土力学与基础工程实验方案.doc

实验一 土的基本物理性质指标试验密度测试实验一、试验目的：了解土体内部结构的密实情况，工程中需要以容重值表示时，将实测湿密度值根据含水率换算成干密度即可。二、试验方法：环刀法、蜡封法、灌水法它们适用于不同的土质情况。环刀法适用于粘性土，是实验室的常用方法。三、试验原理：土的单位体积质量称为土的密度。在天然含水量情况下的密度称为天然密度。四、试验仪器设备：环刀（内径61.8mm，高20mm，面积30cm3）、天平、修土刀、凡士林等。五、操作步骤：1、调整天平平衡，称量环刀质量，并填入表1中。2、按工程需要取原状土或制配所需状态的扰动土，整平两端，将环刀内壁涂一薄层凡士林，刀口向下放在土样上。3、修土刀将土样上部削成略大于环刀直径的土柱然后将环刀垂直下压，边压边削至土样伸出环刀上部为止。削去两端余土，使与环刀口面齐平，并用剩余土样测定含水量。4、擦净环刀外壁，称环刀与土的质量，准确至0.1g。5、本实验需进行二次平行测定，其平行差值不得不大于0.03g/cm3，求其算术平均值。 六、密度计算整理： 按下列公式计算湿密度和干密度 式中湿密度g/cm3 d干密度g/cm3 1环刀及土的质量(g) 2环刀的质量(g ) 湿土的质量(g) v环刀的体积g/cm3 W含水率%密度实验计算表实验编号环刀+湿土的重量环刀本身的重量环刀体积Cm3湿密度平均湿密度备注115742.959.822.62214241.759.872.38平均值149.542.359.852.5含水率测试（在试验三一起做）（1）定义 土的含水率是指土在温度 105110下烘到恒重时所失去的水分重量与达到恒重后干土重量的比值，以百分数表示。（2）试验目的 测定土的含水率，以了解土的含水情况。含水率是计算土的孔隙比、液性指数、饱和度和分析其它物理力学性质不可缺少的一个基本指标。（3）试验方法 烘干法、酒精燃烧法、炒干法和比重法、实容积法等。本实验采用常用的烘干法。（4）仪器设备1）电子天平：感量0.001g。2）烘箱：保持温度105110的自动控制的电热恒温烘箱。3）铝盒：根据所用铝盒号码可从实验室查出其重量。4）干燥器：通常常用附有氯化钙干燥剂的玻璃干燥缸。5） 其它：玻璃称量瓶、削土刀、匙、玻璃板或盛土容器等。（5）操作步骤l）从原状或扰动土样中，选取具有代表性的试样约15至30g，有机质土、砂类土和整体状构造冻土为50g，放入擦净的铝盒内，立即盖好铝盒盖，然后称盒加湿土m0 + m，并记下铝盒号码，称量准确至0.01g。2）打开盒盖放入烘箱内，在恒温105110下烘至恒量(即试样的重量不再改变)。烘干时间对粘性土不得少于8小时，对砂性土不得少于6小时，对含有机质超过干土质量5土，应将温度控制在6570的恒温下烘至恒重。然后将铝盒取出放在干燥器内冷却至室温。3）从干燥器内取出土样，盖好盖后。称盒加干土重m0 + ms ，准确至0.01g。4）本试验需进行二次平行测定，结果之差不得大于2。（6）计算按下式计算含水率：式中：m0 + m铝盒加湿土重，克；m0 + ms 铝盒加干土重，克；m0铝盒重，克；（根据盒号由实验室制好的表中查得）w 含水率，（%）思考题：1. 请总结土的物理性质各物理量之间的关系（土粒比重，含水量，密度，干密度，颗粒密度，重度，干重度，饱和重度，有效重度，孔隙比，孔隙率，饱和度等）；1.答:d=gs/V ;sat=(gw+gs)/V ;=(10gs-Vsw)/V=sat-w=sat-w;e=Vv/Vs=s(1+)/ -1=s/d-1=s/(Srw) ;n=Vv/V=1-/s(1+)=e/(1+e);Sr=Vw/Vv=s/ws(1+)- = s/(ew) ;sat=(s-w)/ s(1+)+ w=(s+ew)/(1+e)= +w ;d=/(1+)= s/(1+e) ;2. 没烘干机的情况下如何测定含水率？2答：张力计法，也称负压计法，它测量的是土壤水吸力测量原理如下：当陶土头插入被测土壤后，管内自由水通过多孔陶土壁与土壤水接触，经过交换后达到水势平衡，此时，从张力计读到的数值就是土壤水(陶土头处)的吸力值，也即为忽略重力势后的基质势的值，然后根据土壤含水率与基质势之间的关系(土壤水特征曲线)就可以确定出土壤的含水率；电阻法，多孔介质的导电能力是同它的含水量以及介电常数有关的，如果忽略含盐的影响，水分含量和其电阻间是有确定关系的电阻法是将两个电极埋入土壤中，然后测出两个电极之间的电阻。但是在这种情况下，电极与土壤的接触电阻有可能比土壤的电阻大得多。因此采用将电极嵌入多孔渗水介质(石膏、尼龙、玻璃纤维等)中形成电阻块以解决这个问题；中子法，中子法就是用中子仪测定土壤含水率中子仪的组成主要包括：一个快中子源，一个慢中子检测器，监测土壤散射的慢中子通量的计数器及屏蔽匣，测试用硬管等。快中子源在土壤中不断地放射出穿透力很强的快中子，当它和氢原子核碰撞时，损失能量最大，转化为慢中子(热中子)，热中子在介质中扩散的同时被介质吸收，所以在探头周围，很快的形成了持常密度的慢中子云；-射线法，-射线法的基本原理是放射性同位素(现常用的是137Cs，241Am)发射的-射线法穿透土壤时，其衰减度随土壤湿容重的增大而提高；驻波比法，自从 Topp等人在 1980年提出了土壤含水率与土壤介电常数之间存在着确定性的单值多项式关系，从而为土壤水分测量的研究开辟了一种新的研究方向，即通过测量土壤的介电常数来求得土壤含水率从电磁学的角度来看，所有的绝缘体都有可以看着是电介质，而对于土壤来说，则是于土壤固相物质、水和空气三种电介质组成的混合物。在常温状态下，水的介电常数约为80，土壤固相物质的介电常数约为 35，空气的介电常数为 1，可以看出，影响土壤介电常数主要是含水率。Roth等提出了利用土、水和空气三相物质的空间分配比例来计算土壤介电常数，并经 Gardner等改进后，为采用介电方法测量土壤水分含量提供了进一步的理论依据，并利用这些原理进行土壤含水率的测量；光学测量法，光学测量法是一种非接触式的测量土壤含水率方法。光的反射、透射、偏振也与土壤含水率相关。先求出土壤的介电常数，从而进一步推导出土壤含水率；时域反射法，时域反射法也是一种通过测量土壤介电常数来获得土含水率的一种方法。TDR的原理是电磁波沿非磁性介质中的传输导线的传输速度V= c / ，而对于已知长度为 L 的传输线，又有 V = L / t ，于是可得 = (ct / L)2，其中 c 为光在真空中的传播速度， 为非磁性介质的介电常数， t为电磁波在导线中的传输时间。而电磁波在传输到导线终点时，又有一部分电磁波沿导线反射回来，这样入射与反射形成了一个时间差 T。因此通过测量电磁波在埋入土壤中的导线的入射反射时间差 T 就可以求出土壤的介电常数，进而求出土壤的含水率。实验二 颗粒分析试验一、概述颗粒分析试验就是测定土中各种粒组所占该土总质量的百分数的试验方法，可分为筛析法和沉降分析法。其中沉降分析法又有密度计法和移液管法等。对于粒径大于0.075mm的土粒可用筛分析的方法来测定，而对于粒径小于0.075mm的土粒则用沉降分析方法来测定。这里我们仅对筛析法进行介绍。二、筛析法筛析法就是将土样通过各种不同孔径的筛子，并按筛子孔径的大小将颗粒加以分组，然后再称量并计算出各个粒组占总量的该土总质量的百分数。筛析法是测定土的颗粒组成最简单的一种试验方法，适用于粒径小于、等于60mm，大于0.075mm的土。（一）仪器设备1、分析筛； 圆孔粗筛，孔径为60mm，40mm，20mm，10mm，5mm和2mm。圆孔细筛，孔径为2mm，1mm，0.5mm，0.25mm，0.075mm。2、称量1000g、最小分度值0.1g的天平；称量200g、最小分度值0.01g的天平；3、振筛机；4、烘箱、量筒、漏斗、研钵、瓷盘、不锈钢勺等。（二）操作步骤先用风干法制样，然后从风干松散的土样中，按表5-1称取代表性的试样，称量准确至0.1g，当试样质量超过500g时，称量应准确至1g。表5-1 筛析法取样质量颗粒尺寸（mm）取样质量（g）210030010300100020100020004020004000604000以上1、无粘性土（1）将按表5-1称取的试样过孔径为2mm的筛，分别称取留在筛子上和已通过筛子孔径的筛子下试样质量。当筛下的试样质量小于试样总质量的10%时，不作细筛分析；当筛上的试样质量小于试样总质量的10%时，不作粗筛分析。（2）取2mm筛上的试样倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中，进行粗筛筛析，然后再取2mm筛下的试样倒入依次叠好的细筛的最上层筛中，进行细筛筛析。细筛宜置于振筛机上进行震筛，振筛时间一般为1015min。（3）按由最大孔径的筛开始，顺序将各筛取下，称留在各级筛上及底盘内试样的质量，准确至0.1g。（4）筛后各级筛上及底盘内试样质量的总和与筛前试样总质量的差值，不得大于试样总质量的1%。2、含有细粒土颗粒的砂土（1）将按5-1表称取的代表性试样，置于盛有清水的容器中，用搅棒充分搅拌，使试样的粗细颗粒完全分离。（2）将容器中的试样悬液通过2mm的筛，取留在筛上的试样烘至恒量，并称烘干试样质量，准确至0.1g。（3）将粒径大于2mm的烘干试样倒入依次叠好的粗筛的最上层筛中，进行粗筛筛析。按由最大孔径的筛开始，顺序将各筛取下，称留在各级筛上及底盘内试样的质量，准确至0.1g。（4）取通过2mm筛下的试样悬液，用带橡皮头的研杆研磨，然后再过0.075mm筛，并将留在0.075mm筛上的试样烘干至恒量，称烘干试样质量，准确至0.1g。（5）将粒径大于0.075mm的烘干试样倒入依次叠好的细筛的最上层筛中，进行细筛筛析。细筛宜置于振筛机上进行震筛，振筛时间一般为1015min。（6）当粒径小于0.075mm的试样质量大于试样总质量的10%时，应采用密度计法或移液管法测定小于0.075mm的颗粒组成。（三）成果整理1、小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比可按式（5-1）计算： （5-1）式中 X小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比（%）； 小于某粒径的试样质量（g）；当细筛分析时为所取的试样质量；当粗筛分析时为试样总质量（g）；粒径小于2mm的试样质量占试样总质量的百分比（%）。2、制图以小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比为纵坐标，以颗粒粒径为对数横坐标，在单对数坐标上绘制颗粒大小分布曲线。见图5-1。3、按式（5-2）计算不均匀系数： （5-2）式中 不均匀系数；限制粒径，在颗粒大小分布曲线上小于该粒径的土含量占土总质量60%的粒径；有效粒径，在颗粒大小分布曲线上小于该粒径的土含量占土总质量10%的粒径。4、按式（5-3）计算曲率系数： （5-3）式中 曲率系数；在颗粒大小分布曲线上小于该粒径的土含量占土总质量30%的粒径。5、试验记录筛析法颗粒分析试验记录见表5-2。表5-2 颗粒大小分析试验记录（筛析法）工程名称 试验者工程编号 计算者试验日期 校核者风干土质量= g； 小于0.075mm的土占总土质量百分数= %2mm筛上土质量= g； 小于2mm的土占总土质量百分数= %2mm筛下土质量= g； 细筛分析时所取试样质量= g筛号孔径（mm）累计留筛土质量（g）大于该孔径的土质量（g）质量百分数（%）大于该孔径的总土质量百分数（%）（累计百分数）图5-1颗粒大小分布曲线粗中细粗中细粉粒粘粒砾砂试样编号粗粒土（0.075mm）土的分类细粒土（60(%)砾(%)砂(%)0.0750.050.050.050.05思考题：粘性土如何进行颗粒分析答：粘性土应采用沉降分析法