土工试验报告

研究生课程论文

(2015-2016学年第二学期)

土工实验报告书

研究生：

目录

第一章 颗粒分析试验 ............................................ 3

1.1 试验目的 ............................................................. 3 1.2 试验原理 ............................................................. 3 1.3 试验方法(密度计法) ................................................... 3 1.4 数据分析及处理 ....................................................... 8 1.5 实验分工与体会 ....................................................... 8 1.6 试验注意事项 ......................................................... 8

第二章 击实试验 ............................................... 11

2.1 试验目的 ............................................................ 11 2.2 试验原理 ............................................................ 11 2.3 试验适用范围 ........................................................ 11 2.4 仪器设备 ............................................................ 11 2.5 试样制备方法 ........................................................ 12 2.6 试验步骤 ............................................................ 12 2.7 计算制图及记录 ...................................................... 12 2.8 试验注意事项 ........................................................ 12

第三章 三轴压缩试验 ........................................... 17

3.1 试验目的 ............................................................ 17 3.2 试验原理 ............................................................ 17 3.3 适用范围 ............................................................ 17 3.4 试验方法 ............................................................ 17 3.5 仪器设备 ............................................................ 18 3.6 试验步骤 ............................................................ 18

3.6.1 试样制备 ...................................................... 18 3.6.2 试样饱和 ...................................................... 18 3.6.3 固结不排水剪试验 .............................................. 19 3.7 数据分析及处理 ...................................................... 30 3.8 实验相关问题的思考 .................................................. 30 3.9 实验注意事项 ........................................................ 30

第一章 颗粒分析试验

1.1 试验目的

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。测定土中各种粒组所占该土总质量的百分数，以便了解土的颗料大小、级配和粒组含量，并作为砂类土分类的依据以及供给土工建筑物选料之用。

1.2 试验原理

颗粒分析就是利用试验的方法，求出小于某种颗粒粒径的颗粒质量占总质量的百分数，以便了解土中各粒组的组成情况。

1.3 试验方法

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。 1.3.1 密度计法

（一）适用范围：粒径小于0.075mm的试样。 （二）仪器设备

1）甲种密度计：刻度单位以摄氏20℃时每1000mL悬液内所含土质量的克数表示，刻度—5℃~50℃，最小分度值为0.5℃.

2）量筒：高约420mm，内径约60mm，容积1000mL。刻度为0~1000mL，准确至10mL。 3）洗筛：孔径0.075mm。

4）洗筛漏斗：上口直径大于洗筛直径，下口直径略小于量筒内径。 5）天平：称量1000g，最小分度值0.1g；称量200g，最小分度值0.01g。 6）搅拌器：轮径50mm，孔径3mm，杆长约450mm，带螺旋叶。 7）煮沸设备：电砂浴

8）温度计：刻度0~50℃，最小分度值0.5℃。

9）其他：秒表、锥形瓶（容积500mL）、研钵、木杵等。

（三）分散剂：4%六偏磷酸钠溶液（溶解4g六偏磷酸钠于100mL水中）。

（四）操作步骤

1.称取2mm筛下干质量为30g的风干试样，其质量按下式计算：

m030(10.010)................................(1-4)

式中：m0——风干土质量(g)； 0——风干土含水率(%)。

2.将风干试样倒入锥形瓶，注入纯水200mL，浸泡过夜，然后置于煮沸设备上煮沸，煮沸时间宜为40min。

3.将冷却后的悬液移入烧杯中，静置1min，通过细筛漏斗将上部悬液过0.075mm筛，倒入量筒，遗留杯底沉淀物用带橡皮头研杵研散，再加适量水搅拌，静置1min，再将上部悬液过0.075mm筛，如此反复倾洗直至杯底砂粒洗净。当土中大于0.075mm的颗粒估计超过试样总质量的15%时，应将其全部倒至0.075mm筛上冲洗，直至筛上仅留大于0.075mm的颗粒为止。

注：整个过程中悬液不得超过1000mL

4.将筛上和杯中砂粒合并洗入蒸发皿中，倾去上部清水，烘干称量，按筛析法进行细筛分析，并计算各级颗粒占试样总质量的百分比。

5.将过筛悬液倒入量筒，加入4%六偏磷酸钠10mL，再注入纯水至1000mL。

6.将搅拌器放入量筒中，沿悬液深度上下搅拌1min，取出搅拌器，立即开动秒表，将密度计放入悬液中，测记0.5、1、2、5、15、30、60、120和1440min时的密度计读数。每次读数均应在预定时间前10~20s，将密度计放入悬液中。且接近读数的深度，保持密度计浮泡处在量筒中心，不得贴近量筒内壁。

7.密度计读数均以弯液面上缘为准。甲种密度计应准确至0.5。每次读数后，应取出密度计放入盛有纯水的量筒中，并应测定相应的悬液温度，准确至0.5℃，放入或取出密度计时，应小心轻放，不得扰动悬液。

（五）计算和制图

1.小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比应按下式计算：

X

100

CG(RmTnCD)................................(1-5) md

式中：X——小于某粒径的试样质量百分比（%）； md——试样干质量（g）； CG——土粒密度校正值，查表2-2；

R——甲种密度计读数；

mT——悬液温度校正值，查表2-3； n——弯月面校正值； CD——分散剂校正值。 2.试样颗粒粒径应按下式计算：

d

1800104L

...............................（1-6）

(GsGwT)wTgt

式中：d——试样颗粒粒径（mm）；

——水的动力粘滞系数（kPa•s10-6）； Gs——土粒密度；

GwT——温度为T℃时水的密度； wT——4℃时纯水的密度（g/cm3）； g——重力加速度（cm/s2）；

L——某一时间内的土粒沉降距离（cm）； t——沉降时间（s）。

土粒密度校正值 表1-2

温度校正值表 表1-3

3.为了简化计算，式（2-6）可写成：

dK

L

................................（1-7） t

1800104

式中：K——粒径计算系数，，与悬液温度和土粒密度有关。其值查表1-4。

(GsGwT)wTg

4.颗粒大小分布曲线，应按筛分法的步骤绘制，当密度计和筛分法联合分析时，鹰将试样总质量折算后绘制颗粒大小分布曲线；并应将两段曲线连成一条平滑的曲线。 （六）记录

本试验记录表格如表1-5所示

表1-5颗粒大小分析试验记录表（密度计法）

注：密度计土粒落距见附表1。

密度计法试验注意事项：密度计法主要运用斯托克定律，由于假定条件是球体表面光滑和液面无限伸展，都可能对土粒沉降产生影响；此外由于密度计的制造不一定规范，浮泡体积及刻度也不一定准确，当悬液中加入分散剂后密度增大，故需在使用前应对刻度及弯液面、土粒沉降距离、温度、分散剂等因素的影响进行校正。

1.4 数据分析及处理

1.根据试验筛分析法和密度计法得出的结果，可列出表1-6各粒径百分比含量。

总实验表格记录 表1-6

2.颗粒大小分布曲线

由表1-6中数据可以绘制该土样颗粒分布曲线，即下图：

图1-2颗粒分布曲线图

1.5 试验分工与体会

实验分工：

在实验过程中，最重要的部分就是筛分。由于需要手动操作，且操作时间较长（10分钟左右），为防止在筛分过程中出现土样蹦出的现象，所以我们组的五位成员互相轮换进行操作。

另外，在筛分前及筛分后对土样的称重操作中，小组成员分工明确，一人负责称重，一人负责读数，一人负责记录数据。

实验体会：

在颗粒分析实验中，我学会了用筛分发来分离不同粒径的土样，在使用筛子的过程中，明白了小组分工合作的重要性。如果只是一个人在进行筛分操作的话，不仅会让实验人非常地累，而且会降低实验效率；三个人轮换合作不仅让每一个小组成员都会有休息的时间，而且提高了实验效率。

实验前和实验后需要测量的数据较多，所以在记录数据前需要简单地画一个表格，以便于记录数据。同时，在称重时要细心，待示数稳定后再进行读数。

实验结束后，需要对所得数据进行分析处理，需绘制颗粒大小分布曲线。在绘图过程中要细致，在图中描出每一个实验数据所对应的点，然后用平滑的曲线连接。

1.6 试验注意事项

1）每次测得悬液密度后，均应将密度计轻轻放在盛水的量筒中。

2）读数要迅速准确，不宜将密度计在悬液中放置时间过久。在正式试验前，必须多次练习密度计的准确读数方法。

3）试验前，应将量筒放在固定平稳的地方，试验中不得移动，并保持悬液温度稳定。

第二章 击实试验

2.1 试验目的

在标准击实方法下测定土的最大干密度和最优含水率，是控制路堤、土坝或填土地基等密实度的重要指标。

2.2 试验原理

土的压实程度与含水率、压实功能和压实方法有密切的关系。当压实功能和压实方法不变时，土的干密度随含水率增加而增加，当干密度达到某一最大值后，含水率继续增加反而使干密度减小，能使土达到最大密度的含水率，称为最优含水率wop，与其相应的干密度称为最大干密度dmax。

2.3 试验适用范围

本试验分为轻型击实和重型击实。轻型击实试验适用于粒径小于5mm的粘性土，重型击实试验适用于粒径不大于20mm的土。采用三层击实时，最大粒径不大于40mm。

2.4 仪器设备

(1)标准击实仪。由击实筒、击锤和护筒等组成，主要参数应符合表4-1的规定。

击实仪主要部件规格表 表2-1

(2)天平：称量200g，最小分度值0.01g。 (3)台秤：称量10kg，最小分度值5g。 (4)圆孔筛：孔径为40mm、20mm和5mm。

(5)其他：烘箱、喷水设备、碾土设备、盛土盘、修土刀、推土器、铝盒和保湿设备等。

2.5 试样制备方法

（1）干法：用四分法取代表性土样20kg（重型为50kg），风干碾碎，过5mm（重型过20mm或40mm）筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的风干含水率。根据土的塑限预估最优含水率，并按本指导书第1.5条的步骤制备5个不同含水率的一组试样，相邻2各含水率的差值宜为2％～3％。

注：轻型击实中5个含水率中应有2个大于塑限，2个小于塑限，1个接近塑限。

（2）湿法：取天然含水率的代表性土样20kg（重型为50kg），碾碎，过5mm筛（重型过20mm或40mm），将筛下土样拌匀，并测定土样的天然含水率。根据土样的塑限预估最优含水率，按（1）条的原则选择至少5个含水率的土样，分别将天然含水率的土样风干或加水进行制备，应使制备好的土样水分均匀分布。

2.6 试验步骤

（1）将击实仪平稳置于刚性基础上，击实筒与底座连接好，安装好护筒，在击实筒内壁均匀涂一薄层润滑油。称取一定量试样，倒入击实筒内，分层击实，轻型击实试样为2～5kg，分3层，每层25击；重型击实试验为4～10kg，分5层，每层56击，若分3层，每层94击。每层试样高度宜相等，两层交界处的土面应刨毛。击实完成时，超出击实筒顶的试样高度应小于6mm。

（2）卸下护筒，用直刮刀修平击实筒顶部的试样，拆除底板，试样底部若超出筒外，也应修平，擦净筒外壁，称筒和试样的总质量，准确至1g，并计算试样的湿密度。

（3）用推土器将试样从击实筒中推出，取2个代表性试样测定含水率，2个含水率的差值应不大于1％。

（4）对不同含水率的试样依次击实。

2.7 计算制图及记录

（1）按下式计算击实后各点的干密度：

d

式中：d——干密度（g/cm3）； ——湿密度（g/cm3）； wi——某点试样的含水率（%）。



10.01wi

................................（2-1）

（2）以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度和含水率的关系曲线（图2-1），曲线上峰值点的纵、横坐标分别为最大干密度和最优含水率。如曲线不能绘出明显的峰值点，应进行补点或重做。

（3）气体体积等于零（即饱和度100％）的等直线应按下式计算，并应将计算值绘于图4-1的关系曲线上。

w1

wset100..........................（2-2） 

dGs

式中：wset——试样的饱和含水率（%）； w——温度4℃时水的密度（g/cm3）； d——试样的干密度（g/cm3）； Gs——土颗粒比重。

图2-1含水率和干密度的关系曲线

（4）轻型击实试验中，当试样中粒径大于5mm的土质量小于或等于试样总质量的30％时，应对最大干密度和最优含水率进行校正。 a.最大干密度按下式校正：

dmax

1

1P5

P5



wGS2

........................(2-3)

dmax

——校正后试样的最大干密度（g/cm3）； 式中：dmax

P5——粒径大于5mm土的质量百分率（%）； GS2——粒径大于5mm土粒的饱和面干比重。 b.最优含水率应按下式进行校正：

wopt(1Pwopt5)P5wab........................（2-4）

——校正后试样的最优含水率（%）； 式中：wopt

wopt——击实试验的最优含水率（%）； wab——粒径大于5mm土粒的吸着含水率（%）

本试验记录格式如表2-2。

击实试验记录表 表2-2

15

含水率与干密度关系曲线图：

图2-2含水率和干密度的关系曲线

2.8 击实试验注意事项

1）试验试验操作必须严格按照规范。首先，击实试验份数不应过少，在《公路土工试验规程》及《公路工程无机结合料稳定性试验规程》中都明确规定不少于5份；其次，每份含水量之差应尽量保持在1%-3%之间而不应过大或过小，尤其在最佳含水量附近更应保持此界线。如果含水量之差过大，标准击实曲线就会出现漏点，而含水量之差过小，就会出现重复点，无论过大还是过小都直接影响着最大干容重的准确性；最后，击实完毕测定含水量时试验数量必须达到规范要求且计算必需满足精度要求。

2）用土，一般采用风干土做实验，也有采用烘干土做实验的。实践证明，用烘干土做实验得到的最佳含水率比用风干土的小，而最大干容重则偏大。以风干土做实验为合理。 2）击实筒一般应放在混凝土地面上进行；

3）应控制击实容器中的余土高度符合试验规定，否则试验无效；

4）击实结果绘成击实曲线，曲线必须圆滑准确，且最大干容重不是五个试验点中干容重最大的一个，而是曲线峰值点。在作击实曲线时，首先，曲线应圆滑，如个别点出现折线状，必须在该点处补点重做；其次，曲线峰值必须突出，如果按不同的画法会画出不同的峰值点，则应再按峰值含水量拌制试样并确定真正的峰值点；最后，曲线峰值点两侧点数均衡，且一侧至少有两个击实对应点，如点数不足应补点。

第三章 三轴压缩试验

3.1 试验目的

三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法。对堤坝填方、路堑、岸坡等是否稳定，挡土墙和建筑物地基是否能承受一定的荷载，都与土的抗剪强度有密切的关系。

三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法，它通常用3～4个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力（即小主应力3）下，施加轴向压力[即产生主应力差（1-3）]，进行剪切直至破坏；然后根据摩尔～库伦理论，求得抗剪强度参数。

3.2 试验原理

土的抗剪强度是土体抵抗破坏的极限能力，即土体在各向主应力的作用下，在某一应力面上的剪应力（）与法向应力（）之比达到某一比值，土体就将沿该面发生剪切破坏。常规的三轴压缩试验是取3-4个圆柱体试样，分别在其四周施加不同的周围压力（即小主应力）3，随后逐渐增加轴向压力（即大主应力）1直至破坏为止。根据破坏时的大主应力与小主应力分别绘制莫尔圆，莫尔圆的切线就是剪应力与法向应力的关系曲线。

3.3 适用范围

本试验适用于测定细粒土和粒径小于20mm的粗粒土的总抗剪强度参数和有效抗剪强度参数。

3.4 试验方法

本试验采用CU固结不排水剪试验方法。

固结不排水剪（CU）试验是试样先在某一周围压力作用下排水固结，然后在保持不排水的情况下，增加轴向压力直至破坏。此试验可测得总抗剪强度参数ccu、cu或有效抗剪强度参数c、和孔隙压力系数。

本试验制备5个性质相同的试样，在不同的周围压力下进行试验。周围压力宜根据工程实际荷重确定。最大一级周围压力应与最大的实际荷载重大致相等。试验宜在恒温条件下进行。

3.5 仪器设备

（1）应变控制式三轴仪：由压力室、轴向加压设备、周围压力系统、反压力系统、孔隙水压力量测系统、轴向变形和体积变化量测系统组成（图3–1）。

图3−1应变控制式三轴仪

1—周围压力系统；2—周围压力阀；3—排水阀；4—体变管；5—排水管；

6—轴向位移表；7—测力计；8—排气孔；9—轴向加压设备；10—压力室；11—孔压阀； 12—量管阀；13—孔压传感器；14—量管；15—孔压量测系统；16—离合器；17—手轮

（2）附属设备：包括击样器、饱和器、切土器、原状土分样器、切土盘、承膜筒和对开圆膜等。 （3）天平：称量200g，分度值0.01g；称量1000g，分度值0.1g。 （4）其它：橡皮膜、透水板等。

3.6 试验步骤

3.6.1 试样制备

（1）本试验应制备3～4个试样。将试样制成最小直径为39.1mm，最大直径为101mm的圆柱形试样。试样高度为其直径的2～2.5倍。

（2）取出试样，按规定的高度将两端削平、称量。并取余土测定试样的含水率。 3.6.2 试样饱和

包括：抽气饱和、水头饱和及反压饱和等。常用的是抽气饱和法：即将制备好的试样装入饱和器内，置于抽气缸中进行抽气。当真空度接近一个大气压后，对粉质土继续抽气半小时以上，粘质土抽

气1小时以上，密实的粘质土抽气2小时以上，然后向抽气缸内徐徐注入清水，并使真空度保持稳定，待饱和器完全浸入水中时，停止抽气，解除抽气缸内的真空，让试样在清水中静泡10小时以上，然后取出试样称重、备用。 3.6.3 固结不排水剪试验

（1）试样安装前开孔隙压力阀及量管阀，使仪器底座充水排气，然后关闭阀门。将煮沸过的透水石滑入仪器底座上，放置湿滤纸在试样的上下两端，试样上端亦放一透水石，试样周围贴上7～9条宽度为6mm左右浸湿的滤纸，套上橡皮膜，并将橡皮膜下端用橡皮圈与底座扎紧。

（2）打开孔隙压力阀和量管阀，使水缓缓地从试样底部流人，排除橡皮膜与试样间的气体，关孔隙压力阀和量管阀。

（3）打开排水阀，使试样帽中充水，并置于透水石上，用橡皮圈将橡皮膜上端与底座扎紧。 （4）降低排水管，使其水面至试样中心高程以下20～40cm，关排水阀。

（5）装上压力室并注满水，调整排水管使其水面与试样中心高度齐平，测记其水面读数。 （6）使量管水面位于试样中心高度处。开孔隙压力阀，记录孔隙压力表初始读数，然后关孔隙压力阀。

（7）施加所需围压，调整各量表。

（8）调整孔隙压力表读数至接近该级围压大小，缓缓打开孔压阀，测记稳定后的孔压读数。 （9）打开排水阀，试样固结，直至孔隙压力消散达到95%以上。固结完成后，关排水阀，测记孔隙水压力和排水管读数。

（10）剪切应变速率粘土宜为每分钟应变0.05～0.1%；粉土为每分钟应变0.1～0.5%进行剪切，剪切时的要求同不固结不排水剪。

（11）在不同的围压下进行其它几个试样的试验。 （12）试样固结后的高度

hch0(1

V1/3

)........、....................（3–4） V0

式中：hc——试样固结后的高度（cm）；

△V——试样固结后与固结前的体积变化（cm3）。 （13）试样固结后的面积

AcA0(1

V2/3

).....、.....................（3–5） V0

式中：Ac——试样固结后的断面积（cm2）。 （14）试样面积的校正

Aa

A0

.........、.......................（3–6） 11

1

（15）主应力差按（5–3）式计算。 （16）有效主应力比

h

.........、.........................（3–7） h0

'11u.........、.....................（3–8）

式中：'1——有效大主应力（kPa）；

u——孔隙水压力（kPa）。

'33u...............................（3–9）

式中：'3——有效小主应力（kPa）。

''3'1

11.........................（3–10） '3'3

（17）绘制主应力差与轴向应变关系曲线，方法同不固结不排水剪试验。

（18）以有效应力比为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制有效应力比与轴向应变关系曲线（图3–4）。

图3−4有效应力比与轴向应变关系曲线

（19）以孔隙水压力为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制孔隙水压力与轴向应变关系曲线（图3–5）。

图3−5孔隙水压力与轴向应变关系曲线

（20）以'1'3

2为纵坐标，以'1'3

2为横坐标，绘制有效应力路径曲线（图3–6），并计算

有效内摩擦角和有效粘聚力。

图3−6应力路径曲线

（21）以主应力差或有效应力比的峰值为破坏点，无峰值时，取轴向应变15%时的主应力差值为破坏点，绘制破损应力圆及不同周围压力下破损应力圆的包线，求出总应力强度参数；有效内摩擦角和有效粘聚力，应以'1'3

2为圆心，以'1'3

2为半径，绘制固结不排水剪强度包线，确定有效破损

应力圆（图3–7）。

图5−7固结不排水剪强度包线

3.7 数据分析与处理

3.8 实验相关问题的思考

3.8.1 什么是土的固结理论

土体在外加荷载作用下，由于孔隙比减少而压密变形，同时提高了强度。对于饱和土，只有当孔隙水挤出以后，变形才能产生。开始时，土中应力全部由孔隙水承担。随着孔隙水的挤出，孔隙水压力逐步转变为由土骨架承受的有效应力。研究这两种应力的相互消长以及土体变形达到最终值的过程，称为固结理论。

3.8.2 为什么要用饱和土

土试样的初始基质吸力高，而试验可能在较低基质吸力下进行，而太高的基质吸力会对试验测试数据引起较大的误差，故有时候需要解除高的初始基质吸力，故一般是先将天然土饱和使得基质吸力降低或为零。

基质吸力：非饱和土的孔隙中不但充填有水，而且还有空气，水——气分界面（收缩膜）具有表面张力，在非饱和土中，孔隙气压力与孔隙水压力不相等，并且孔隙气压力大于孔隙水压力，收缩膜承受着大于水压力的空气压力，这个压力差值称为基质吸力。

3.9 试验注意事项

1）首先要注意轴向加荷速率即剪切应变速率的影响。对于固结排水试验，要选择缓慢的剪切应变速率；

2）其次在进行固结不排水试验中，为了加速试样的固结，一般需要在试样外贴滤纸条，通常采用让滤纸条上下均与透水版相连的贴法；

3）拆样时，要注意饱和器的三片铁片只能上下移动，不能垂直于土样轴线前后移动；

4）制样时，每层击实后一定要将表面刨毛，这样有利于土样的整体完整，在试验过程中也可减少出现断样的情况；

5）装样时，排气要充分且不能让土样断裂，同时要注意各个阀门的开闭状态是否正确，否则很可能照成孔隙压力与轴向应变关系曲线不正确；

6）最后要考虑橡皮膜对试验的影响，通常需要进行结果的校正，在实际工程中是否进行校正，必须按试验的目的和要求确定。

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第一章 颗粒分析试验 ............................................ 3

1.1 试验目的 ............................................................. 3 1.2 试验原理 ............................................................. 3 1.3 试验方法(密度计法) ................................................... 3 1.4 数据分析及处理 ....................................................... 8 1.5 实验分工与体会 ....................................................... 8 1.6 试验注意事项 ......................................................... 8

第二章 击实试验 ............................................... 11

2.1 试验目的 ............................................................ 11 2.2 试验原理 ............................................................ 11 2.3 试验适用范围 ........................................................ 11 2.4 仪器设备 ............................................................ 11 2.5 试样制备方法 ........................................................ 12 2.6 试验步骤 ............................................................ 12 2.7 计算制图及记录 ...................................................... 12 2.8 试验注意事项 ........................................................ 12

第三章 三轴压缩试验 ........................................... 17

3.1 试验目的 ............................................................ 17 3.2 试验原理 ............................................................ 17 3.3 适用范围 ............................................................ 17 3.4 试验方法 ............................................................ 17 3.5 仪器设备 ............................................................ 18 3.6 试验步骤 ............................................................ 18

3.6.1 试样制备 ...................................................... 18 3.6.2 试样饱和 ...................................................... 18 3.6.3 固结不排水剪试验 .............................................. 19 3.7 数据分析及处理 ...................................................... 30 3.8 实验相关问题的思考 .................................................. 30 3.9 实验注意事项 ........................................................ 30

第一章 颗粒分析试验

1.1 试验目的

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。测定土中各种粒组所占该土总质量的百分数，以便了解土的颗料大小、级配和粒组含量，并作为砂类土分类的依据以及供给土工建筑物选料之用。

1.2 试验原理

颗粒分析就是利用试验的方法，求出小于某种颗粒粒径的颗粒质量占总质量的百分数，以便了解土中各粒组的组成情况。

1.3 试验方法

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。 1.3.1 密度计法

（一）适用范围：粒径小于0.075mm的试样。 （二）仪器设备

1）甲种密度计：刻度单位以摄氏20℃时每1000mL悬液内所含土质量的克数表示，刻度—5℃~50℃，最小分度值为0.5℃.

2）量筒：高约420mm，内径约60mm，容积1000mL。刻度为0~1000mL，准确至10mL。 3）洗筛：孔径0.075mm。

4）洗筛漏斗：上口直径大于洗筛直径，下口直径略小于量筒内径。 5）天平：称量1000g，最小分度值0.1g；称量200g，最小分度值0.01g。 6）搅拌器：轮径50mm，孔径3mm，杆长约450mm，带螺旋叶。 7）煮沸设备：电砂浴

8）温度计：刻度0~50℃，最小分度值0.5℃。

9）其他：秒表、锥形瓶（容积500mL）、研钵、木杵等。

（三）分散剂：4%六偏磷酸钠溶液（溶解4g六偏磷酸钠于100mL水中）。

（四）操作步骤

1.称取2mm筛下干质量为30g的风干试样，其质量按下式计算：

m030(10.010)................................(1-4)

式中：m0——风干土质量(g)； 0——风干土含水率(%)。

2.将风干试样倒入锥形瓶，注入纯水200mL，浸泡过夜，然后置于煮沸设备上煮沸，煮沸时间宜为40min。

3.将冷却后的悬液移入烧杯中，静置1min，通过细筛漏斗将上部悬液过0.075mm筛，倒入量筒，遗留杯底沉淀物用带橡皮头研杵研散，再加适量水搅拌，静置1min，再将上部悬液过0.075mm筛，如此反复倾洗直至杯底砂粒洗净。当土中大于0.075mm的颗粒估计超过试样总质量的15%时，应将其全部倒至0.075mm筛上冲洗，直至筛上仅留大于0.075mm的颗粒为止。

注：整个过程中悬液不得超过1000mL

4.将筛上和杯中砂粒合并洗入蒸发皿中，倾去上部清水，烘干称量，按筛析法进行细筛分析，并计算各级颗粒占试样总质量的百分比。

5.将过筛悬液倒入量筒，加入4%六偏磷酸钠10mL，再注入纯水至1000mL。

6.将搅拌器放入量筒中，沿悬液深度上下搅拌1min，取出搅拌器，立即开动秒表，将密度计放入悬液中，测记0.5、1、2、5、15、30、60、120和1440min时的密度计读数。每次读数均应在预定时间前10~20s，将密度计放入悬液中。且接近读数的深度，保持密度计浮泡处在量筒中心，不得贴近量筒内壁。

7.密度计读数均以弯液面上缘为准。甲种密度计应准确至0.5。每次读数后，应取出密度计放入盛有纯水的量筒中，并应测定相应的悬液温度，准确至0.5℃，放入或取出密度计时，应小心轻放，不得扰动悬液。

（五）计算和制图

1.小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比应按下式计算：

X

100

CG(RmTnCD)................................(1-5) md

式中：X——小于某粒径的试样质量百分比（%）； md——试样干质量（g）； CG——土粒密度校正值，查表2-2；

R——甲种密度计读数；

mT——悬液温度校正值，查表2-3； n——弯月面校正值； CD——分散剂校正值。 2.试样颗粒粒径应按下式计算：

d

1800104L

...............................（1-6）

(GsGwT)wTgt

式中：d——试样颗粒粒径（mm）；

——水的动力粘滞系数（kPa•s10-6）； Gs——土粒密度；

GwT——温度为T℃时水的密度； wT——4℃时纯水的密度（g/cm3）； g——重力加速度（cm/s2）；

L——某一时间内的土粒沉降距离（cm）； t——沉降时间（s）。

土粒密度校正值 表1-2

温度校正值表 表1-3

3.为了简化计算，式（2-6）可写成：

dK

L

................................（1-7） t

1800104

式中：K——粒径计算系数，，与悬液温度和土粒密度有关。其值查表1-4。

(GsGwT)wTg

4.颗粒大小分布曲线，应按筛分法的步骤绘制，当密度计和筛分法联合分析时，鹰将试样总质量折算后绘制颗粒大小分布曲线；并应将两段曲线连成一条平滑的曲线。 （六）记录

本试验记录表格如表1-5所示

表1-5颗粒大小分析试验记录表（密度计法）

注：密度计土粒落距见附表1。

密度计法试验注意事项：密度计法主要运用斯托克定律，由于假定条件是球体表面光滑和液面无限伸展，都可能对土粒沉降产生影响；此外由于密度计的制造不一定规范，浮泡体积及刻度也不一定准确，当悬液中加入分散剂后密度增大，故需在使用前应对刻度及弯液面、土粒沉降距离、温度、分散剂等因素的影响进行校正。

1.4 数据分析及处理

1.根据试验筛分析法和密度计法得出的结果，可列出表1-6各粒径百分比含量。

总实验表格记录 表1-6

2.颗粒大小分布曲线

由表1-6中数据可以绘制该土样颗粒分布曲线，即下图：

图1-2颗粒分布曲线图

1.5 试验分工与体会

实验分工：

在实验过程中，最重要的部分就是筛分。由于需要手动操作，且操作时间较长（10分钟左右），为防止在筛分过程中出现土样蹦出的现象，所以我们组的五位成员互相轮换进行操作。

另外，在筛分前及筛分后对土样的称重操作中，小组成员分工明确，一人负责称重，一人负责读数，一人负责记录数据。

实验体会：

在颗粒分析实验中，我学会了用筛分发来分离不同粒径的土样，在使用筛子的过程中，明白了小组分工合作的重要性。如果只是一个人在进行筛分操作的话，不仅会让实验人非常地累，而且会降低实验效率；三个人轮换合作不仅让每一个小组成员都会有休息的时间，而且提高了实验效率。

实验前和实验后需要测量的数据较多，所以在记录数据前需要简单地画一个表格，以便于记录数据。同时，在称重时要细心，待示数稳定后再进行读数。

实验结束后，需要对所得数据进行分析处理，需绘制颗粒大小分布曲线。在绘图过程中要细致，在图中描出每一个实验数据所对应的点，然后用平滑的曲线连接。

1.6 试验注意事项

1）每次测得悬液密度后，均应将密度计轻轻放在盛水的量筒中。

2）读数要迅速准确，不宜将密度计在悬液中放置时间过久。在正式试验前，必须多次练习密度计的准确读数方法。

3）试验前，应将量筒放在固定平稳的地方，试验中不得移动，并保持悬液温度稳定。

第二章 击实试验

2.1 试验目的

在标准击实方法下测定土的最大干密度和最优含水率，是控制路堤、土坝或填土地基等密实度的重要指标。

2.2 试验原理

土的压实程度与含水率、压实功能和压实方法有密切的关系。当压实功能和压实方法不变时，土的干密度随含水率增加而增加，当干密度达到某一最大值后，含水率继续增加反而使干密度减小，能使土达到最大密度的含水率，称为最优含水率wop，与其相应的干密度称为最大干密度dmax。

2.3 试验适用范围

本试验分为轻型击实和重型击实。轻型击实试验适用于粒径小于5mm的粘性土，重型击实试验适用于粒径不大于20mm的土。采用三层击实时，最大粒径不大于40mm。

2.4 仪器设备

(1)标准击实仪。由击实筒、击锤和护筒等组成，主要参数应符合表4-1的规定。

击实仪主要部件规格表 表2-1

(2)天平：称量200g，最小分度值0.01g。 (3)台秤：称量10kg，最小分度值5g。 (4)圆孔筛：孔径为40mm、20mm和5mm。

(5)其他：烘箱、喷水设备、碾土设备、盛土盘、修土刀、推土器、铝盒和保湿设备等。

2.5 试样制备方法

（1）干法：用四分法取代表性土样20kg（重型为50kg），风干碾碎，过5mm（重型过20mm或40mm）筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的风干含水率。根据土的塑限预估最优含水率，并按本指导书第1.5条的步骤制备5个不同含水率的一组试样，相邻2各含水率的差值宜为2％～3％。

注：轻型击实中5个含水率中应有2个大于塑限，2个小于塑限，1个接近塑限。

（2）湿法：取天然含水率的代表性土样20kg（重型为50kg），碾碎，过5mm筛（重型过20mm或40mm），将筛下土样拌匀，并测定土样的天然含水率。根据土样的塑限预估最优含水率，按（1）条的原则选择至少5个含水率的土样，分别将天然含水率的土样风干或加水进行制备，应使制备好的土样水分均匀分布。

2.6 试验步骤

（1）将击实仪平稳置于刚性基础上，击实筒与底座连接好，安装好护筒，在击实筒内壁均匀涂一薄层润滑油。称取一定量试样，倒入击实筒内，分层击实，轻型击实试样为2～5kg，分3层，每层25击；重型击实试验为4～10kg，分5层，每层56击，若分3层，每层94击。每层试样高度宜相等，两层交界处的土面应刨毛。击实完成时，超出击实筒顶的试样高度应小于6mm。

（2）卸下护筒，用直刮刀修平击实筒顶部的试样，拆除底板，试样底部若超出筒外，也应修平，擦净筒外壁，称筒和试样的总质量，准确至1g，并计算试样的湿密度。

（3）用推土器将试样从击实筒中推出，取2个代表性试样测定含水率，2个含水率的差值应不大于1％。

（4）对不同含水率的试样依次击实。

2.7 计算制图及记录

（1）按下式计算击实后各点的干密度：

d

式中：d——干密度（g/cm3）； ——湿密度（g/cm3）； wi——某点试样的含水率（%）。



10.01wi

................................（2-1）

（2）以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度和含水率的关系曲线（图2-1），曲线上峰值点的纵、横坐标分别为最大干密度和最优含水率。如曲线不能绘出明显的峰值点，应进行补点或重做。

（3）气体体积等于零（即饱和度100％）的等直线应按下式计算，并应将计算值绘于图4-1的关系曲线上。

w1

wset100..........................（2-2） 

dGs

式中：wset——试样的饱和含水率（%）； w——温度4℃时水的密度（g/cm3）； d——试样的干密度（g/cm3）； Gs——土颗粒比重。

图2-1含水率和干密度的关系曲线

（4）轻型击实试验中，当试样中粒径大于5mm的土质量小于或等于试样总质量的30％时，应对最大干密度和最优含水率进行校正。 a.最大干密度按下式校正：

dmax

1

1P5

P5



wGS2

........................(2-3)

dmax

——校正后试样的最大干密度（g/cm3）； 式中：dmax

P5——粒径大于5mm土的质量百分率（%）； GS2——粒径大于5mm土粒的饱和面干比重。 b.最优含水率应按下式进行校正：

wopt(1Pwopt5)P5wab........................（2-4）

——校正后试样的最优含水率（%）； 式中：wopt

wopt——击实试验的最优含水率（%）； wab——粒径大于5mm土粒的吸着含水率（%）

本试验记录格式如表2-2。

击实试验记录表 表2-2

15

含水率与干密度关系曲线图：

图2-2含水率和干密度的关系曲线

2.8 击实试验注意事项

1）试验试验操作必须严格按照规范。首先，击实试验份数不应过少，在《公路土工试验规程》及《公路工程无机结合料稳定性试验规程》中都明确规定不少于5份；其次，每份含水量之差应尽量保持在1%-3%之间而不应过大或过小，尤其在最佳含水量附近更应保持此界线。如果含水量之差过大，标准击实曲线就会出现漏点，而含水量之差过小，就会出现重复点，无论过大还是过小都直接影响着最大干容重的准确性；最后，击实完毕测定含水量时试验数量必须达到规范要求且计算必需满足精度要求。

2）用土，一般采用风干土做实验，也有采用烘干土做实验的。实践证明，用烘干土做实验得到的最佳含水率比用风干土的小，而最大干容重则偏大。以风干土做实验为合理。 2）击实筒一般应放在混凝土地面上进行；

3）应控制击实容器中的余土高度符合试验规定，否则试验无效；

4）击实结果绘成击实曲线，曲线必须圆滑准确，且最大干容重不是五个试验点中干容重最大的一个，而是曲线峰值点。在作击实曲线时，首先，曲线应圆滑，如个别点出现折线状，必须在该点处补点重做；其次，曲线峰值必须突出，如果按不同的画法会画出不同的峰值点，则应再按峰值含水量拌制试样并确定真正的峰值点；最后，曲线峰值点两侧点数均衡，且一侧至少有两个击实对应点，如点数不足应补点。

第三章 三轴压缩试验

3.1 试验目的

三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法。对堤坝填方、路堑、岸坡等是否稳定，挡土墙和建筑物地基是否能承受一定的荷载，都与土的抗剪强度有密切的关系。

三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法，它通常用3～4个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力（即小主应力3）下，施加轴向压力[即产生主应力差（1-3）]，进行剪切直至破坏；然后根据摩尔～库伦理论，求得抗剪强度参数。

3.2 试验原理

土的抗剪强度是土体抵抗破坏的极限能力，即土体在各向主应力的作用下，在某一应力面上的剪应力（）与法向应力（）之比达到某一比值，土体就将沿该面发生剪切破坏。常规的三轴压缩试验是取3-4个圆柱体试样，分别在其四周施加不同的周围压力（即小主应力）3，随后逐渐增加轴向压力（即大主应力）1直至破坏为止。根据破坏时的大主应力与小主应力分别绘制莫尔圆，莫尔圆的切线就是剪应力与法向应力的关系曲线。

3.3 适用范围

本试验适用于测定细粒土和粒径小于20mm的粗粒土的总抗剪强度参数和有效抗剪强度参数。

3.4 试验方法

本试验采用CU固结不排水剪试验方法。

固结不排水剪（CU）试验是试样先在某一周围压力作用下排水固结，然后在保持不排水的情况下，增加轴向压力直至破坏。此试验可测得总抗剪强度参数ccu、cu或有效抗剪强度参数c、和孔隙压力系数。

本试验制备5个性质相同的试样，在不同的周围压力下进行试验。周围压力宜根据工程实际荷重确定。最大一级周围压力应与最大的实际荷载重大致相等。试验宜在恒温条件下进行。

3.5 仪器设备

（1）应变控制式三轴仪：由压力室、轴向加压设备、周围压力系统、反压力系统、孔隙水压力量测系统、轴向变形和体积变化量测系统组成（图3–1）。

图3−1应变控制式三轴仪

1—周围压力系统；2—周围压力阀；3—排水阀；4—体变管；5—排水管；

6—轴向位移表；7—测力计；8—排气孔；9—轴向加压设备；10—压力室；11—孔压阀； 12—量管阀；13—孔压传感器；14—量管；15—孔压量测系统；16—离合器；17—手轮

（2）附属设备：包括击样器、饱和器、切土器、原状土分样器、切土盘、承膜筒和对开圆膜等。 （3）天平：称量200g，分度值0.01g；称量1000g，分度值0.1g。 （4）其它：橡皮膜、透水板等。

3.6 试验步骤

3.6.1 试样制备

（1）本试验应制备3～4个试样。将试样制成最小直径为39.1mm，最大直径为101mm的圆柱形试样。试样高度为其直径的2～2.5倍。

（2）取出试样，按规定的高度将两端削平、称量。并取余土测定试样的含水率。 3.6.2 试样饱和

包括：抽气饱和、水头饱和及反压饱和等。常用的是抽气饱和法：即将制备好的试样装入饱和器内，置于抽气缸中进行抽气。当真空度接近一个大气压后，对粉质土继续抽气半小时以上，粘质土抽

气1小时以上，密实的粘质土抽气2小时以上，然后向抽气缸内徐徐注入清水，并使真空度保持稳定，待饱和器完全浸入水中时，停止抽气，解除抽气缸内的真空，让试样在清水中静泡10小时以上，然后取出试样称重、备用。 3.6.3 固结不排水剪试验

（1）试样安装前开孔隙压力阀及量管阀，使仪器底座充水排气，然后关闭阀门。将煮沸过的透水石滑入仪器底座上，放置湿滤纸在试样的上下两端，试样上端亦放一透水石，试样周围贴上7～9条宽度为6mm左右浸湿的滤纸，套上橡皮膜，并将橡皮膜下端用橡皮圈与底座扎紧。

（2）打开孔隙压力阀和量管阀，使水缓缓地从试样底部流人，排除橡皮膜与试样间的气体，关孔隙压力阀和量管阀。

（3）打开排水阀，使试样帽中充水，并置于透水石上，用橡皮圈将橡皮膜上端与底座扎紧。 （4）降低排水管，使其水面至试样中心高程以下20～40cm，关排水阀。

（5）装上压力室并注满水，调整排水管使其水面与试样中心高度齐平，测记其水面读数。 （6）使量管水面位于试样中心高度处。开孔隙压力阀，记录孔隙压力表初始读数，然后关孔隙压力阀。

（7）施加所需围压，调整各量表。

（8）调整孔隙压力表读数至接近该级围压大小，缓缓打开孔压阀，测记稳定后的孔压读数。 （9）打开排水阀，试样固结，直至孔隙压力消散达到95%以上。固结完成后，关排水阀，测记孔隙水压力和排水管读数。

（10）剪切应变速率粘土宜为每分钟应变0.05～0.1%；粉土为每分钟应变0.1～0.5%进行剪切，剪切时的要求同不固结不排水剪。

（11）在不同的围压下进行其它几个试样的试验。 （12）试样固结后的高度

hch0(1

V1/3

)........、....................（3–4） V0

式中：hc——试样固结后的高度（cm）；

△V——试样固结后与固结前的体积变化（cm3）。 （13）试样固结后的面积

AcA0(1

V2/3

).....、.....................（3–5） V0

式中：Ac——试样固结后的断面积（cm2）。 （14）试样面积的校正

Aa

A0

.........、.......................（3–6） 11

1

（15）主应力差按（5–3）式计算。 （16）有效主应力比

h

.........、.........................（3–7） h0

'11u.........、.....................（3–8）

式中：'1——有效大主应力（kPa）；

u——孔隙水压力（kPa）。

'33u...............................（3–9）

式中：'3——有效小主应力（kPa）。

''3'1

11.........................（3–10） '3'3

（17）绘制主应力差与轴向应变关系曲线，方法同不固结不排水剪试验。

（18）以有效应力比为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制有效应力比与轴向应变关系曲线（图3–4）。

图3−4有效应力比与轴向应变关系曲线

（19）以孔隙水压力为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制孔隙水压力与轴向应变关系曲线（图3–5）。

图3−5孔隙水压力与轴向应变关系曲线

（20）以'1'3

2为纵坐标，以'1'3

2为横坐标，绘制有效应力路径曲线（图3–6），并计算

有效内摩擦角和有效粘聚力。

图3−6应力路径曲线

（21）以主应力差或有效应力比的峰值为破坏点，无峰值时，取轴向应变15%时的主应力差值为破坏点，绘制破损应力圆及不同周围压力下破损应力圆的包线，求出总应力强度参数；有效内摩擦角和有效粘聚力，应以'1'3

2为圆心，以'1'3

2为半径，绘制固结不排水剪强度包线，确定有效破损

应力圆（图3–7）。

图5−7固结不排水剪强度包线

3.7 数据分析与处理

3.8 实验相关问题的思考

3.8.1 什么是土的固结理论

土体在外加荷载作用下，由于孔隙比减少而压密变形，同时提高了强度。对于饱和土，只有当孔隙水挤出以后，变形才能产生。开始时，土中应力全部由孔隙水承担。随着孔隙水的挤出，孔隙水压力逐步转变为由土骨架承受的有效应力。研究这两种应力的相互消长以及土体变形达到最终值的过程，称为固结理论。

3.8.2 为什么要用饱和土

土试样的初始基质吸力高，而试验可能在较低基质吸力下进行，而太高的基质吸力会对试验测试数据引起较大的误差，故有时候需要解除高的初始基质吸力，故一般是先将天然土饱和使得基质吸力降低或为零。

基质吸力：非饱和土的孔隙中不但充填有水，而且还有空气，水——气分界面（收缩膜）具有表面张力，在非饱和土中，孔隙气压力与孔隙水压力不相等，并且孔隙气压力大于孔隙水压力，收缩膜承受着大于水压力的空气压力，这个压力差值称为基质吸力。

3.9 试验注意事项

1）首先要注意轴向加荷速率即剪切应变速率的影响。对于固结排水试验，要选择缓慢的剪切应变速率；

2）其次在进行固结不排水试验中，为了加速试样的固结，一般需要在试样外贴滤纸条，通常采用让滤纸条上下均与透水版相连的贴法；

3）拆样时，要注意饱和器的三片铁片只能上下移动，不能垂直于土样轴线前后移动；

4）制样时，每层击实后一定要将表面刨毛，这样有利于土样的整体完整，在试验过程中也可减少出现断样的情况；

5）装样时，排气要充分且不能让土样断裂，同时要注意各个阀门的开闭状态是否正确，否则很可能照成孔隙压力与轴向应变关系曲线不正确；

6）最后要考虑橡皮膜对试验的影响，通常需要进行结果的校正，在实际工程中是否进行校正，必须按试验的目的和要求确定。