天津大学岩土工程复试土工试验总结详解

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。

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

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

图1-2 密度计刻度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

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

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：20

w s s

s

C ρ-ρ'ρ='

V ——悬液总体积（=1000ml ）；

W S ——分析用1000毫升悬液中的干土总质量，g ； C 's ——比重校正系数；

ρω20——20℃时水的密度，0.998232g/cm 3,同学可取1.0g/cm 3； ρs ——土粒密度，g/cm 3； 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 '、C D 取值见附录。

2.按司笃克公式计算颗粒直径，d(mm)

式中：ρωo ——4℃时水的密度，g/cm 3；

η——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) G s ——土粒比重；

201100ωρ'+'+'+-''=]C n m )R [(C W V

X D s

S

t

L

g )G G (d o T s ⨯

ρ-η⋅⨯=ωω4101800