土工试验指导书及报告书-2013版

1土工试验指导书及实验报告书编者：陈海玉适用课程：土力学土力学与地基基础2012.62土工试验指导书第一章含水率试验第一节概述土体含水率（）是土的物理性质指标之一。土体含水率高低与粘性土的强度和压缩具有密切的关系。土体在各种状态下的含水率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。第二节试验原理土样含水率是指土样在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：%100ssmmm（1-1）式中：——土样含水率（%）；m——湿土质量，单位：克（g）；sm——烘干土质量，单位：克（g）。含水率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）。含水率试验的上述方法在水中还会发生水解适用于无机土（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，使测得的含水率偏高，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，含石膏和硫酸盐矿物的土，因这些矿物晶体中含结晶水，因此需采用65℃~70℃温度将土烘干至恒重，测量其含水率。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smmm。土恒重即认为是干土质量。对粘性土，sm实际上是土粒质量与强结合水质量之和，因强结合水需要温度高于120℃才能析出，故将其作为固体颗粒的一部分。第三节烘干法测定含水率一、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℃，控制温度的精度高于±2℃；2．天平：200g，感量0.01g。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、温度计等。二、操作步骤烘干法含水率试验操作主要步骤包括：1．取代表性试样15~30g，对于砾类土，取100g以上试样。放入铝盒内，迅速盖好盒盖，称量1m，准确至0.01g，称量结果减去铝盒质量0m，得到湿土质量01mmm；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3下烘至恒重所需时间由土类和烘箱构造决定。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，有机质土用65℃~70℃烘干需48小时以上；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2m，准确至0.01g。计算干土质量02mmms；4．按下式计算该试样的含水率：%100%1000221mmmmmmmss（1-2）5．按前面的步骤进行两次平行试验，当两次测定含水率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率。两次测定的差值允许范围为：含水率低于40%时，不得大于1%；含水率高于40%时，不得大于2%。本允许范围是对均质土而言，对原状土由于非均质，样筒上下水在重力作用下重新分布使含水率差值增大，可适当放宽平行试验差值允许范围。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）。含水率试验记录表格见表1-1所示。在填写原始记录表格过程中，要求使用黑色圆珠笔或钢笔填写，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，试验人员要签章。4第二章密度试验第一节概述土体的密度是土体直接测量所得的物理性质指标之一。土体密度大小与土的松紧程度、压缩性、抗剪强度等均有密切联系。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实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：vm（2-1）式中：——土样密度，单位g/cm3；m——土样质量，单位g；V——土样体积，单位cm3。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。工程中常用的土体在不同状态下的密度有干密度（d）、饱和密度（sat）、浮密度等。与密度相对应的常用指标——容重的定义为单位体积土体的重量。定义式为：gVmg（2-2）式中：——土样容重，单位3/mkN，工民建规范称作重度；g——重力加速度，一般取9.81m/s2；其余符号同前。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d、饱和容重sat、浮容重。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、灌砂法、灌水法等。第三节环刀法一、仪器设备环刀法测试土的密度需要如下设备：1．环刀：内径6.18cm，高2cm。体积定期校正为恒值，常用环刀体积为60cm3；2．天平：称量200g，感量0.01g。也可用称量1000g，感量0.1g的天平。3．附加设备：切土刀，钢丝锯，凡士林等。二、操作步骤1．取原状土或制务的扰动土样，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）将土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；42．用切下的代表性土样测定含水率；3．擦净环刀外壁，称环刀加土的质量1m，准确至0.1g；4．按下式计算试样密度和干密度：Vmm01（2-3）501.01d（2-4）式中：——试样密度，单位g/cm3；d——试样干密度，单位g/cm3；1m——环刀加试样质量，单位g；0m——环刀质量，单位g；V——环刀容积，单位cm3；——试样含水率，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，取其算术平均值作为试验结果。三、试验记录环刀法测定土的密度记录格式及成果可参考附表2-1。6第三章颗粒分析试验（不做）第一节概述颗粒分析试验是测定干土中各粒组含量占该土总质量的百分数。土的颗料大小、级配和粒组含量是土的工程分类的重要依据。土粒大小与土的矿物组成、力学性质、形成环境等均有直接联系。因此，土的颗料大小是土的重要特征。颗粒分析试验是土工基本试验之一，其成果的准确性常影响土工建筑物设计方案甚至稳定性。第二节试验原理土粒的粒径变化范围非常大（粒径由大于60mm到小于0.002mm），故对不同的粒组采用不同的试验方法：粗粒组一般用筛析法，细粒组采用密度计法或移液管法。不同的试验方法其试验原理也不同。一、粗粒组筛析法试验原理对于粒径大于0.075mm的粗粒土，一般采用筛析法分析土的颗粒大小。筛析法是采用不同孔径的分析筛，由上至下孔径自大到小叠在一起。试验时，取质量为sm的干土放入最上的筛里，通过筛析后，得到不同孔径筛上土质量sim，进而计算出粒组含量和累积含量。二、粗粒组密度计法试验原理司笃克斯（Stocks）研究微小球体在水中下沉时，发现球体的运动近似满足如下规律；1．小球体在水中沉降的速率是恒定的；2．小球体沉降速率大小与球体直径d的平方成正比。上述规律可用下式表示：241800dgGGvCwwts（4-1）式中：d——颗粒直径，mm；v——颗粒沉降速率，cm/s；Cw4——4℃时水的密度，34/0.1cmgCw；wtG——水温CT时水的比重；——水温CT时水的动力粘滞系数，skPa210；sG——土粒比重；g——重力加速度，2/81.9smg。由式（4-1）知，颗粒比重一定时，颗粒愈大，在水中沉降的速率愈快。现将一定质量sm的土与水搅拌成总体积为V的均匀悬液，然后观察悬液中颗粒下沉情况和悬液浓度的变化。为研究方便，取距悬液表面为L的薄层MN来分析，如图4—1所示。试验开始时（0t时刻），悬液均匀，悬液中自上至下各粒组均匀分布，然后土粒开始下沉，大颗粒下沉比较快，细颗粒下沉比较慢。设在itt时刻，idd的颗粒刚好从悬液表面下沉到MN层，那么该时刻在MN层中，没有idd的颗粒，而d≤id的颗粒浓度与起始时刻(0t相同)。因此，如果我们已知L，则idd颗粒下沉速度为：iitLv（4-2）将（4-2）代入（4-1）得：iitLkd1（4-3）7式中：1k——粒径计算系数gGGkCwwts411800与悬液温度和土粒比重有关，可由图4-6查出。式（4-3）将测量粒径id的问题转化为测定任一时刻it及相应落距L的问题。在密度计法颗粒分析试验中，不固定L，而是测量it时刻密度计读数ir，将L定义为密度计在液面读数ir至密度计浮泡形心距离iL，iL与ir的关系可通过密度计率定获得。现在若再算出d≤id的颗粒占总土质量百分含量iP，问题就解决了。由于itt时刻，距悬液表面为iL的MN层中，只有d≤id的颗粒存在，idd的颗粒浓度为零，d≤id的颗粒浓度iq与起始时刻（0t）相同。如果测出itt时刻MN层中d≤id的颗粒浓度iq，可以算出量筒中d≤id的颗粒质量sim为：Vqmisi（4-4）密度计法量测MN层（密度计形心处）的密度ir，密度ir与浓度iq成正比，见式（4-6）和（4-7）所示。在移液管法试验中，itt时刻，在MN层中吸取3cmVi的悬液，烘干后得到土粒质量为sim，则可计算出idd土粒浓度为：isiiVmq/。然后由式（4-4）计算d≤id的颗粒质量sim。移液管法计算土粒粒径的方法与密度计法相同。我们知道，量筒中土粒总质量为sm，因此，d≤id的颗粒百分含量iP为：%100%100sissiimVqmmP（4-5）式中：iP——d≤id的颗粒百分含量（％）；sim——量筒中d≤id的颗粒质量（g）；sm——量筒中土粒总质量（g）；iq——d≤id的颗粒浓度（g/cm3）；V——量筒中悬液体积（cm3）。·密度计浮泡形心处悬液浓度iq与密度计读数ir的关系为：甲种密度计：iwwssirGGGGVq65.265.212020（4-6）乙种密度计：120iwssirGGGq（4-7）式中：V——悬液体积（规范规定31000cmV）；sG——土粒比重（若未做比重试验，对粘土及粉质粘土可取2.70，砂土及粉土可取2.65）；20wG——20℃时水的比重（998232.020wG）；ir——it时刻经校正后的密度计读数，见试（4-10）。第三节筛析法一、仪器设备筛析法试验仪器主要包括：1．分析筛，分析筛据孔径大小分粗筛和细筛两类：土工试验中常用的粗筛一般为圆孔，孔径为100，80，60，40，20，10，5，2mm；细筛一般为方孔，等效孔径为2.0，1.0，0.5，0.25，0.10，0.075mm。不同国家和不同部门使用的分析筛孔径大小分级有些差别；2．分析天平，分析天平依称量范围和精度需要两种：（1）称量10kg，感量1g，（2）称量1000g，8感量0.1g；3．摇筛机，规范规定摇筛机能够在水平方向摇振，垂直方向拍击。摇振次数为100~200次/分钟，拍击次数为50~70次/分钟；4．辅助设备，辅助设备包括：烘箱、量筒、漏斗、瓷杯、研钵、瓷盘、毛刷、匙、木碾、白纸等。二、操作步骤筛析法试验步骤包括：1．从风干的松散土样中，用四分法取土。取土数量按表4-1执行；表4-1筛分法取土数量最大粒径（mm）210204040取样质量（g）100~300300~9001000~20002000~40004000以上2．将试样过2m