天津大学岩土工程复试土工试验总结

前言土力学教学试验课是《土力学与地基》课程的重要组成部分，其目的在于通过试验加深对课堂所学知识的理解，熟悉试验设备，掌握必要的试验技术，培养学生试验研究的基本技能与独立工作能力，丰富对土的感性认识，明确土力学试验在土工建筑中的作用和重要性。土工试验的项目虽然繁多（具体项目可参看有关《土工试验规程》），但归纳起来可大体分为三类：一、土的物理性质试验包括含水率、密度、比重、颗粒分析、液限、塑限、天然稠度、湿化、相对密度、毛管水上升高度、天然坡角等试验。二、土的力学性质试验包括击实、渗透、压缩、三轴剪切、无侧限抗压强度、直剪、前期固结压力等试验。三、土的化学性质试验包括有机水溶盐测定等试验。我们的教学试验只是其中一部分，但却是重要的基本部分，具体内容是参照水利出版社的《土工试验规程》根据教学要求而拟定的，对于不同专业，试验内容可有所取舍。学生在进行教学试验前，必须做到：1.试验前要做好预习2.进入试验室后，要认真听取教师讲解，掌握试验课要点及有关内容。3.试验时要严肃认真、积极主动，既要独立思考，又要互相配合，严格按照试验指导书的要求和规定完成试验。4.试验结束后，应做好仪器设备的清理和清洁工作，经指导教师或试验室人员检查合格后，方能离开试验室。5.试验报告书应在指定时间内交上，绘图书写要清楚工整，不合要求需重做。1试验一颗粒大小分析试验（密度计法）一、试验目的颗粒大小分析试验的目的在于通过测定土中各种颗粒占该土总重的百分数的方法，了解土的颗粒大小分配情况，供土的分类、判断土的工程性质及建材选料之用。颗粒大小分析有筛析法和密度计法等，本试验只做细颗粒（小于0.075毫米的土）的密度计法。二、试验原理密度计法是使一定颗粒分布重量的土样在水内充分分散，并加以搅拌制成均匀的悬液见图1-1(a)，停止搅拌后，土颗粒在水中自由下沉。图1-1土粒下沉情况示意图按照司笃克(Stokers)定律，粒径愈大的颗粒下沉愈快，粒径愈小的下沉愈慢，见图1-1(b)。此时，除最靠近筒底部外，从上到下悬液密度逐渐增加，不同时间放密度计于量筒中即可测读悬液某深度处的密度，直到悬液接近澄清为止。根据密度计的读数，用量得L深度处悬液比重与原来悬液的比重相比较，就可以计算出小于某粒径的颗粒在全部颗粒中所占的重量百分比数。同时在不同时间内量测L深处（L为一变数）的密度，即可找出不同粒径的数量，以绘出颗粒大小分配曲线。密度计在试验中的作用，一是量测悬液的密度，二是量测土粒沉降的距2离。不难看出，用密度计法分析颗粒径大小的分布是根据下述三个假定进行的。1.试验开始时土的颗粒大小均匀地分布于水中；2.运用了司笃克(Stokes)定律；（见附录一）3.所用的量筒直径要比密度计的直径大很多三、试验仪器及设备1.密度计1个如图1-2密度计有两种，即甲种密度计和乙种密度计，甲种密度计的刻度单位以摄氏20℃时每1000ml悬液内所含干比重的克数表示。从0~60，最小刻度单位为1.0。乙种密度计刻度单位以摄氏20℃时悬液的比重表示，自0.995~1.050，最小刻度单位为0.001，本试验采用乙种密度计。2.量筒两个容积1000ml，高约45cm，直径约6cm。3.温度计一个刻度0~50℃，最小刻度单位为0.5℃4.搅拌器一个轮径50mm，孔径约3mm。5.其他：细筛、烘箱、碾土器、电热器、三角烧瓶、冷凝管、六偏磷酸钠、天平（感量0.01g）、蒸馏水等。该部分仪器主要供试验室制备悬液准备工作用。四、试验方法及步骤1.制备土样试验应采用天然含水率的土样进行，若土样在分析前无法保持其天然水图1-2密度计3率时，允许用风干或烘干土样，风干（或烘干）土样制备如下：取代表性的土样100~300g，用碾土器研散，将研散后的土过2mm细筛，再将筛上的土粒研散再过筛，直至筛上仅留下大于2mm的颗粒为止，将筛下的土样放入烘箱，烘至恒重。2.制备悬液将烘至恒重的土样拌和均匀，称取30g，准确至0.01g，装入三角烧瓶中（装瓶时切勿使土粒散失），在三角烧瓶中注入约200ml蒸馏水，浸泡时间不少于18小时（对于砂性较大，易于分散的土，可适当减少浸泡时间）。然后将瓶稍加摇晃，放在电热器上，用连接冷凝管下端的橡皮塞塞紧瓶口，进行煮沸，煮沸时间从水沸腾开始，粘土和不易分散的土，一般1小时左右，其他土可酌量减少，但不得少于半小时，待悬液冷却后，将其倒入标明号码的量筒内，并将烧瓶中剩留的悬液，分次用少量蒸馏水完全洗净倒入量筒内，4%的浓度的六偏磷酸钠约10ml倒入量筒溶液中，注水入量筒，使筒内悬液恰达1000ml。以上土样悬液制备由试验室完成，同学不做。3.搅拌与量测将搅拌器置于盛悬液的量筒中，沿整个悬液深度上下搅拌约一分钟，往复约30次，使悬液内土粒均匀分布（注意搅拌时勿使悬液溅出筒外）。取出搅拌器，同时立即开动秒表，将密度计小心地放入悬液中，直到手上感觉不出密度计重量时，再轻轻松手，测记开动秒表后1、5、30、120和1440分钟的密度计读数。每次读数均在预定时间前10~20秒钟将密度计放入悬液中，测记读数后取出。取出密度计后，立刻测记悬液温度，准确至0.5℃。注意一密度计读数均以弯液面上缘为准，（甲种密度计应准确至1，估读至0.1，乙种密度计要准确至0.001，估读至0.0001）。注意二4取出或放入密度计时，应尽量减少悬液的扰动，每次取出后应将密度计放于盛清水的量筒中，不得放在桌面上，以防滚落；不得横持密度计，以防折断。五、计算与制图1.计算小于某粒径的土重百分数：（乙种密度计）式中：20wsssCV——悬液总体积（=1000ml）；WS——分析用1000毫升悬液中的干土总质量，g；Cs——比重校正系数；20——20℃时水的密度，0.998232g/cm3,同学可取1.0g/cm3；s——土粒密度，g/cm3；m——温度校正值；n——刻度及弯液面校正值；R——乙种密度计读数；CD——分散剂校正值。m、n、CD取值见附录。2.按司笃克公式计算颗粒直径，d(mm)式中：o——4℃时水的密度，g/cm3；——水的动力粘滞系数，KPas10-6；L——某一时间t内的土粒有效沉降距离，cm(可查试验室给出的图表)Gs——土粒比重；201100]Cnm)R[(CWVXDsStLg)GG(doTs41018005GT——温度为T℃时水的比重；t——沉降时间，secg——重力加速度，（981cm/s2）为了简化计算，可用司笃克公式列线图，求得粒径d值。3.用小于某粒径的土粒重百分数X（%）为纵坐标，颗粒直径d（mm）的对数值为横坐标，绘制颗粒大小级配曲线（见试验报告）。附录一、司笃克(Stokes)定律及悬液中等于或小于某粒径d的土粒重量百分数的计算1.司笃克定律一八四五年司笃克研究得出在无限伸展的静止的液体介质中，一刚性表面光滑球体下沉，其所受的力只有重力及水的粘滞力，若液体的抵抗力等于某重力时，球体则以等速下降。球体的重力gdF3161流体对球体的浮力gdF3261球体重力减去液体的浮力为球体在液体中下降的力量。设此力量为F2，则球体在液体中下降时，由于液体粘性，因此必然发生摩擦，设球体上所受摩擦力为Rf，则式中为阻力系数，与Re[雷诺数VdRe（球体）]有关，司笃克的研究认为：g)(dFFFs33361224VdRfeR126故Rf=3dV当球体开始沉降时v甚小，故Rf亦甚小，但由于重力加速度作用，仅在数秒钟内，V迅速增大，即可使Rf值增大至与F2相等。则当Rf=F2时，球体受力平衡，于是等速下降。因此Vdgds3613218gdVsgVds18式中d——球体直径，cms——球体密度，g/cm3——液体密度，g/cm3——液体动力粘滞系数，KPas10-6；V——球体下降速度；g/secg——重力加速度(=981)，cm/sec2由于tLV故2.悬液中等于及小于某粒径d的土粒质量占土粒总质量的百分数的计算：设Ws——悬液中土粒的总质量，g；V——悬液的总体积，cm3Gs——土粒比重；20——20℃时水的密度，g/cm3则试验开始时在单位体积的悬液里：tLg)(ds18007土粒质量=土粒体积=水的质量=故试验开始时单位体积内的悬液密度为经过t秒后，在深度L厘米以上的悬液中粒径大于d的颗粒已消失沉下，因为沉入土样与通过L面单位体积内土粒数量相等，所以直径小于dmm的颗粒分布情况和试验开始时一样，故此时单位体积内小于土粒直径d的土粒质量Wst与总土质量Ws之比为：%WW(%)Xsst100即单位体积内小于直径d的土粒质量为(%)XVWs。故经过时间t后在深度L处单位体积内：土粒的体积=(%)XVWss20水的体积=(%)]XVW[ss201VWsVWss)VW(ss120)VGW(VW)(sssius20201)(VWsss20208水的质量=(%)]XVW[ss2020悬液的密度ssstsu(%)]XVW[)(120故在任何时间t、任何深度L处1000mm悬液内所含土重克数，或悬液的密度(st)t经测定后，即可算得小于某粒径d的土重百分数：附录二密度计校正1.刻度及弯液面校正值（n）密度计制造时，刻度往往不易准确，因此使用前必须经过检验及校正，同时试验时密度计读数均以弯液面顶为准，而刻度以弯液面底为准，故得进行校正，校正方法是：(a)用蒸馏水配制不同浓度的硫酸溶液，并用比重瓶得其比重，用以校正相应的密度计刻度。(b)弯液面校正方法是将密度计放于清水中，测读弯液面上下缘读数，读数之差即为弯液面校正值。弯液面校正见图1-3。2.温度校正值m密度计刻度是20℃时刻制的（令20的刻度为1.0000），若试验时悬液温度不等于20℃，则悬液的密度及密度计浮泡的体积都有变化，故必须校正，校正值见下表。100120])[(WV(%)Xtsusss图1-3弯液面校正图9悬液温度℃温度校正值悬液温度℃温度校正值悬液温度℃温度校正值10.0-0.001217.0-0.000524.0+0.000811.0-0.001218.0-0.000325.0+0.001012.0-0.001119.0-0.000226.0+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.分散剂校正值CD注蒸馏水入量筒，然后加分散剂，品种和用量与试验时相同，使量筒溶液达1000毫升，用搅拌器在量筒内沿整个深度上下搅拌均匀，恒温至20℃，然后将密度计放入溶液中，测记密度计读数。此时密度计的读数与在20℃时蒸馏水中读数之差，即为分散剂校正值。式中：——加入分散剂溶液乙种密度计读数——乙种密度计20℃/20℃的准确读数（20℃/20℃代表密度计是在20℃时刻制的，同时也采用20℃时水的密度作为悬液比重的标准）即为密度计在20℃蒸馏水中的读数。4．土粒沉降距离校正测定密度计浮泡体积Vb,倒适量清水于量筒内，测记水面读数，将密度计放入筒内，使水面达密度计最下刻度，再测记水面读数，二者之差即为密度计浮泡体积Vb。如图1-4。测定量筒断面面积，量出刻度100ml至1000ml间的距离L。则则按下式计算土粒有效沉降距离。20DR2020HDDRRC20HRLF900FVLLb220HR图1-4土粒有效沉降距离校正图10式中：L——土粒有效沉降距离，cm；Vb——浮泡体积，cm3；L——密度计读数；5.土粒比重校正Cs密度计刻度系假定悬液内土粒比重为2.65。六、思