室内试验

3. 室内试验

3.1 物理性质指标试验 3.1.1 含水率试验 3.1.1.1 设备

a ．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℃；

b ．天平：200g ，感量0.01g 。常用天平分机械天平和电子天平两类；

c ．附属设备：铝盒（称量盒）、干燥器、铅丝篮、温度计等。

3.1.1.2 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?-=

s

s

m m m ω （3-1）

式中：ω——土样含水率（%）；

m ——湿土质量，单位：克（g ）；

s m ——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s m m m -=ω。土恒重即认为是干土质量。对粘性土，s m 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。

3.1.1.3方法

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01m m m -=；

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02m m m s -=；

4．按下式计算该试样的含水率：

%100%1000

221?--=

?-=

m m m m m m m s

s

ω （3-2）

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

3.1.1.4 成果

3.1.1.5 应用

3.1.2 密度试验 3.1.2.1 设备

环刀法测试土的密度需要如下设备：

1．环刀：内径6~8cm ，高2~3cm 。体积定期校正为恒值，常用环刀体积为60cm 3； 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。

3.1.2.2 原理

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：

v

m =

ρ （3-3）

式中：ρ——土样密度，单位g/cm 3； m ——土样质量，单位g ；

V ——土样体积，单位cm 3

。

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ρ表示。工程中常用的土体在不同状态下的密度有干密度（d ρ）、饱和密度（sat ρ）、浮密度ρ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：

g V

mg ρ== （3-4）

式中：γ——土样容重，单位3

/m kN ，工民建规范称作重度； g ——重力加速度，一般取9.81m/s 2

； 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 γ、饱和容重sat

γ、

浮容重γ'。

根据公式（3-3），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。

3.1.2.3 方法

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；4

2．用切下的代表性土样测定含水率ω；

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：

V

m m 0

1-=

ρ （3-5）

ω

ρ

ρ01.01+=

d （3-6）

式中：ρ——试样密度，单位g/cm 3

；

d ρ——试样干密度，单位g/cm 3； 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cm 3；

ω——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/cm 3，取其算术平均值作为试验结果。

3.1.2.4 成果

3.1.2.5 应用 3.2 固结试验 3.2.1 设备

固结试验是在压缩试验的过程中进行，即在某级荷载作用下，测读沉降()i t s 和时间i t 。主要仪器包括：

1．固结仪，常用试样面积为30cm 2和50cm 2，试样高2cm ；

2．加压设备，不同型号的仪器最大压力不同，一般按最大压力划分有以下几种：400kPa ，800kPa ，1600kPa ，3200kPa ；

3．竖向变形量测表，一般采用量程10mm ，精度0.01mm 的机械百分表或电测位移传感器；

4．其它辅助设备：秒表，括土刀，钢丝锯，天平，含水率量测设备等。

3.2.2 原理

试样的固结过程就是试样在某一固结压作用下，试样沉降量随时间增长的过程。如图9-2所示，试样在△p 作用下，最终沉降量为s 。自△p 加上的瞬间t=0至任一时刻t 的沉降量用s(t)表示。由太沙基一维固结理论有：

（3-7） （3-8）

式中：U ——厚度为H 的土层或试样平均固结度；

TV ——时间因数，;2

-

?=

H

t

C T V V

S(t),s ——分别为t 时刻的沉降量和最终沉降量；

v C ——固结系数，v

w

v a e k C ?+=

γ

)

1(；

H ——最大排水距离，固结试验时因试样的顶、底面同时排水，H H 2

1=

；

H ——土层（或试样）厚度。 K ——土层（或试样）渗透系数；

e ——土层（或试样）平均孔隙比； r a ——土层（或试样）压缩系数；

ωγ——水的容重。

U ＜53%范围内，U ～TV 关系为一直线，将直线延长，交U=90%的水平线于b 点，U=90%的水平线ab 与U ～TV 曲线交于c 点。据U ～TV 关系可以证明：

15

.1=-

-

ab

ac

（3-9）

过U=0的d 点，连接dc ，我们知道，任一水平线omn 在db 线和dc 线上交点为m 、n ，有以下关系：

15

.1_

==

-

-

-

ab

ac

om on

（3-10）

由公式（3-7）得到，U=90%时，v T =0.196（文献[4]），代入时间因数的定义式得到：

90

2

196.0t H

C V -

=

（3-11）

式中：90t 为U=90%对应的固结时间。

s

t s U Tv f U )()(=

=

3.2.3 方法

1．按工程需要取原状工或制备所需状态的扰动土土样，整平其两端；

2．将环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放于土样上端，用两手将环刀竖直地下压，再用削土刀修削土样外侧，边压边削，直到土样突出环刀上部为止。然后将上、下两端多余的土削至与环刀平齐；

4．放置好下透水石、下滤纸，将带有环刀的试样和环刀一起刃口向下小心放入护环，装入固结仪容器内，放置上滤纸、上透水石、护环和加压盖板，置于加压框架下，对准加压框架正中；

5．为保证仪器上下各部件之间接触良好，应施加2kPa 的预加应力，装好量测压缩变形的百分表，使指针读数为接近满量程的整数（零点值）；

6．分级加压，按加压梯度

1=?i

i p p 加载，一般为12.5，25.0，50.0，100，200，400，

800，1600，3200kPa 。第一级荷载应小于自重应力，且不能使试样挤出，最后一级应力应大于自重应力与附加应力之和；

7．若要得到e ～lgp 曲线，测量原状土的前期固结应力时，前几级荷载的加载梯度应小于1（取0.25或0.5）,最后一级应力应使e ～lgp 曲线由Casagrande 方法得到现场压缩曲线时，还要进行卸荷试验；

8．对于饱和土，试验过程中水槽内的水应能浸没试样。项需要进行固结试验，测定固结系数。在要测定的某级（或几级）荷载加上后，近下列时间顺序记录量测沉降的百分表读数：15’’、1’、2’15’’、4’、6’15’’、9’、12’15’’、16’、20’15’’、25’、30’15’’、36’、49’、64’、100’、200’、24h 。若仅进行压缩试验，则只需测读每级荷载加上后24h 的沉降百分表读数，然后加下一级荷载。对于渗透系数k ≥10-5cm/s 的土，可用每小时沉降量不大于0.005mm 作为压缩稳定标准，达到稳定标准后，加下级荷载；

9．试验结束，吸容器中的水，拆除仪器各部件，取出试样，测定含水率。

3.2.4 成果

3.2.5 应用 3.3 三轴试验 3.3.1 设备

1、三轴剪力仪 常用的为应变控制式三轴剪力仪，见图11-2所示，还有一种为应力控制式三轴剪力仪，可参见文献[2]，除此以外，还有各种非常规三轴仪，如应力路径三轴仪、K0固结三轴仪等。

2、附属设备 击实筒、饱和器、切土盘、切土器、切土架、分样器、承模筒、天平（称量200g/感量0.01g ，称量1000g/感量0.1g ，称量5000g/感量1g 等）、量表（百分表）（量程30mm 或10mm ，分度值0.01 mm ）、橡皮膜等，除此以外还要用到含水率试验的所有设备。 三轴剪切试验的辅助设备较多，不能全部列出，也不可能描述出所有设备的形状和用途，须在试验过程中熟悉。

3.3.2 原理

三轴剪切试试样为圆柱状如图11-1。试验过程中测量以下参数：1、周围压力3

σ，2、

竖向应力增量q,3、竖向变形量

l

?或竖向应变ε1，4、试样底部的孔隙水应力u,5、试样顶

部接排水管量测试样排水量，6、反压力

b

σ

。不同类型的三轴剪切试验加载过程如下：

一、不固结不排水剪（UU ）

一组试验通常需四个试样，试验加载顺序如下： 1、在每个试样的周围施加相同的初始固结应力0

σ

，待其固结完成后，量测试样轴向变

形量

l ?和体积变化

V ?；

2、对各个试样分别施加不同的围压增量3

σ

?作用，在

3

σ

?作用期间不允许试样固结

排水，量测由

3

σ

?产生的孔隙应力u=1u ?；

3、施加竖向偏应q(q 自零开始增加，至试样破坏时达到最大值qmax)。施加q 的过程中也不允许试样排水。在加q 的过程中，量测q 的数值、由q 产生的轴向应变1ε和孔隙水应力u=21u u ?+?（2u ?为由q 产生的孔隙水应力）。

值得注意的是，《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）及其它土工试验标准中规定，对于原状土UU 试验步骤为：施加围压3

σ在不排水条件下，量测由3σ

产生的孔隙水应力u ，

即试样的3

3

σσ

σ

?+=一次施加，且在

3

σ作用下不排水，然后施加竖向偏应力q 至试样破坏为

止，在加q 的过程中量测q 、轴向应变1ε和孔隙水应力u 。

UU 试验在剪切过程中试样的应力状态为：

总应力 3

03301σσσσσσ?+=+?+=q

（3-12）

有效压力：

3

13

3

3

/u u u ?-?-=-=σ

σ

σ

（3-13）

2

1111

/

u u u ?-?-=-=σσσ

由UU 试验量测得到孔隙应力系数：

?

???????-+==

?-=

?=??=

-

-

-

131

231)1(σσσA A B B B

A A q

u u q

u A u B （3-14）上列各式中：

;

,,,;

.,;

,,,2132133131u u u q u u q u ?+?=?----??+?----??---剪量过程中孔隙水应力

产生的孔隙水应力增量

分别为主应力增量分别为大主应力增量小小主应力和孔隙水应力分别为大主应力

σσσσσσA ，.

,,数分别为四个孔隙应力系----

-

B B A

二、固结不排水剪（CU ） 先给四个试样施加不同的围压3

σ，让试样在

3

σ作用下固结排水（该步骤为将施加初始固

结应力

σ

和围压增量

3

σ

?两步合并），在3

σ作用下试样固结完成后，施加轴向偏听偏应力

q 。施加偏应力q 的过程中不允许试样排水，即试样在剪切过程中测得的孔隙水应力u 为q 产生的孔隙水应力2u ?。试样在剪切过程中的应力状态为：

总应力；

3

331σσσσ=+=q

（3-15）

有效压力； u

u -=-=33

/

11/σσ

σσ

（3-16）

三、固结排水剪（CD ） 先给四个试样施加不同的围压

3

σ，让试样在

3

σ作用下固结排水，在

3

σ作用下试样固

结完成后，施加轴向偏应力q 。施加偏应力q 的过程中让试样充分排水，使试样内始终不产生明显的孔隙水应力。为此，对应变控制三轴仪要求施加偏应力q 的速度非常慢，以保证由q 产生的孔隙水应力能及时消散。这样，CD 试验过程中总应力与CU 试验表达式完全相同，

孔隙水应力为零，有效压力等于总应力。

3.3.3 方法

3.3.4 成果 3.3.5 应用 3.4 波速试验

3.4.1 设备3.4.2 原理3.4.3 方法3.4.4 成果3.4.5 应用3.5 水质试验3.5.1 设备3.5.2 原理3.5.3 方法3.5.4 成果3.5.5 应用