第三篇综合设计实验 为适应社会不断发展对人才多方面的需要，当代的大学教育要求培养具有高素质和较强的动手 以开设验证型与演示型的实验项目为主，随若现代教学改革的逐步深入 见和深化 实验教学改革 ,提高综合设计型实验教学内容的比例是重要的改革发展方向。在此大环境下，在士 力学实验教学中开展探索型和综合设计型实验项目是大势所趋，最近全国范围内开展的大学生士力 学、岩土工程竞赛实际上就是更高层次的土力学综合设计型实验的相关竞赛。 在综合设计型实验中，要求实验者从实验方案设计、实验仪器及材料准各、实哈结果分析、并 将实验成果与理论计算、分析结合起来解决实际工程问题等均要进行详尽周密的准备， 充分 调 动实 验者主观能 动性， 积极寻求解决方法 这个过程可以大大锻炼和培养综合应用， 所学知识解决实际 程问题的能力，甚至可以将已有的相关多学科理论知识进行融合、创新应用以解决实际工程问题 下面的综合设计型实验项目，在满足土力学课程的实验大纲基本要求的前提下，从室内土工实 验的工程目的出发，将本科实验教学内容和土力学课程相关内容有机融合在一起。不仅包括基本实 验项目的实验操作、实验数据整理与分析，还进一步引申到利用实验结果进行的工程应用与计算 评价和对比。不仅建立了士力学课程内容与实验教学内容的密切联系，而且突出了士力学实验方法 的多样性，注重实验项目的工程实用性。 第1章细粒土分类定名和状态评价实验 1.1实验目的 主要针对黏性土进行分类定名，并评价其所处天然稠度状态。 要求设计实验方案，完成实验操作，提交实验报告。通过实验，对粘性士建立初步感性认识 掌握土的含水率测定方法，掌握黏性土界限含水率尤其是塑限，与液限M的测定方法并动手操 作，计算塑性指数与液性指数。在此基础上，掌握根据界限含水率及塑性指数，采用不同的专业规 范进行分类定名的方法：掌握根据界限含水率、天然含水率及液性指数评价黏性土所处天然稠度状 态的方法。 1.2实验仪器 提供电热烘箱、电子天平、液塑限联合测定仪、称量铝盒若干以及调土用的刀、器皿和毛巾等。 1.3基本原理与计算 1.3.1基本概念 液限：液态与可塑态的界限含水率，是细粒土呈可塑状态的上限含水率。将调好的土装入试样 杯中，由所提供的液塑限联合测定仪的76g锥落入试样杯中，测出经过5s落入深度为17mm时对应
第三篇 综合设计实验 为适应社会不断发展对人才多方面的需要，当代的大学教育要求培养具有高素质和较强的动手 能力、实践能力和创新能力的大学生，实验教学是培养这些能力的重要手段。以往的实验教学主要 以开设验证型与演示型的实验项目为主，随着现代教学改革的逐步深入，各高校越来越重视和深化 实验教学改革，提高综合设计型实验教学内容的比例是重要的改革发展方向。在此大环境下，在土 力学实验教学中开展探索型和综合设计型实验项目是大势所趋，最近全国范围内开展的大学生土力 学、岩土工程竞赛实际上就是更高层次的土力学综合设计型实验的相关竞赛。 在综合设计型实验中，要求实验者从实验方案设计、实验仪器及材料准备、实验结果分析、并 将实验成果与理论计算、分析结合起来解决实际工程问题等均要进行详尽周密的准备，充分调动实 验者主观能动性，积极寻求解决方法，这个过程可以大大锻炼和培养综合应用所学知识解决实际工 程问题的能力，甚至可以将已有的相关多学科理论知识进行融合、创新应用以解决实际工程问题。 下面的综合设计型实验项目，在满足土力学课程的实验大纲基本要求的前提下，从室内土工实 验的工程目的出发，将本科实验教学内容和土力学课程相关内容有机融合在一起。不仅包括基本实 验项目的实验操作、实验数据整理与分析，还进一步引申到利用实验结果进行的工程应用与计算、 评价和对比。不仅建立了土力学课程内容与实验教学内容的密切联系，而且突出了土力学实验方法 的多样性，注重实验项目的工程实用性。 第 1 章 细粒土分类定名和状态评价实验 1.1 实验目的 主要针对黏性土进行分类定名，并评价其所处天然稠度状态。 要求设计实验方案，完成实验操作，提交实验报告。通过实验，对粘性土建立初步感性认识， 掌握土的含水率测定方法，掌握黏性土界限含水率尤其是塑限 wP 与液限 wL 的测定方法并动手操 作，计算塑性指数与液性指数。在此基础上，掌握根据界限含水率及塑性指数，采用不同的专业规 范进行分类定名的方法；掌握根据界限含水率、天然含水率及液性指数评价黏性土所处天然稠度状 态的方法。 1.2 实验仪器 提供电热烘箱、电子天平、液塑限联合测定仪、称量铝盒若干以及调土用的刀、器皿和毛巾等。 1.3 基本原理与计算 1.3.1 基本概念 液限：液态与可塑态的界限含水率，是细粒土呈可塑状态的上限含水率。将调好的土装入试样 杯中，由所提供的液塑限联合测定仪的 76g 锥落入试样杯中，测出经过 5s 落入深度为 17mm 时对应
的含水率，即为液限W。有些规范分类定名时用到。，它是指经过5s落入深度为10mm时对应 的含水率。 塑限 可塑态与半固态的界限含水率，细粒土呈可塑状态的下限含水率。在该含水率时，土体 开始变得具有脆性，细粒士搓揉时易破碎。将调好的士装入试样杯中，由所提供的液塑限联合测定 仪的76g锥落入试样杯中，测出经过5s落入深度为2mm时对应的含水率，即为塑限W,。 1.3.2计算公式 塑性指数计算按如下公式讲行 (3-1-1) 以天然含水率w计算液性指数如下 (3-1-2) WL.-Wp 1.3.3按不同的规范分类定名 在《土的工程分类标准》(GBJ50145-2007)、水利部行业标准《土工试验规程》(SL237-1999) 以及《公路土工试验规程》(TGE40-2007)中，细粒土的分类根据塑性图进行。塑性图的横坐标为 液限,纵坐标为塑性指数I。,因此其分类与塑性指数和液限都有关系。在此分类中液限及塑 性指数/，的计算均采用76g圆锥仪沉入土中深度为17mm时测定的液限。 在《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)、《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)以及《港 口工程地基规范》(JTS147-1-2010)关于土的分类方法中，将粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过 总质量50%、且塑性指数。≤10的土定名为粉土：1。>10的士定名为黏性土。进一步地，如10<1， ≤17，定名为粉质黏土：如1>17，则定名为黏土。应注意的是，在此分类中，塑性指数由相应于76g 圆锥仪沉入土中深度为10mm时测定的液限计算而得。 1.4实验步骤 实验前应根据实验目的要求查阅相关规范资料，确定所需测定的实验指标，制定实验方案和步 骤，明确所使用的实验仪器。具体依据第二篇第3章和第7章。 将实验方案交给指导老师批阅，讲行修改完善。 进行实验前准备工作， 包括准备实验土样，确认液塑限联合测定仪的正常有效：按照实验方案 进行实验，记录有关数据，如落锥深度等及实验中出现的一些异常现象：从满足要求的土样中取士 放入铝盒中进行含水率测定，注意称土与盒的湿重并记录盒的编号：放入烘箱中烘干，然后再称土 与盒的干重。 实验完成后，及时计算各土样的含水率、作图并求取相关数据，如结果有异常应分析原因
的含水率，即为液限 wL 。有些规范分类定名时用到 wL10 ，它是指经过 5s 落入深度为 10mm 时对应 的含水率。 塑限：可塑态与半固态的界限含水率，细粒土呈可塑状态的下限含水率。在该含水率时，土体 开始变得具有脆性，细粒土搓揉时易破碎。将调好的土装入试样杯中，由所提供的液塑限联合测定 仪的 76g 锥落入试样杯中，测出经过 5s 落入深度为 2mm 时对应的含水率，即为塑限 wP 。 1.3.2 计算公式 塑性指数计算按如下公式进行 P L(10) P I w w (3-1-1) 以天然含水率 w 计算液性指数如下 p L L P w w I w w (3-1-2) 1.3.3 按不同的规范分类定名 在《土的工程分类标准》（GB/J50145-2007）、水利部行业标准《土工试验规程》（SL237-1999） 以及《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）中，细粒土的分类根据塑性图进行。塑性图的横坐标为 液限 wL ，纵坐标为塑性指数 P I ，因此其分类与塑性指数和液限都有关系。在此分类中液限 wL 及塑 性指数 P I 的计算均采用 76g 圆锥仪沉入土中深度为 17mm 时测定的液限。 在《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）、《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）以及《港 口工程地基规范》（JTS147-1-2010）关于土的分类方法中，将粒径大于 0.075mm 的颗粒质量不超过 总质量 50%、且塑性指数 P I ≤10 的土定名为粉土； P I >10 的土定名为黏性土。进一步地，如 10< P I ≤17，定名为粉质黏土；如 P I >17，则定名为黏土。应注意的是，在此分类中，塑性指数由相应于 76g 圆锥仪沉入土中深度为 10mm 时测定的液限计算而得。 1.4 实验步骤 实验前应根据实验目的要求查阅相关规范资料，确定所需测定的实验指标，制定实验方案和步 骤，明确所使用的实验仪器。具体依据第二篇第 3 章和第 7 章。 将实验方案交给指导老师批阅，进行修改完善。 进行实验前准备工作，包括准备实验土样，确认液塑限联合测定仪的正常有效；按照实验方案 进行实验，记录有关数据，如落锥深度等及实验中出现的一些异常现象；从满足要求的土样中取土 放入铝盒中进行含水率测定，注意称土与盒的湿重并记录盒的编号；放入烘箱中烘干，然后再称土 与盒的干重。 实验完成后，及时计算各土样的含水率、作图并求取相关数据，如结果有异常应分析原因
根据实验结果，依据有关规范资料对该土进行分类定名和稠度状态评价。 1.5实验报告撰写 实验报告包括实验目的，实验步骤，实验数据记录和计算整理，绘制图表，分类定名与状态评 价，结果讨论以及心得体会等。实验报告格式具体参看附录A
根据实验结果，依据有关规范资料对该土进行分类定名和稠度状态评价。 1.5 实验报告撰写 实验报告包括实验目的，实验步骤，实验数据记录和计算整理，绘制图表，分类定名与状态评 价，结果讨论以及心得体会等。实验报告格式具体参看附录 A
第2章饱和黏土地基固结与沉降分析实验 2.1实验目的 进一步对黏性土增加感性认识，针对具体工程实例，基于实验得到的参数进行固结与沉降分析 计算 掌握天然含水率、土粒比重、天然密度这三个土的基本物理性质指标的实验室测定方法，掌握 用三个基本指标推算土的其他三相指标（如孔隙比、饱和度等）的方法：掌握通过固结压缩实验确 定土的压缩曲线、压缩模量、压缩系数、压缩指数、回弹指数、固结系数的方法：掌握通过压缩曲线 确定超周结土的先期固结压力与现场原位压缩曲线的方法：基于前述获得的相关参数，结合工程实 际，利用土力学的变形与固结理论进行地基的变形量与固结度的分析与计算。 2.2实验仪器 提供电热烘箱、电子天平三个（最小分度值分别为0.1g,0.01g及0.001g)、称量铝盒若干、环 刀、比重瓶、恒温水槽、砂浴、温度计、固结容器（包括环刀、护环、透水板、水槽、加压上盖等）入、 砝码及吊盘等加压设备、百分表等变形量测设备。 2.3基本原理与计算 根据土的含水率、土粒比重、密度这三个基本物理性质指标计算得到其他物理性质指标的公式 算法，以及根据固结实验得到的压缩曲线确定压缩模量、压缩系数、压缩指数、回弹指数、固结系 数、先期固结压力等的方法前面章节己有介绍，下面介绍地基变形与固结度的有关计算。 2.3.1基于ep曲线的单向压缩分层总和法计算地基的最终变形量 由于地基通常是由具有不同压缩性质的多层士层所组成，而且引起地基变形的有限尺寸基础下 的地基附加应力在基底以下沿深度并非均匀分布，工程中常采用单向压缩分层总和法进行计算。即 在地基可能产生压缩的深度范围内，按土的特性和应力状态的变化将土层划分成若干分层，然后在 取得室内压缩实验曲线 1和最终有效应力 S=9-H, (3-2-1) 1+e 式中H为士层原来的厚度：或按下式计算 (3-2-2) 式中，a为压缩系数，p为各分层平均地基附加应力：或按下式计算 S.-pH (3-2-3) 式中，E,为压缩模量。 最后，再将各分层的变形量S,总和起来，即得地基的最终沉降变形量S (3-2-40 用上述方法计算得到的地基变形量，宜按地区经验加以修正，即把计算的变形量乘以修正系数。 修正系数根据大量实测资料与计算值对比分析得到
第 2 章 饱和黏土地基固结与沉降分析实验 2.1 实验目的 进一步对黏性土增加感性认识，针对具体工程实例，基于实验得到的参数进行固结与沉降分析 计算。 掌握天然含水率、土粒比重、天然密度这三个土的基本物理性质指标的实验室测定方法，掌握 用三个基本指标推算土的其他三相指标（如孔隙比、饱和度等）的方法；掌握通过固结压缩实验确 定土的圧缩曲线、压缩模量、压缩系数、压缩指数、回弹指数、固结系数的方法；掌握通过圧缩曲线 确定超固结土的先期固结压力与现场原位压缩曲线的方法；基于前述获得的相关参数，结合工程实 际，利用土力学的变形与固结理论进行地基的变形量与固结度的分析与计算。 2.2 实验仪器 提供电热烘箱、电子天平三个（最小分度值分别为 0.1g，0.01g 及 0.001g）、称量铝盒若干、环 刀、比重瓶、恒温水槽、砂浴、温度计、固结容器（包括环刀、护环、透水板、水槽、加压上盖等）、 砝码及吊盘等加压设备、百分表等变形量测设备。 2.3 基本原理与计算 根据土的含水率、土粒比重、密度这三个基本物理性质指标计算得到其他物理性质指标的公式 算法，以及根据固结实验得到的圧缩曲线确定压缩模量、压缩系数、压缩指数、回弹指数、固结系 数、先期固结压力等的方法前面章节已有介绍，下面介绍地基变形与固结度的有关计算。 2.3.1 基于 e-p 曲线的单向压缩分层总和法计算地基的最终变形量 由于地基通常是由具有不同压缩性质的多层土层所组成，而且引起地基变形的有限尺寸基础下 的地基附加应力在基底以下沿深度并非均匀分布，工程中常采用单向压缩分层总和法进行计算。即 在地基可能产生压缩的深度范围内，按土的特性和应力状态的变化将土层划分成若干分层，然后在 取得室内压缩实验曲线 e-p 曲线后，即可由土层初始有效应力 p1 和最终有效应力 p2 分别由 e-p 图确 定土的初始孔隙比 e1和最终孔隙比 e2，从而按下式计算各分层地基的最终变形量 Si 1 2 1 1 1 i e e S H e (3-2-1) 式中 H1为土层原来的厚度；或按下式计算 1 1 1 i a S pH e (3-2-2) 式中，a 为压缩系数，p 为各分层平均地基附加应力；或按下式计算 1 s 1 i S pH E (3-2-3) 式中，Es 为压缩模量。 最后，再将各分层的变形量 Si总和起来，即得地基的最终沉降变形量 S 1 n i i S S (3-2-4) 用上述方法计算得到的地基变形量，宜按地区经验加以修正，即把计算的变形量乘以修正系数。 修正系数根据大量实测资料与计算值对比分析得到
《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)在式(3-2-3)的基础上，推导出了另一种形式的单 向压缩分层总和法的地基最终变形量计算公式。它与原单向压缩分层总和法的区别是：给出了沉降 计算经验修正系数的参考值，以及确定压缩层计算深度：的方法。具体计算可参考《建筑地基基础 设计规范》(GB50007-2011)。 2.32基于e-lp曲线计算地基的最终变形量 使用e-即曲线计算地基变形的优点是可以考虑地基土体的固结状态。实验室得到的-lg即曲线 经修正后可得到的现场压缩曲线，在利用式(3-2-1)和式(3-2-4)时，现场压缩曲线上与土层初始 有效应力pP对应的为e,与最终有效应力Pm对应的为（图32-1）。因而公式(3-21)应改写为 S--九 (3-2-5) 1+eo 只要在现场压缩曲线上确定出孔隙比的变化值(e一x)便可算得最终变形量。 (1)对正常固结士 由图3-2l,P,=O。=P。,P2,=O。+0m(0n为附加应力，O。为自重应力，P。为先期固 结压力)。根据压缩指数的定义式，知 ew-e's=Co(lBPa-Igpu)-CalgPu-ColgCu+C (3-2-6) Pu (2)对超固结土 1)当o>(P-0)时，由图3-2-2，孔隙比的变化由两部分组成： Eu-e'-C.lg Pe+Ca lg toa (3-2-7) O Pe 2)当o<(P.-0.)时 tu-e's=C.lg g +oa (3-2-8) g (3)对欠固结士 由图3-23得 eou-e's=Ca lg Gg+Cu (3-2-9 Pa 利用D坐标上的现场压缩曲线，采用单向压缩分层总和法计算地基最终变形时，也要先把压 缩层厚度范围内的地基分层，对每一分层应确定其0、C(C认G、k、,然后根据其固结状态选择 式(3-2-6)~式(3-29)中之适用者计算(eo-2),代入式(3-2-5)得到该分层的压缩量，将各 分层的压缩量叠加起来，由式(3-24)便得到总的地基最终变形量
《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）在式（3-2-3）的基础上，推导出了另一种形式的单 向压缩分层总和法的地基最终变形量计算公式。它与原单向压缩分层总和法的区别是：给出了沉降 计算经验修正系数的参考值，以及确定压缩层计算深度 zn 的方法。具体计算可参考《建筑地基基础 设计规范》（GB50007-2011）。 2.3.2 基于 e-lgp 曲线计算地基的最终变形量 使用 e-lgp 曲线计算地基变形的优点是可以考虑地基土体的固结状态。实验室得到的 e-lgp 曲线 经修正后可得到的现场压缩曲线，在利用式（3-2-1）和式（3-2-4）时，现场压缩曲线上与土层初始 有效应力 p1i对应的为 e0i，与最终有效应力 p2i 对应的为 e ’ 2i（图 3-2-1）。因而公式（3-2-1）应改写为 i i i i i h e e e S 0 ' 0 2 1 (3-2-5) 只要在现场压缩曲线上确定出孔隙比的变化值 ( ' ) 0i 2i e e 便可算得最终变形量。 （1）对正常固结土 由图 3-2-1， 1 c c i i i p p ， 2 c z i i i p （ zi 为附加应力， ci 为自重应力， ci p 为先期固 结压力）。根据压缩指数的定义式，知 2 c z 0 2 c 2 1 c c 1 c ' (lg lg ) lg lg i i i i i i i i i i i i p e e C p p C C p (3-2-6) （2）对超固结土 1）当 z c c ( ) i i i p 时，由图 3-2-2，孔隙比的变化由两部分组成： c c z 0 2 s c c c ' lg lg i i i i i i i i i p e e C C p (3-2-7) 2）当 z c c ( ) i i i p 时 c z 0 2 s c ' lg i i i i i i e e C (3-2-8) （3）对欠固结土 由图 3-2-3 得 c z 0 2 c c ' lg i i i i i i e e C p (3-2-9) 利用 e-lgp 坐标上的现场压缩曲线，采用单向压缩分层总和法计算地基最终变形时，也要先把压 缩层厚度范围内的地基分层，对每一分层应确定其 e0、Cc(Cs)、σc、pc、σz，然后根据其固结状态选择 式（3-2-6）～式（3-2-9）中之适用者计算 ( ' ) 0i 2i e e ，代入式（3-2-5）得到该分层的压缩量，将各 分层的压缩量叠加起来，由式（3-2-4）便得到总的地基最终变形量