《土力學》實驗教案
緒論一、土工試驗的物件和作用
土工試驗是對土的工程性質進行測試，並獲得土的物理性指標（如密度、含水率、土粒比重等）和力學性指標（如壓縮模量、抗剪強度指標等）的實驗工作，從而為工程設計和施工提供可靠的引數，它是正確評價工程地質條件不可缺少的前提和依據。
土是自然界的產物，其形成過程、物質成分以及工程特性是極為複雜的，並且隨其受力狀態、應力歷史、載入速率和排水條件等的不同而變得更加複雜。、所以，在進行各類工程專案設計和施工之前，必須對工程專案所在場地的土體進行土工試驗，以充分了解和掌握土的各種物理和力學性質，從而為場地岩土工程地質條件的正確評價提供必要的依據。因此，土工試驗是各類工程建設專案中首先必須解決的何題。
從土力學的發展歷史及過程來看，從某種意義上也可以說土力學是土的實驗力學，如庫侖(coulomb)定律、達西(darcy)定律、普洛特(practor))壓實理論以及描述土的應力一應變關係的雙曲線模型等，無一不是通過對、土的各種試驗而建立起來的。因此，土工試驗又為土力學理論的發展提供依據，即使在計算機及計算技術高度發達的今天，可以把土的複雜的彈塑性應力一應變關係納人到岩土工程的變形與穩定計算中去，但是土的工程性質的正確測定對於這些計算模型的建立以及模型中引數的確定仍然是乙個關鍵伺題。所以，土工試驗在土力學的發展過程中占有相當重要的地位。
採用原位測試方法對土的工程性質進行測定，較之室內土工試驗具有不少優點，原位測試方法可以避免鑽孔取土時對土的擾動和取土卸荷時土樣回彈等對試驗結果的影響，試驗結果可以直接反映原位土層的物理狀態，某些不易採取原狀土樣的土層（如深層的砂），只能採用原位測試的方法。但在進行原位測試時，其邊界條件較為複雜。在計算分析時，有時還需作不少假定方能進行，如十字板剪下試驗結果整理中的豎向和水平向抗剪強度相等的假定等，並且有些指標還不能用原位測試直接測定，如應為路徑、時間效應及應變孩率等對主的性狀的影響。
室內土工試驗由於能進行各種模擬控制試驗以及進行全過程和全方位的量測和觀察，在某種程度上反而能滿足土的計算或研究的要求。因此，室內土工試驗又是原位測試所代替不了的。
任何試驗都有其一定的侷限性，土工試驗一樣也有其侷限性。其實，當土樣從鑽孔中取出時，就已產生兩種效應使該土樣偏離了實際情況，一是取土、搬運及試驗切土時的機械作用擾動了土的結構，降低了土的強度；二是改變了土的應力條件，土樣產生回彈膨脹。這兩種效應統稱為擾動，擾動使試驗指標不符合原位土體的工程性狀。
除此以外，試樣的數量也是非常有限的，一層土一般只能取幾個或十幾個試樣，試樣總體積與其所代表的土層體積相比，相差懸殊；同時，土還是各向異性的，在垂直方向上與在水平方向上，其性質指標是不相同的。而室內土工試驗的應力條件是相對理想和單一化的，如固結試驗是在完全側限條件
下進行的，三軸壓縮試驗也僅是軸對稱的，這些條件均與實際土層的受力條件不盡相符。因此，土工試驗有一定的侷限性，另外，土工試驗成果因試驗方法和試驗技巧熟練程度的不同，也可能會有較大差別，這種差別在某種程度上甚至大於計算方法所引起的誤差。
二、土工試驗專案
（1） 土的含水率試驗
（2） 土的密度試驗
（3） 土的液限塑限試驗
（4） 土的擊實試驗
（5） 土的滲透試驗
（6） 土的壓縮固結試驗
（7） 土的直剪試驗
實驗一： 密度試驗（環刀法）
一、概述
土的密度ρ是指土的單位體積質量，是土的基本物理性質指標之一，其單位為g/cm3。土的密度反映了土體結構的鬆緊程度，是計算土的自重應力、幹密度、孔隙比、孔隙度等指標的重要依據，也是擋土牆土壓力計算、土坡穩定性驗算、地基承載力和沉降量估算以及路基路面施工填土壓實度控制的重要指標之一。土的密度一般是指土的天然密度。
二、試驗方法及原理
密度試驗方法有環刀法、蠟封法、灌水法和灌砂法等。對於細粒土，宜採用環刀法；對於易碎、難以切削的土，可用蠟封法，對於現場粗粒土，可用灌水法或灌砂法。環刀法就是採用一定體積環刀切取土樣並稱土質量的方法，環刀內土的質量與環刀體積之比即為土的密度。
1．儀器裝置
(1)恆質量環刀：內徑6. 18cm(面積30cm2）或內徑7. 98cm(面積50cm2），高20mm，壁厚1.5mm；
(2)稱量500g、最小分度值0. 1g的天平；
(3)切土刀、鋼絲鋸、毛玻璃和圓玻璃片等。
2. 操作步驟
(1) 按工程需要取原狀土或人工製備所需要求的擾動土樣，其直徑和高度應大於環刀的尺寸，整平兩端放在玻璃板上。
(2) 在環刀內壁塗一薄層凡士林，將環刀的刀刃向下放在土樣上面，然後用手將環刀垂直下壓，邊壓邊削，至土樣上端伸出環刀為止，根據試樣的軟硬程度，採用鋼絲鋸或修土刀將兩端餘土削去修平，並及時在兩端蓋上圓玻璃片，以免水分蒸發。
(3)擦淨環刀外壁，拿去圓玻璃片，然後稱取環刀加土質量，準確至0. 1g。
環刀法試驗應進行兩次平行測定，兩次測定的密度差值不得大於0.03 g/cm3.，並取其兩次測值的算術平均值。
實驗二： 含水率試驗（烘乾法）
一、概述
土的含水率是指土在溫度105-110℃下烘到衡量時所失去的水質量與達到恒量後乾土質量的比值，以百分數表示。
二、試驗方法及原理
含水率試驗方法有烘乾法、酒精燃燒法、比重法、碳化鈣氣壓法、炒乾法等，其中以烘乾法為室內試驗的標準方法。烘乾法是將試樣放在溫度能保持105~110℃的烘箱中烘至恒量的方法，是室內測定含水率的標準方法。
1．儀器裝置
(1)保持溫度為105110℃的自動控制電熱恆溫烘箱或沸水烘箱、紅外烘箱、微波爐等其他能源烘箱；
(2)稱量200g、最小分度值0. 0lg的天平；
(3)裝有乾燥劑的玻璃乾燥缸；
(4)恆質量的鋁製稱量盒。
2．操作步驟
(1)從土樣中選取具有代表性的試樣15~30g（有機質土、砂類土和整體狀構造凍土為50g)，放人稱量盒內，立即蓋上盒蓋，稱盒加濕土質量，準確至0. 0lg。
(2)開啟盒蓋，將試樣和盒一起放人烘箱內，在溫度105^-110℃下烘至恒量。試樣烘至恒量的時間，對於粘土和粉土宜烘8~10h，對於砂土宜烘6~8h。對於有機質超過乾土質量5％的土，應將溫度控制在65~70℃的恆溫下進行烘乾。
(3)將烘乾後的試樣和盒從烘箱中取出，蓋上盒蓋，放人乾燥器內冷卻至室溫。
(4)將試樣和盒從乾燥器內取出，稱盒加乾土質量，準確至0. 0lg。
烘乾法試驗應對兩個試樣進行平行鍘定，並取兩個含水率測值的算術平均值。當含水率小於40％時，允許的平行測定差值為1％；當含水率等於、大於40%時，允許的平行測定差值為2％。
實驗三： 土的液塑限試驗
一、概述
界限含水率試驗要求土的顆粒粒徑小於0. 5mm, 且有機質含量不超過5%，且宜採用天然含水率的試樣，但也可採用風乾試樣，當試樣中含有粒徑大於0. 5mm的土粒或雜質時，應過0.
5mm的篩。
二、液限試驗（圓錐儀液限試驗）
液限是區分粘性土可塑狀態和流動狀態的界限含水率，測定土的液限主要有圓錐儀法、碟式儀法等試驗方法，也可採用液塑限聯合測定法測定土的液限。
圓錐儀液限試驗就是將質量為76g的圓錐儀輕放在試樣的表面，使其在自重作用下沉人土中，若圓錐體經過5s恰好沉人土中10 mm深度，此時試樣的含水率就是液限。
1.儀器裝置
(1)圓錐液限儀；
(2)稱量200g,最小分度值0. 0lg的天平；
(3)烘箱、乾燥器；
(4)鋁製稱量盒、調土刀、小刀、毛玻璃板、滴管、吹風機、孔徑為0.5mm的標準篩、研缽等裝置。
2.操作步驟
(1)選取具有代表性的天然含水率土樣或風乾土樣，若土中含有較多大於0.5mm的顆粒或夾有多量的雜物時，應將土樣風乾後用帶橡皮頭的研杵研碎或用木棒在橡皮板上壓碎，然後再過0.5mm的篩。
(2)當採用天然含水率土樣時，取代表性土樣250g，將試樣放在橡皮板或毛玻璃板上攪拌均勻；當採用風乾土樣時，取過0.5mm篩的代表性土樣200g,將試樣放在橡皮板上用純水將土樣調成均勻膏狀，然後放人調土皿中，蓋上濕布，浸潤過夜。
(3)將土樣用調土刀充分調拌均勻後，分層裝人試樣杯中，並注意土中不能留有t空隙，裝滿試杯後刮去餘土使土樣與杯口齊平，並將試樣杯放在底座上。
(4)將圓錐儀擦拭乾淨，並在錐尖上抹一薄層凡士林，兩指捏住圓錐儀手柄，保持錐體垂直，當圓錐儀錐尖與試樣表面正好接觸時，輕輕鬆手讓錐體自由沉人土中。
(5)放錐後約經5s,錐體人土深度恰好為10 mm的圓錐環狀刻度線處，此時土的含水率即為液限。
(6)若錐體人土深度超過或小於l0mm時，表示試樣的含水率高於或低於液限，應該用小刀挖去沾有凡士林的土，然後將試樣全部取出，放在橡皮板或毛玻璃板上，根據試樣的幹、溼情況，適當加純水或邊調拌邊風乾重新拌和，然後重複（3）~（5）試驗步驟。
(7)取出錐體，用小刀挖去沾有凡士林的土，然後取錐孔附近土樣約10~15g,放人稱量盒內，測定其含水率。
液限試驗需進行兩次平均測定，並取其算術平均值，其平行差值不得大於2％。
三、塑限試驗（滾搓法）
塑限是區分粘性土可塑狀態與半固體狀態的界限含水率，測定土的塑限的試驗方法主要是滾搓法。滾搓法塑限試驗就是用手在毛玻璃板上滾搓土條，當土條直徑達3mm時產生裂縫並斷裂，此時試樣的含水率即為塑限。
1．儀器裝置
(1) 200mm×300mm的毛玻璃板；
(2)分度值0. 02mm的卡尺或直徑3 mm的金屬絲；
(3)稱量200g,最小分度值0. 0lg的天平；
(4)烘箱、乾燥器；
(5)鋁製稱量盒、滴管、吹風機、孔徑為0. 5mm的篩、研缽等。
2. 操作步驟
(1)取代表性天然含水率試樣或過0.5 mm篩的代表性風乾試樣100g, 放在盛土皿中加純水拌勻，蓋上濕布，濕潤靜止過夜。
(2)將製備好的試樣在手中揉捏至不粘手，然後將試樣捏扁，若出現裂縫，則表示其含水率已接近塑限。
(3)取接近塑限含水率的試樣8~10g, 先用手捏成手指大小的土團（橢圓形或球形），然後再放在毛玻璃板上用手掌輕輕滾搓，滾搓時應以手掌均勻施壓於土條上，不得使土條在毛玻璃板上無力滾動，在任何情況下土條不得有空心現象，土條長度不宜大於手掌寬度，在滾搓時不得從手掌下任一邊脫出。
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