GUIDE TO SOIL MECHANICS TESTING 《土力学》实验指导书 ◆编写：张建龙刘勇健 广东工业大学土木与交通工程学院 二0一八年六月印刷
GUIDE TO SOIL MECHANICS TESTING 《土力学》实验指导书 编 写：张建龙 刘勇健 广东工业大学土木与交通工程学院 二０一八年六月印刷
月 录 序论2 渗透实验 4 界限含水量实验 13 固结实验17 含水量实验 22 密度实验 27 抗剪强度实验30 附录1电子天平使用方法介绍 36 附录2土工试验项目一览表 37 附录3试验数据的有效位数。 38 参考文献。 39
1 目 录 序 论........................................................................................................................2 渗透实验........................................................................................................................4 界限含水量实验..........................................................................................................13 固结实验......................................................................................................................17 含水量实验..................................................................................................................22 密度实验......................................................................................................................27 抗剪强度实验..............................................................................................................30 附录 1 电子天平使用方法介绍...............................................................................36 附录 2 土工试验项目一览表...................................................................................37 附录 3 试验数据的有效位数...................................................................................38 参 考 文 献................................................................................................................39
序论 一、土工试验在岩土工程中的位置和作用 土是一种古老而又普通的建筑材料，并作为建筑物的天然地基和介质。建筑 物的兴建是否合理、经济，在相当程度上取决于它的工程性质。要成功地解决一 个岩土工程问题，科学的程序是：勘探与测试，试验与分析，并利用土力学的理 论进行设计计算，然后施工，同时还要根据需要对施工过程及使用期进行监测， 并根据监测结果修订方案。这是一个将试验和理论与实际现象相互联系的过程 因此，土工试验是岩土工程规划和设计的前期工作。 就土力学的发展来说，从某种意义上也可以看作是土的试验力学，如库仑强 度理论、达西定律、土的压实理论以及描述土的应力~应变关系的双曲线模型等 无一不是通过试验而建立的。因此，土工试验又为土力学理论的发展提供依据 即使在大型电子计算机问世和计算技术高度发达之后，可以把土的复杂的弹塑性 应力~应变关系纳入到岩土工程的变形与计算中去的今天，从事岩土工程的专家 和学者们都认为，测定土的工程性质的技术（包括现场勘察、室内试验和原型观 测)依然是一个关键问题。由此看来，土工试验无论是对岩土工程，还是对土力 学的发展均占有相当重要的地位。 从事土工测试工作有经验的人们都知道，土是大自然的产物，不同于钢材、 混凝土、合成塑料等人工材料，其性质受到密度、湿度、粒度以及孔隙水中化学 成分等多种因素的影响：天然地层的性质和分布，不但因地而异，而且在较小范 围内也可能有很大的变化。在进行地基基础设计和土力学计算之前，必须通过勘 察和测试取得有关土层分布以及土的物理力学性质指标的充分的可靠的资料。因 此，了解室内土工试验方法也是学习土力学地基及基础这门课程的一个重要方 面。实际上，这也是科学地认识土的工程特性的入门之阶和掌握地基基础科学实 验基本手段的必由之路。 二、土工试验项目 土工测试大致分为两大部分：(1)在现场直接测定，称为原位测试，包括十 字板剪切试验，静、动触探，标准贯入试验，载荷试验，波速测定以及旁压试验 等：(2)从现场采取土样送至实验室的试验，称为室内土工试验。 室内土工式验一般可分为三类： 2
2 序 论 一、土工试验在岩土工程中的位置和作用 土是一种古老而又普通的建筑材料，并作为建筑物的天然地基和介质。建筑 物的兴建是否合理、经济，在相当程度上取决于它的工程性质。要成功地解决一 个岩土工程问题，科学的程序是：勘探与测试，试验与分析，并利用土力学的理 论进行设计计算，然后施工，同时还要根据需要对施工过程及使用期进行监测， 并根据监测结果修订方案。这是一个将试验和理论与实际现象相互联系的过程。 因此，土工试验是岩土工程规划和设计的前期工作。 就土力学的发展来说，从某种意义上也可以看作是土的试验力学，如库仑强 度理论、达西定律、土的压实理论以及描述土的应力～应变关系的双曲线模型等， 无一不是通过试验而建立的。因此，土工试验又为土力学理论的发展提供依据。 即使在大型电子计算机问世和计算技术高度发达之后，可以把土的复杂的弹塑性 应力～应变关系纳入到岩土工程的变形与计算中去的今天，从事岩土工程的专家 和学者们都认为，测定土的工程性质的技术（包括现场勘察、室内试验和原型观 测）依然是一个关键问题。由此看来，土工试验无论是对岩土工程，还是对土力 学的发展均占有相当重要的地位。 从事土工测试工作有经验的人们都知道，土是大自然的产物，不同于钢材、 混凝土、合成塑料等人工材料，其性质受到密度、湿度、粒度以及孔隙水中化学 成分等多种因素的影响；天然地层的性质和分布，不但因地而异，而且在较小范 围内也可能有很大的变化。在进行地基基础设计和土力学计算之前，必须通过勘 察和测试取得有关土层分布以及土的物理力学性质指标的充分的可靠的资料。因 此，了解室内土工试验方法也是学习土力学地基及基础这门课程的一个重要方 面。实际上，这也是科学地认识土的工程特性的入门之阶和掌握地基基础科学实 验基本手段的必由之路。 二、土工试验项目 土工测试大致分为两大部分：（1）在现场直接测定，称为原位测试，包括十 字板剪切试验，静、动触探，标准贯入试验，载荷试验，波速测定以及旁压试验 等；（2）从现场采取土样送至实验室的试验，称为室内土工试验。 室内土工试验一般可分为三类：
(1)土的化学性试验，包括土的矿物鉴定，易溶和难溶盐试验，有机质试 验，酸碱度试验，硅、铁、铝、钙、镁、钾全量分析及阳离子交换量试验等。这 些试验用于分析土的物质成分（化学成分、矿物成分）、土粒与介质溶液间的物 理化学作用以及土的结构对其力学性质的影响。 (2)土的物理性试验，包括土的密度、湿度、粒度试验等。具体试验项目 有：密度试验：比重试验：极限密度，即最大密度和最小密度试验：含水量试验： 界限含水量试验，即液限、塑限、缩限试验：颗粒大小分析及孔隙大小分析试验。 这些试验主要用于土的工程分类及判断土的状态。 (3)土的力学性质试验，包括渗透性、压缩性和强度试验等。主要目的是 直接为工程设计提供参数，如渗透系数、变形参数、固结系数、抗剪强度指标、 静止侧压力系数等。 本书内容仅限于实验室内的部分物理性和力学性试验，实验教学学时可根据 教学大纲的要求进行选做。土的物理性和力学性试验项目及其成果的应用参见附 录2。 三、实验的目的和要求 课堂理论教学对土力学课程当然是占主导地位，但土力学地基基础又是一门 实践性很强的课程，它的兼容理论性与实践性的特点，使得历来的教学要求都是 既重视基础理论原理和概念，又注重实践环节和联系工程实际。土工实验是认识 土体基本性质的有效手段，是必不可少的教学环节。通过土工实验课，可以使学 生加深对课堂教学中所学土力学基本原理和概念的理解，并对土的物理、力学性 质、概念及各种计算指标有一个较完整的了解。另一方面也是培养学生自学能力、 分析问题和解决问题能力、独立工作能力和动手能力的重要手段。通过实验课， 使学生掌握或了解土工常规测试方法、原理及其仪器设备的使用。进行实验基本 操作技能的训练，锻炼学生处理实验数据，分析实验结果，编写实验报告的能力。 培养学生严肃认真。实事求是的科学作风。 因此，要求学生在上实验课时，要做到以下几点： (1)认真预习实验内容，了解实验的基本原理、实验方法及实验步骤等： (2)实验课上认真听讲，掌握实验的关键内容与注意事项等： (3)严格按照实验规程进行实验操作，并做好实验记录： (4)根据实验记录进行数据处理，并对实验结果进行分析，最后填写出实 验报告
3 （1）土的化学性试验，包括土的矿物鉴定，易溶和难溶盐试验，有机质试 验，酸碱度试验，硅、铁、铝、钙、镁、钾全量分析及阳离子交换量试验等。这 些试验用于分析土的物质成分（化学成分、矿物成分）、土粒与介质溶液间的物 理化学作用以及土的结构对其力学性质的影响。 （2）土的物理性试验，包括土的密度、湿度、粒度试验等。具体试验项目 有：密度试验；比重试验；极限密度，即最大密度和最小密度试验；含水量试验； 界限含水量试验，即液限、塑限、缩限试验；颗粒大小分析及孔隙大小分析试验。 这些试验主要用于土的工程分类及判断土的状态。 （3）土的力学性质试验，包括渗透性、压缩性和强度试验等。主要目的是 直接为工程设计提供参数，如渗透系数、变形参数、固结系数、抗剪强度指标、 静止侧压力系数等。 本书内容仅限于实验室内的部分物理性和力学性试验，实验教学学时可根据 教学大纲的要求进行选做。土的物理性和力学性试验项目及其成果的应用参见附 录2 。 三、实验的目的和要求 课堂理论教学对土力学课程当然是占主导地位，但土力学地基基础又是一门 实践性很强的课程，它的兼容理论性与实践性的特点，使得历来的教学要求都是 既重视基础理论原理和概念，又注重实践环节和联系工程实际。土工实验是认识 土体基本性质的有效手段，是必不可少的教学环节。通过土工实验课，可以使学 生加深对课堂教学中所学土力学基本原理和概念的理解，并对土的物理、力学性 质、概念及各种计算指标有一个较完整的了解。另一方面也是培养学生自学能力、 分析问题和解决问题能力、独立工作能力和动手能力的重要手段。通过实验课， 使学生掌握或了解土工常规测试方法、原理及其仪器设备的使用。进行实验基本 操作技能的训练，锻炼学生处理实验数据，分析实验结果，编写实验报告的能力。 培养学生严肃认真。实事求是的科学作风。 因此，要求学生在上实验课时，要做到以下几点： （1）认真预习实验内容，了解实验的基本原理、实验方法及实验步骤等； （2）实验课上认真听讲，掌握实验的关键内容与注意事项等； （3）严格按照实验规程进行实验操作，并做好实验记录； （4）根据实验记录进行数据处理，并对实验结果进行分析，最后填写出实 验报告
渗透实验 实验项目名称：渗透实验 实验项目性质：普通实验 所属课程名称：土力学 实验计划学时：2 常水头渗透实验 一、实验目的 测定无粘性土的渗透系数k,以便了解土的渗透性能大小，用于 土的渗透计算和供建造土坝时选土料之用。 二、实验内容和要求 采用常水头渗透实验测定所给士样的渗透系数，并较适用于砂土 的渗透系数的测定。本试验采用的纯水，应在试验前用抽气法或煮沸 法脱气，试验时的水温宜高于试验室温度3~4℃。当进行不同的孔 隙比下的渗透试验时，应以孔隙比的为纵坐标，渗透系数的对数为横 坐标，绘制关系曲线。 三、实验主要仪器设备和材料 (1)常水头渗透仪：如图1所示 (2)土样： (2)天平：称量200g,感量0.01g 称量1000g,感量0.1g (3)其它：木击锤、秒表、温度计、量杯等
4 渗透实验 实验项目名称：渗 透 实 验 实验项目性质：普 通 实 验 所属课程名称：土 力 学 实验计划学时：2 常水头渗透实验 一、 实验目的 测定无粘性土的渗透系数 k，以便了解土的渗透性能大小，用于 土的渗透计算和供建造土坝时选土料之用。 二、 实验内容和要求 采用常水头渗透实验测定所给土样的渗透系数，并较适用于砂土 的渗透系数的测定。本试验采用的纯水，应在试验前用抽气法或煮沸 法脱气，试验时的水温宜高于试验室温度 3～4℃。当进行不同的孔 隙比下的渗透试验时，应以孔隙比的为纵坐标，渗透系数的对数为横 坐标，绘制关系曲线。 三、 实验主要仪器设备和材料 （1）常水头渗透仪：如图 1 所示 （2）土样； （2）天平：称量 200g，感量 0.01g; 称量 1000g，感量 0.1g; （3）其它：木击锤、秒表、温度计、量杯等
9 又 10 11 12同业 .2 6 图1常水头渗透装置 1一试样简：2一金属孔板：3一测压孔：4一玻璃测压管：5一溢水孔：6一渗水孔： 7-调节管：8-滑动支架：9-容量为5000ml的供水管：10-供水管：11一止水 夹：12-容量为500ml的量简：13-温度计：14-试样：15-砾石层 四、实验方法、步骤及结果测试 1、按本标准图1装好仪器，量测滤网至筒顶的高度，将调节管 和供水管相连，从渗水孔向圆筒冲水至高出滤网顶面。 2、取具有代表性的风干土样3~4kg,测定其风干含水率。将风 干土样分层装入圆筒内，每层2~3℃m,根据要求的孔隙比，控制试 样厚度。当试样中含粘粒时，应在滤网上铺2cm厚的粗砂作为过滤 层，防止细粒流失。每层试样装完后从渗水孔向圆筒充水至试样顶面， 最后一层试样应高出测压管3~4cm,并在试样顶面铺2cm砾石作为 缓冲层。当水面高出试样顶面时，应继续充水至溢水孔有水溢出。 3、量试样顶面至筒顶高度，计算试样高度，称剩余土样的质量， 计算试样质量
5 图 1 常水头渗透装置 1－试样筒；2－金属孔板；3－测压孔；4－玻璃测压管；5－溢水孔；6－渗水孔； 7－调节管；8－滑动支架；9－容量为 5000ml 的供水管；10－供水管；11－止水 夹；12－容量为 500ml 的量筒；13－温度计；14－试样；15－砾石层 四、 实验方法、步骤及结果测试 1、按本标准图 1 装好仪器，量测滤网至筒顶的高度，将调节管 和供水管相连，从渗水孔向圆筒冲水至高出滤网顶面。 2、取具有代表性的风干土样 3～4kg，测定其风干含水率。将风 干土样分层装入圆筒内，每层 2～3cm，根据要求的孔隙比，控制试 样厚度。当试样中含粘粒时，应在滤网上铺 2cm 厚的粗砂作为过滤 层，防止细粒流失。每层试样装完后从渗水孔向圆筒充水至试样顶面， 最后一层试样应高出测压管 3～4cm，并在试样顶面铺 2cm 砾石作为 缓冲层。当水面高出试样顶面时，应继续充水至溢水孔有水溢出。 3、量试样顶面至筒顶高度，计算试样高度，称剩余土样的质量， 计算试样质量
4、检查测压管水位，当测压管与溢水孔水位不平时，用吸球调 整测压管水位，直至两者水位齐平 5、将调节管提高至溢水孔以上，将供水管放入圆筒内，开止水 夹，使水由顶部注入圆筒，降低调节管至试样上部1/3高度处，形 成水位差使水渗入试样，经调节管流出。调节供水管止水夹，使进入 圆筒的水量多于溢出的水量，溢水孔始终有水溢出，保持圆筒内水位 不变，试样处于常水头下渗透。 6、当测压管水位稳定后，测记水位。并计算各测压管之间的水 位差。按规定时间记录渗出水量，接取渗出水量时，调节管口不得浸 入水中，测量进水和出水处的水温，取平均值。 7、降低调节管至试样的中部和下部1/3高度处，按本步骤5、 6重复测定渗出水量和水温，当不同水力坡降下测定的数据接近时， 结束试验。 8、根据工程需要，改变试样的孔隙比，继续试验。 9、按下式计算常水头渗透系数： 6品 式中k,一水温为T℃时试样的渗透系数(cms): Q一时间t秒内的渗出水量(cm3): L一两侧压管中心间的距离(cm): A一试样的断面积(cm): H一平均水位差(cm): t一时间(s)
6 4、检查测压管水位，当测压管与溢水孔水位不平时，用吸球调 整测压管水位，直至两者水位齐平。 5、将调节管提高至溢水孔以上，将供水管放入圆筒内，开止水 夹，使水由顶部注入圆筒，降低调节管至试样上部 1／3 高度处，形 成水位差使水渗入试样，经调节管流出。调节供水管止水夹，使进入 圆筒的水量多于溢出的水量，溢水孔始终有水溢出，保持圆筒内水位 不变，试样处于常水头下渗透。 6、当测压管水位稳定后，测记水位。并计算各测压管之间的水 位差。按规定时间记录渗出水量，接取渗出水量时，调节管口不得浸 入水中，测量进水和出水处的水温，取平均值。 7、降低调节管至试样的中部和下部 1／3 高度处，按本步骤 5、 6 重复测定渗出水量和水温，当不同水力坡降下测定的数据接近时， 结束试验。 8、根据工程需要，改变试样的孔隙比，继续试验。 9、按下式计算常水头渗透系数： T QL k AHt 式中 T k —水温为 T℃时试样的渗透系数（cm/s）； Q—时间 t 秒内的渗出水量（cm3）； L—两侧压管中心间的距离（cm）； A—试样的断面积（cm2）； H—平均水位差（cm）； t—时间（s）
注：平均水位差H可按(H,+H)/2公式计算。 五、实验报告要求 本试验记录格式如下： 常水头渗透试验 班级 组别 学号 姓名 试验日期 土样说明 试样高度 千土重 试样面积 孔隙比 测孔压间距 土粒比重Gs 常水头渗透试验记录 测压管 水位 水位差 水温20℃ (cm 试验次 间 坡降 时的渗透 系数cm/ cm/s H 平均 00 aD 02 -3-④⑨+1 (9) n. 2 (72 A(8)-(1 (10)×(12)
7 注：平均水位差 H 可按 2 （ 1 2 H +H ） 公式计算。 五、 实验报告要求 本试验记录格式如下： 常水头渗透试验 班级________组别________学号_________姓名__________________ 试验日期_________ 土样说明_________ 试样高度_________ 干土重_________ 试样面积_________ 孔隙比_________ 测孔压间距_________ 土粒比重 Gs _________ 常水头渗透试验记录 试 验 次 数 经 过 时 间 测压管 水位 （cm） 水位差 水力 坡降 渗 水 量 cm 渗透系 数 cm/s 水 温℃ 校 正 系 数 水温 20℃ 时的渗透 系数 cm/s 平均 渗透 系数 cm/s s Ⅰ Ⅱ Ⅲ H1 H2 平均 ⑴ ⑵ ⑶ ⑷ ⑸ ⑹ ⑺ ⑻ ⑼ ⑽ ⑾ ⑿ ⒀ ⒁ (2)(3) (3)(4) (5) (6) 2 1 (7)L (9) A(8)(1) 20 T (10)(12)
水的动力粘滞系数、粘滞系数比、温度校正值 动力粘滞系数(kP 温度校正馆 温度 动力粘滞系数(kPa 温度校正值 (c) (10)1 Tp (℃) (10)1 Tp .0 1.516 175 1.074 5.5 1.498 478 1.19 180 1.061 .050 1.68 6.0 1.470 121 185 1.048 1.038 65 1449 1435123 190 1.035 7.0 1.428 1.414125 19.5 1.022 1.o12 1.74 1.40m 139 127 200 1.010 1.76 8.0 1.387 1.373128 20.5 0.998 9881.78 85 1.367 1.353130 21.0 0.98% 0.9761.80 9.0 1.347 1.34132 215 0.974 0.9641.83 95 1.328 1.35134 220 0.968 0958185 10.0 1.310 1.297 136 225 943 1.87 105 1.292 1279 138 23.0 0.941 1.89 11.0 1274 1.261 140 24.0 0.919 11.5 1.256 24142 250 0899 0.890198 12.0 1.239 1.2714 26.0 0.s79 2.03 125 123 46 270 0859 207 13.0 1.206 1.48 28.0 0.841 1.833 2.12 15 1.188 ,176 150 29.0 0,823 2.16 140 1.15 168 152 30.0 0.806 145 1.160 154 31.0 0.789 a78 2.21 10 20 0.7万 765 23 155 1.130 119 158 33.0 0.757 750 2.34 160 1.5 160 340 a72 1.735 2.39 165 1.101 .090 162 35.0 a727 343 1.0 1.088 1.077 1.64
8 水的动力粘滞系数、粘滞系数比、温度校正值 温度 （℃） 动力粘滞系数η[（kPa•s （10 -6）] ηT/ η20 温度校正值 Tp 温度 （℃） 动力粘滞系数η[（kPa•s （10 -6）] ηT/ η20 温度校正值 Tp 5.0 1.516 1.501 1.17 17.5 1.074 1.066 1.66 5.5 1.498 1.478 1.19 18.0 1.061 1.050 1.68 6.0 1.470 1.455 1.21 18.5 1.048 1.038 1.70 6.5 1.449 1.435 1.23 19.0 1.035 1.025 1.72 7.0 1.428 1.414 1.25 19.5 1.022 1.012 1.74 7.5 1.407 1.393 1.27 20.0 1.010 1.000 1.76 8.0 1.387 1.373 1.28 20.5 0.998 0.988 1.78 8.5 1.367 1.353 1.30 21.0 0.986 0.976 1.80 9.0 1.347 1.334 1.32 21.5 0.974 0.964 1.83 9.5 1.328 1.315 1.34 22.0 0.968 0.958 1.85 10.0 1.310 1.297 1.36 22.5 0.952 0.943 1.87 10.5 1.292 1.279 1.38 23.0 0.941 0.932 1.89 11.0 1.274 1.261 1.40 24.0 0.919 0.910 1.94 11.5 1.256 1.243 1.42 25.0 0.899 0.890 1.98 12.0 1.239 1.227 1.44 26.0 0.879 0.870 2.03 12.5 1.223 1.211 1.46 27.0 0.859 0.850 2.07 13.0 1.206 1.194 1.48 28.0 0.841 0.833 2.12 13.5 1.188 1.176 1.50 29.0 0.823 0.815 2.16 14.0 1.175 1.168 1.52 30.0 0.806 0.798 2.21 14.5 1.160 1.148 1.54 31.0 0.789 0.781 2.21 15.0 1.144 1.133 1.56 32.0 0.773 0.765 2.3 15.5 1.130 1.119 1.58 33.0 0.757 0.750 2.34 16.0 1.115 1.104 1.60 34.0 0.742 0.735 2.39 16.5 1.101 1.090 1.62 35.0 0.727 0.720 2.43 17.0 1.088 1.077 1.64
变水头渗透实验 一、实验目的 测定无粘性土的渗透系数k,以便了解土的渗透性能大小，用于 土的渗透计算和供建造土坝时选土料之用。 二、实验内容和要求 细粒土由于孔隙小，且存在粘滞水膜，若渗透压力较小，则不足 以克服粘滞水膜的阻滞作用，因而必须达到某一起始比降后，才能产 生渗流。变水头渗透试验适用于细粒土。 三、实验主要仪器设备和材料 (1)变水头渗透仪：如图2所示 (2)其它：100ml量筒、秒表、温度计、凡士林等。 5(3 常水头被 5(1 图2变水头渗透装置 1一变水头管：2一渗透容器：3一供水瓶：4一接水源管：5一进水管夹 6一排气管7一出水管
9 变水头渗透实验 一、 实验目的 测定无粘性土的渗透系数 k，以便了解土的渗透性能大小，用于 土的渗透计算和供建造土坝时选土料之用。 二、 实验内容和要求 细粒土由于孔隙小，且存在粘滞水膜，若渗透压力较小，则不足 以克服粘滞水膜的阻滞作用，因而必须达到某一起始比降后，才能产 生渗流。变水头渗透试验适用于细粒土。 三、 实验主要仪器设备和材料 （1）变水头渗透仪：如图 2 所示 （2）其它：100ml 量筒、秒表、温度计、凡士林等。 图 2 变水头渗透装置 1－变水头管；2－渗透容器；3－供水瓶；4－接水源管；5－进水管夹； 6－排气管；7－出水管