样后，按烘干法称湿土加盒质量 M1。 （2）揭开盒盖，用滴管将酒精注入试样，直至土盒中呈现自由液面为止。 为使酒精充分浸透试样，可将盒底在桌上轻轻敲击。 （3）将土盒放在非易燃物上（如水泥台面）点燃酒精，燃至火焰熄灭。 （4）等试样稍微冷却，重新滴入酒精，再次燃烧。一般粘性土燃烧三次， 砂土二次。 （5）最后一次火焰熄灭后，立即盖好盒盖，待冷却后称称盒加干土质量 M2。 （6）本试验需要进行二次平行测定，称重、计算以及平行差值均同于烘干 法
试验二密度试验（环刀法）一、试验目的测定单位体积土的质量（称为土的密度）。以便了解土的松密和干湿状态，供换算土的其它物理、力学指标和工程设计之用。二、仪器设备1.环刀：环刀是一带刃脚的薄壁金属圆环，直径为6.18~6.4厘米。高为2厘米。2.天平：感量0.1克。3.其它：修土刀、凡士林等。三、操作步骤及计算方法1.按工程需要取原状土或制备所需状态的扰动土样，在环刀内壁涂一薄层凡士林，并将其刃口向下放在试样上。2.用修土刀沿环刀外缘将试样削成略大于环刀直径的土柱，然后慢慢将环刀垂直下压，随削随压，直至试样伸出环刀为止。3.用修土刀仔细刮平环刀两端余土，（注意：刮平时不得使试样扰动或压密）。4.擦净环刀外壁，称环刀加土质量（Mo+M）准确至0.1克。5.按下式计算土的密度D= Mo+M)-M式中：p—土的密度（克/厘米3）；（M+M）一环刀加土质量（克）；Mo一环刀质量（克）；V一环刀体积（厘米3）。6.环刀法密度试验应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于0.03克/厘米3，取两次测值的平均值
6 试验二 密度试验（环刀法） 一、试验目的 测定单位体积土的质量（称为土的密度）。以便了解土的松密和干湿状态， 供换算土的其它物理、力学指标和工程设计之用。 二、仪器设备 1.环刀：环刀是一带刃脚的薄壁金属圆环，直径为 6.18~6.4 厘米。高为 2 厘 米。 2.天平：感量 0.1 克。 3.其它：修土刀、凡士林等。 三、操作步骤及计算方法 1.按工程需要取原状土或制备所需状态的扰动土样，在环刀内壁涂一薄层凡 士林，并将其刃口向下放在试样上。 2.用修土刀沿环刀外缘将试样削成略大于环刀直径的土柱，然后慢慢将环刀 垂直下压，随削随压，直至试样伸出环刀为止。 3.用修土刀仔细刮平环刀两端余土，（注意：刮平时不得使试样扰动或压密）。 4.擦净环刀外壁，称环刀加土质量（M0+M）准确至 0.1 克。 5.按下式计算土的密度 V M0 M M0 ( + ) − = 式中：ρ—土的密度（克/厘米 3）；（M0+M）—环刀加土质量（克）；M0—环刀质 量（克）；V—环刀体积（厘米 3）。 6.环刀法密度试验应进行两次平行测定，两次测定的差值不得大于 0.03 克/ 厘米 3，取两次测值的平均值
试验三液限、塑限联合试验一、试验目的液限、塑限联合试验是用GYS型系列光电式液塑限测定仪测定土在不同含水量时的圆锥入土深度，在双对数坐标纸上绘制圆锥深度与含水量的关系直线。在直线上查得圆锥入土深度为10mm时的相应含水量为液限，入土深度2mm时的相应含水量为塑限。二、仪器设备1.GYS型系列光电式液塑限测定仪1台，仪器设备（如图）56e10图3-1主机示意图图3-2圆锥仪(1)投影屏(2)零线(3)微调旋钮(1)磁及头(2)微分尺(4)下罩(5)光源灯泡(6)工作台(3)锥头(4)平衡环(7)升降旋钮(5)平衡锤(8)电器面板(9)水准器(10)调节螺钉(11)后盖板电路板2.天平：200克，感量0.01克3.土盒6个。4.酒精1瓶5.调土刀（3把）、调土碗（3个）、凡士林（1盒）、蒸馏水（1瓶）、滴管（1支）、擦布（1块）7
7 试验三 液限、塑限联合试验 一、试验目的 液限、塑限联合试验是用 GYS 型系列光电式液塑限测定仪测定土在不同含 水量时的圆锥入土深度，在双对数坐标纸上绘制圆锥深度与含水量的关系直线。 在直线上查得圆锥入土深度为 10mm 时的相应含水量为液限，入土深度 2mm 时 的相应含水量为塑限。 二、仪器设备 1.GYS 型系列光电式液塑限测定仪 1 台，仪器设备（如图） 图 3-1 主机示意图 图 3-2 圆锥仪 (1)投影屏 (2)零线 (3)微调旋钮 (1)磁及头 (2)微分尺 (4)下罩 (5)光源灯泡 (6)工作台 (3)锥头 (4)平衡环 (7)升降旋钮 (8)电器面板 (9)水准器 (5)平衡锤 (10)调节螺钉 (11)后盖板电路板 2.天平：200 克，感量 0.01 克 3.土盒 6 个。 4.酒精 1 瓶 5.调土刀（3 把）、调土碗（3 个）、凡士林（1 盒）、蒸馏水（1 瓶）、滴管（1 支）、擦布（1 块）
三、操作步骤及计算方法1.土样制备：取0.5毫米筛的风干土约300克，放在调土碗中，喷酒蒸馏水后，用玻璃板盖住，静止一昼夜再分放在调土碗中待做液塑限用（本步骤由实验室完成）。2.把经过浸润的土分放在三个调土碗中，分别加入不同数量的蒸馏水，调制成三种不同含水量的土膏，并经静止浸润。三种不同含水量加水要求是：一种要求含水量接近塑限；一种含水量接近液限；再一种含水量介于前二种之间，力求使测点较均匀地分布圆锥入土深度3~10毫米的范围内。3.调节GYS型系列光电式液塑限测定仪的底脚螺钉，使仪器正前面的水准水泡居中。4.接通电源，将"开关"拨向"开"的方向，此时"电源”“磁铁"灯亮。放入GYS型系列光电式液塑限测定仪的圆锥仪，使电磁铁吸牢圆锥仪（此时投影屏上线条字迹应清晰，圆锥仪无晃动，反之则未吸好，应重新吸好。5.转动微调旋钮，使投影屏零线与微分尺零线重合6.将“手自"扳向“手"或“自"方向。7.将调土碗中的土膏，用调土刀充分搅拌均匀，密实的填入试杯中，高出试杯口的余土，用刮土刀刮平，随即将试杯放在GYS型系列光电式液塑限测定仪的升降工作台上。转动平台升降旋钮，使盛土杯上升，在“手"位置时，当土样与锥尖一接触，“接触"灯亮。8.“吸放"扳向“放"方向，此时圆锥仪下落，仪器自动计时，5秒后发出哨响，此时便可在投影屏上读出圆锥仪入土深度。9.若在“自"位置时，当土样与锥尖一接触，“接触"灯亮，此时圆锥仪自动下落，并开始计时，5秒后发出哨响，便可读数。10.转动平台升降旋钮，使盛土杯下降取下圆锥仪与盛土杯。11.将“吸放"扳向"吸”方向12.取出试杯中的土样，测定其含水量。每个深度取两小盒土，测定其含水量，然后取其平均值。13.重复5~12步骤，测定其另外两个碗里土膏的圆锥入土深度和含水量，14.成果整理：含水量应按下式计算，计算准确至0.1%：o(%)="。。将三ma8
8 三、操作步骤及计算方法 1.土样制备：取 0.5 毫米筛的风干土约 300 克，放在调土碗中，喷洒蒸馏水 后，用玻璃板盖住，静止一昼夜再分放在调土碗中待做液塑限用（本步骤由实验 室完成）。 2.把经过浸润的土分放在三个调土碗中，分别加入不同数量的蒸馏水，调制 成三种不同含水量的土膏，并经静止浸润。三种不同含水量加水要求是：一种要 求含水量接近塑限；一种含水量接近液限；再一种含水量介于前二种之间，力求 使测点较均匀地分布圆锥入土深度 3~10 毫米的范围内。 3.调节 GYS 型系列光电式液塑限测定仪的底脚螺钉，使仪器正前面的水准 水泡居中。 4．接通电源，将“开关”拨向“开”的方向，此时“电源”“磁铁”灯亮。放入 GYS 型系列光电式液塑限测定仪的圆锥仪，使电磁铁吸牢圆锥仪（此时投影屏上线条 字迹应清晰，圆锥仪无晃动，反之则未吸好，应重新吸好。 5.转动微调旋钮，使投影屏零线与微分尺零线重合。 6.将“手自”扳向“手”或“自”方向。 7.将调土碗中的土膏，用调土刀充分搅拌均匀，密实的填入试杯中，高出试 杯口的余土，用刮土刀刮平，随即将试杯放在 GYS 型系列光电式液塑限测定仪 的升降工作台上。转动平台升降旋钮，使盛土杯上升，在“手”位置时，当土样与 锥尖一接触，“接触”灯亮。 8.“吸放”扳向“放”方向，此时圆锥仪下落，仪器自动计时，5 秒后发出哨响， 此时便可在投影屏上读出圆锥仪入土深度。 9. 若在“自”位置时，当土样与锥尖一接触，“接触”灯亮，此时圆锥仪自动下 落，并开始计时，5 秒后发出哨响，便可读数。 10.转动平台升降旋钮，使盛土杯下降取下圆锥仪与盛土杯。 11.将“吸放”扳向“吸”方向。 12.取出试杯中的土样，测定其含水量。每个深度取两小盒土，测定其含水 量，然后取其平均值。 13.重复 5~12 步骤，测定其另外两个碗里土膏的圆锥入土深度和含水量。 14.成果整理：含水量应按下式计算，计算准确至 0.1%： md m0 (%) = 。将三
种含水量与相应圆锥入土深度数据汇于双对数坐标纸上，三点应接近一条直线，在圆锥入土深度为2毫米出查得相应的两个含水量。如果两个含水量的差值不超过2%，用该两含水量的平均值的点与高含水量的测定点作一直线。T图3-3圆锥下沉深度与含水量关系曲线液塑限联合试验结果记录工程名称试验者土样说明计算者校核者试验日期试样编号8169061011圆锥入土深度（mm）9.87.4 3.49.15.63.59.87.83.2盒号207675434430218467802543567盒重 (g)盒+湿土重(g)盒+干土重（g）湿土重（g)14.013.514.215.514.817.117.117.217.9干土重（g)10.510.311.312.312.014.111.812.213.79
9 种含水量与相应圆锥入土深度数据汇于双对数坐标纸上，三点应接近一条直线， 在圆锥入土深度为 2 毫米出查得相应的两个含水量。如果两个含水量的差值不超 过 2%，用该两含水量的平均值的点与高含水量的测定点作一直线。 图 3-3 圆锥下沉深度与含水量关系曲线 液塑限联合试验结果记录 工程名称 试验者 土样说明 计算者 试验日期 校核者 试样编号 816 906 1011 圆锥入土深度（mm） 9.8 7.4 3.4 9.1 5.6 3.5 9.8 7.8 3.2 盒号 207 675 434 430 218 467 802 543 567 盒重（g） 盒+湿土重（g） 盒+干土重（g） 湿土重（g） 14.0 13.5 14.2 15.5 14.8 17.1 17.1 17.2 17.9 干土重（g） 10.5 10.3 11.3 12.3 12.0 14.1 11.8 12.2 13.7
水重(g)35322.9322.83.05.35.04.2含水量（%）33.431.125.726.023.421.244.840.830.7液限(%) 0133.726.445.2塑限（%）op22.418.825.6塑限指数（%）11.37.619.6土样分类clCLCH四、注意事项1.试验时不得在土样下垫绝缘物。2.周围不得有强磁场及强风。3.“吸放"开关扳向"放"后，应待3秒发出哨响后再扳向"吸”，以免出现报时误差。4.微分尺，光学元件如有污点，可用脱脂棉沾无水乙醇和乙醚擦拭。5.注意保护锥尖。不得随意改变圆锥仪平衡圆环形状。6.换光源灯泡时，可拆下下罩，旋出灯泡，换上的灯泡丝须与镜头平行，如不平行，则可轻转动灯座。7.由于各种土质不同，“接触"灯有时不亮系正常。试验四渗透试验（砂土常水头渗透试验）10
10 水重（g） 3.5 3.2 2.9 3.2 2.8 3.0 5.3 5.0 4.2 含水量（%） 33.4 31.1 25.7 26.0 23.4 21.2 44.8 40.8 30.7 液限（%）ωl 33.7 26.4 45.2 塑限（%）ωp 22.4 18.8 25.6 塑限指数（%） 11.3 7.6 19.6 土样分类 CI CL CH 四、注意事项 1.试验时不得在土样下垫绝缘物。 2.周围不得有强磁场及强风。 3.“吸放”开关扳向“放”后，应待 3 秒发出哨响后再扳向“吸”，以免出现报时 误差。 4.微分尺，光学元件如有污点，可用脱脂棉沾无水乙醇和乙醚擦拭。 5.注意保护锥尖。不得随意改变圆锥仪平衡圆环形状。 6.换光源灯泡时，可拆下下罩，旋出灯泡，换上的灯泡丝须与镜头平行，如 不平行，则可轻转动灯座。 7.由于各种土质不同，“接触”灯有时不亮系正常。 试验四 渗透试验（砂土常水头渗透试验）