土工试验指导书 青岛理工大学 地基基础教研室 土工实验室 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
前言 土工试验是岩土工程学科的重要组成部分。岩土工程设计参数就是由设计 合理、条件相似、方法和操作正确的岩土工程测试得到的。土工试验一般分为 室内试验和现场测试两部分，本讲义包括了常用的室内试验和现场测试内容。 土力学教学中特别强调土工试验，我校在八十年代初即编写了土工试验指 导书和土工试验报告，供土工试验课程教学使用。由于八十年代末和九十年代 末土工试验规范分别有两次变动，指导书迫切需要修改，适用新的规范内容。 本讲义即是在此背景下编写的，其中有许多内容继承了土工试验指导书中合理 部分。 本讲义中室内试验部分以中华人民共和国国家标准《土工试验方法标准》 (GB/T50123-1999)为基准，参照水利部、交通部相关标准编写。包括了常用 的十一种土工试验方法并简要介绍了土样和试样制备方法。 试验包括了土的物理性指标、渗透性、击实性、压缩性和剪切强度特性等 几个方面的内容。每一种试验介绍基本原理、仪器设备、操作步骤、试验记录、 成果整理等几个方面的内容。 土工试验成果的可靠性和能否应用于具体工程设计中。主要与测试设备的 工作状态、操作人员的熟练程度、取样的代表性、取样和制样过程中的扰动情 况、试验工作条件与现场受力特性的差异等诸多因素有关。作为试验操作人员， 应始终保持试验仪器处于良好的工作状态、细心整理试验成果，详细记录试验 过程中出现的各种异常现象。只有这样，才能使试验成果有较高的可靠性。 通过本课程的学习，要掌握各种试验的基本原理、操作方法和成果整理方 法，了解各试验仪器的工作原理、校验方法及维护措施。本讲义作为土木工程 各专业方向土工试验指导书。 土工试验课程中特别重要的部分是培养学生动手能力，要求教学试验过程 中严格按照试验步骤进行操作。因此课前预习试验内容、熟悉试验操作步骤非 常重要，试验仪器有许多是易碎、易损及贵重仪器，要求学生进实验室后，先 仔细了解仪器性能和使用方法，然后再动手，不是本此试验仪器不要触摸。实 验室内不能打闹、大声喧哗，注意保持公共场所清洁卫生。 本指导书由青岛理工大学土木工程学院地基教研室和土工实验室教师左红 伟、张明义、时伟、章伟、董攀等老师协作完成。随着教学内容、改革和培养 的需要，指导书也将不断加入新的内容。本指导书的编录得到土木工程学院领 导于广明教授和张明义教授的支持，其中插图的编排得到年轻教师郭栋和孙林 娜的帮助，这里一并表示感谢！全书由左红伟老师统稿，由于时间仓促，书中 难免有错误和不当之处，敬请读者批评指正。 i This document is produced by trial version of Print2Flash. Visit www.print2flash.com for more information
目录 前言 第一章含水量试验…1 第二章密度试验…5 第三章比重试验…10 第四章颗粒分析试验…17 第五章界限含水量（稠度)试验…29 第六章相对密度试验…38 第七章击实试验…42 第八章渗透试验…46 第九章压编（固结）试验… …53 第十章直接剪切试验…60 第十一章无侧限抗压强度试验…65 第十二章三轴剪切试验…69 第十三章设计性试验：细粒土的类型测定…，80 第十四章土样和试样制备…86 参考文献…89 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
第一章含水量试验 第一节概述 土体含水量())是土的物理性质指标之一。土体含水量高低与粘性土的 强度和压缩性具有密切的关系。土体在各种状态下的含水量是计算其它物理性 质指标、测量其它物理状态指标的最基本试验。在有些士力学教材中将含水量 称作含水率。这里为与试验规范一致仍称作含水量。 第二节试验原理 土样含水量是指土样在105℃至110℃的温度下烘干至恒重时所失去的水 分质量与烘干土质量的比值，用百分数表示。即： 0=m-m:×100% (1-1) m. 式中：0一土样含水量(%) m一湿土质量，单位：克(g) m,一烘干土质量，单位：克(g) 含水量试验的室内试验方法以烘干法为标准方法。在野外如条件不满足可 依土的性质和工作条件选用如下试验方法： 1.酒精燃烧法： 2.比重法（适用于砂性土）： 3.实容积法（适用于粘性土）： 4.炒干法（适用于砾质土）。 含水量试验的上述方法适用于无机土（有机质含量低于5%），对于有机质 土和有机土，在温度较高时会发生分解，使测得的含水量偏高，从而造成试验 误差。 有机质含量超过5%的有机质土和有机土，采用65-70℃温度下烘干至恒重 的方法测量其含水量。 上述各种试验方法都是利用水在加温后逐渐变成水蒸气的性质。加热一定 时间后，在温度不高于110℃时，土中自由水全部变成气体挥发，之后土重不 再发生变化，即处于恒重状态。这时挥发掉的水重m=m一m,。土恒重即认为 是干土质量。对粘性土，m,实际上是土粒质量与薄膜水质量之和。 -1- This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
第三节烘干法测定含水量 一、仪器设备 烘干法仪器设备主要包括： 1.恒温烘箱：一般要求在50-200℃范围内能在任一点保持一定恒温范围 最常用的恒温范围在105-110℃： 2.天平：称量200g,感量0.01g,最常用天平分机械天平和电子天平两类： 3.附属设备：铝盒（称量盒）、干燥器、铅丝篮等。 二、操作步骤 烘干法含水量试验操作主要步骤包括： 1.取代表性试样15-30g放入铝盒内，迅速盖好盒盖，称量m,称量结果 减去铝盒质量m。,准确至0.01g: 2.揭开铝盒盖，将试样和铝盒一起放入恒温烘箱，在温度105-110℃下烘 至衡重，在设定温度下烘至恒重所需时间由士类和烘箱构造决定，一般砂土约 需1-2小时，粉土和粉质粘土约6-8小时，粘土约10小时： 3.将烘干后的试样和铝盒取出，盖好铝盒盖后，放入干燥器内冷却至室温 后，称铝盒加土质量m,准确至0.01g,千土质量m,=m,-m。: 4.按下式计算该土样的含水量： 0=m-m×1009%=m-m2×100% (1-2) m m2-m。 5.按前面的步骤进行两次平行试验，当两次测定含水量的差值在允许的范 围内时，取其算术平均值作为该土样的含水量，两次测定的差值允许范围为： 含水量低于40%时，不得大于1%：含水量高于40%，不得大于2% 三、试验记录 试验记录包括土样描述、试验过程说明和记录表格三个主要组成部分，试 样描述内容有：1、土样颜色：2、土样初步定名：3、土质均匀性及是否含有机 质等。试验过程说明通常有：1、取样位置2、试验方法3、试验条件（如烘 干法试验的温度、时间、试验设备等)。含水量试验记录表格见表1-1所示。在 填写原始记录表格过程中，特别注意严禁随意涂改试验记录，对于书写错误， 用细线杠去错误数字（要能清楚看出错误数字），把正确数字写在旁边。 -2= This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
表1-1含水量试验 工程名称： 试验者： 送检单位 计算者 土样编号： 校核者 试验日期： 试验说明： 试样试样 编号名称盒号 盒质量盒+湿土质量盒+干土质量湿土质量干土质量含水量均值 (g) (g) (g) (g) (g) % 第四节酒精燃烧法 一、仪器设备 酒精燃烧法仪器设备主要包括： 1.铝盒（称量盒）： 2.天平：称量200g,感量0.01g 3.酒精：纯度高于95% 4.其它：滴管、火柴、调土刀等 二、操作步骤 酒精燃烧法测定土样中含水量是通过酒精燃烧过程中产生的热量使土中水 气化蒸发。主要操作步骤如下： 1.取代表性试样（粘性土5-10g,砂性土20-30g),放入铝盒内，盖好盒 盖，称盒加湿土质量m,准确至0.01g。m减去铝盒质量m。即为湿土质量 m=m1-m。 2.用滴管将酒精注入放有试样的铝盒中，至酒精超过试样面为止。轻轻敲 击铝盒，使酒精与土样充分混合均匀： 3.点燃盒中酒精，烧至火焰熄灭： 4.让试样冷却数分钟，按2至3的步骤再重复燃烧两次。当第三次火焰熄 灭后，立即盖好盒盖，称量盒加千土质量m,准确至0.01g。千土质量m,即为： m,=m2-m: -3- This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
5.与烘干法记录格式一样（见表1-1）记录。每个试样平行测定两次。计 算公式及允许平行差与烘干法相同。 第五节附加说明 1.含水量试验常用以上介绍的两种方法，即烘干法和酒精燃烧法。若在实 际工作中需要采用其它方法，操作步骤参见《土工试验方法标准》 (GB/T50123-1999): 2.含水量试验中质量测定精确至0.01g。铝盒质量由于磨损及氧化作用随 时间发生变化。对查表得出的铝盒质量，规范要求使用3-6个月后率定一次： 3.现场取至实验室的原状土样，在取样和运输过程中，含水量会重新分布。 如土样中间与外围、顶部与底部存在含水量差异。在含水量测定的取样时，所 谓代表性士样即指各部位土样都有，使测出的平均含水量能代表原状士样含水 量： 4.平行试验的含水量误差允许范围规定是针对均匀的同一块土样在试验过 程中产生的误差，对于不同点取样的含水量试验结果，取平均值时不受此限制： 5.室内试验过程中的误差来源和主要注意事项如下： (1)天平未调平（机械天平）或零点漂移（电子天平）。要求将天平放在 平整结实的台板上，保持天平间干燥、无振动。天平间内温度变化小，不能放 置高温发热物本，窗宿采用红理双层布组成： (2)铝盒质量改变。在试验过程中禁止用铁刀等硬物括铝盒，试验后将铝 盒洗净晾干放置，试验前烘干铝盒。每隔3-6个月复核一次铝盒质量： (3)试样没有烘干，有疑问时，称量后放入烘箱再烘4小时后称干士质量： (4)部分土掉出盒外或装土时有土留在盒外： (5)计算错误和测试过程中操作错误等因素造成，要求计算分析中计算者 和校核者分开，整个试验过程严格按规范操作。 .42 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
第二章密度试验 第一节概述 土体的密度是土的直接测量物理性质指标之一。土体密度大小与土的松紧 程度、压缩性、抗剪强度等均有一定联系。土体密度是计算地基自重应力的重 要参数。密度测试还是土体相对密度等物理指标的测试方法。 单位体积土体质量叫土的密度，定义式为： p=m/V (2-1) 式中：p一土样密度，单位g/cm: m一土样质量，单位g V一土样体积，单位cm。 实验室内直接测量的密度为湿密度（对原状土称作天然密度），用表示， 由此导出的常用土体在不同状态下的密度有干密度(P)、饱和密度（P)、 浮密度P等，与密度相对应的常用指标一容重的定义为单位体积土体的重量 定义式为： 7-%=8 (2-2) 式中：y一土样容重，单位kN/m: 8一重力加速度，一般为9.81m/g2: 其余符合同前。 与不同状态下土的密度对应的不同状态土的容重分别记作：干容重y,、饱 和容重y浮容重y'。 本章介绍湿密度的实验室测定方法。 第二节试验原理 根据公式(2-1)，密度试验方法即包括测定试样体积V和质量m。试验时， 将土充满给定容积V的容器，然后称取该体积土的质量m。或者反过来，测定 一定质量m的土所占的体积。前者最常用的有环刀法，后者有蜡封法、灌砂法、 灌水法等。 第三节环刀法 -5- This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
一、仪器设备 环刀法测试土的密度需要如下设备： 1.坏刀小：内径6~8cm,高23cm。体积定期校正为恒值，常用环刀体积为 60cm 2.天平：称量200g,感量0.01g: 3.附加设备：切士刀，钢丝锯，凡土林等。 二、操作步骤 1.取原状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） 将士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： 2.用切下的代表性土样测定含水量0： 3.擦净环刀外壁，称环刀加士的质量m,准确至0.01g 4.按下式计算试样密度和干密度： p=- (2-3) V Pa=1+0.010 (2-4) 式中：p一试样密度，单位g/cm: P,一试样干密度，单位g1cm: m一环刀加试样质量，单位g m。一环刀质量，单位g: V一环刀容积，单位cm: 0一试样含水量，单位%。 5.按1至4的步骤进行两次平行测定，其平行差不得大于0.03g/cm3,取 其算术平均值。 三、试验记录 环刀法测定土的密度记录格式及成果可参考表2-1。 第四节蜡封法 当土样易碎易裂而不易切割成型时，不能用环刀法测试土的密度，这时常 采用蜡封法测试士的密度。 6- This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
表2-1密度试验（环刀法） 工程名称： 试验者： 送检单位 计算者 土样编号： 校核者： 试验日期： 试验说明： 试样试样环刀怀刀质量环刀体积环刀+湿土湿土质量密度平均密度含水量干密度 编号类别号 (g) (cm3) 质量(g)(g) (glem)(gicm) (%) g/cm 一、仪器设备 蜡封法主要仪器包括： 1.天平：称量200g,感量0.01g:具有吊环方式称量方法，机械式天平见 图2-1： 2.辅助设备：切士刀、蜡、温度计、纯水、烧杯、细线、针等。 1.盛水杯：2.蜡封试样：3细线：4砝码 图2-1蜡封法称量天平 .7 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information