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土工试验指导书 | 教学文件
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前言………………………………………………………………………3

实验一 含水量试验……………………………………………………10

实验二 密度试验………………………………………………………12

实验三 液限和塑限试验………………………………………………14

实验四 土的颗粒大小分析试验………………………………………18

实验五 固结试验………………………………………………………21

实验六 直接剪切试验…………………………………………………27

实验七 击实试验………………………………………………………32

实验八 综合试验………………………………………………………37


 

一、土工试验的重要性及其在教学环节上的意义

土是矿物颗粒所组成的松散颗粒集合体,其物理力学性质与其他材料不同;土力学是利用力学的基本原理和土工试验技术来研究土的强度和变形及其规律性的一门应用学科。在土力学中,一般连续介质的力学规律需要结合土的特殊性质作具体运用,同时需要用专门的土工试验技术来研究土的物理力学特性。在工程实践中,土工试验的任务在于为各类土工建筑物和建筑物地基的设计施工提供符合实际情况的各种土性指标。因此,无论在土力学研究还是在各类建筑工程实践中,土工试验都占有重要地位。从教学的角度来说,土工试验作为本课程教学大纲要求的内容的一个有机组成部分,要求学生在学习并掌握本课程的基本原理、基本理论和基本方法的同时,学习并掌握土工试验的原理、方法和操作技能。

土工试验测得的土性指标,可按其在工程设计中的作用,分为一般特性指标(物理性质指标)和主要计算指标(力学性质指标),前者如土的天然密度、天然含水量、颗粒比重、颗粒组成、液限、塑限、有机质含量、水溶盐等,系指作为对土分类定名和阐明其物理化学特性的土性指标;后者如土的凝聚力、内摩擦角、压缩系数、变形模量、渗透系数等,系指在设计计算中直接用以确定土体强度、变形和稳定性的指标,试验项目需根据实际工程的具体要求选定,即根据建筑物的设计阶段、工程规模和所研究的土的土质类别,确定试验的项目和试验数量。本指导书只收列其中最基本、最常用的七项土性指标的试验内容,供指导学生进行教学实验之用。

土工试验课应注意培养学生观察和分析问题的能力,即通过观察试验过程中的各种物理现象,验证所学的理论,加深对所学理论的理解;训练学生自己动手操作、整理实验成果、编写实验报告的能力,培养学生严格的科学作风。

二、土工试验课对学生的要求

鉴于土工试验在教学环节中的重要作用,对每个参加实验的同学提出下述具体要求:

1.在每一次试验课之前,学生必须充分预习该实验的内容,了解实验的目的、原理,然后面对所用仪器,熟悉它们的使用方法和操作步骤。

2.试验前由教师作示范和答疑,并对试验工作提出要求;试验过程中,应注意观察试验过程的各种物理现象并作好记录;当发现异常,尤其是使用仪器过程中遇有问题,必须向实验室管理人员或老师提出,弄清楚后再进行试验,以免损坏仪器及影响试验成果。借还仪器必须清点并办理借还手续,仪器用毕必须洗擦干净,清点后归还实验室。

3.每次试验,提交一份试验报告。试验报告应有统一的格式,字体清晰,不得潦草。试验记录如有写错,只准划去,不得擦掉,试验报告应包括下列内容:

(1)试验项目名称,试验日期、试验者姓名。

(2)引言:对试验目的及用途的说明。

(3)试验记录,包括测试数据的记录,物理现象的记录及异常情况的记录等。

(4)讨论:给出试验条件,采用的仪器和仪器的局限条件,对规程所作的变更,特殊试验技术的使用,误差的可能来源,对该次试验感到不满意的问题及对之作出的分析等。

(5)结论:给出试验成果(填写试验表格、绘图)并加以讨论(如成果精度是否符合要求,与常见的指标值是否近似可用)如需要返工,应对失败情况作出总结。

三、土工试验成果整理的数理统计方法简介

凡科学实验都需要进行试验成果整理,以便通过去粗取精,去伪存真的资料分析整理工作,得到能够更完全地反映客观事物本质的试验成果。土工试验的成果分析整理,应遵循理论与实际统一的原则,以现场工程具体条件为依据,以测试所得的实际成果为基础,以数理统计分析为手段,以土力学的基本理论为指导,区别不同条件,针对不同要求采取不同的方法,下面简单介绍作为试验数据分析主要手段的数理统计方法在土工试验的应用。

土工试验的资料分析整理,就是要通过对样本(试验测得的数据)的研究,来估计总体(土体单元)的特性及其变化规律。

所谓土体单元,是指根据研究的土体在地貌特征、地质年代、成果类型和结构上的差别,结合试验测得的粒度、密度和湿度等指标的变化规律,将土体划分为若干个性质相近的土层(在立面上)或土区(在平面上)。

土体单元(总体)有无限多个点,实际上不可能在整个土层范围内逐点去取样或作现场测定,而总是按一定要求取有限个试样或测点进行试验(取得样本),然后根据测定的结果推断(或代表)整个土体单元的土性指标。我们知道,土是自然历史的产物,具有多样性和易变性,在天然条件下不可能是理想的均质土体。同一土体单元的某一土性指标,不可能是完全相同的,而是按某种概率规律分布。值得重视的是,只有把地质成因等造成土性指标取值有规律的变化(例如,土层形成历史造成了变形随深度增大)以及试验的系统误差(如仪器误差)等因素排除后,土性指标的数值才能视作为随机的。这正是上述所以要划分土体单元并强调以现场工程具体条件为依据的道理所在。

如所周知,当有理由把土体单元的某一土性指标的数值x视作随机变量的时候,在大多数情况下,它的分布才是正态分布。习惯上以记号 表示数学,期望(均值)为u,均方差为 的正态分布,见图0-1。

 

(a) 正态分布的概率分布函数               (b) 正态分布的概率密度函数

图0-1

正态分布的概率密度函数为:

                       (0-1)

正态分布的概率分布函数为:

                 (0-2)

总体(构成—土体单元某一土性指标数值的全体)正态分布的参数u和 均是未知的,u正是我们要求的代表该单元的某一土性指标值。为此,我们可以通过对该土体单元进行取样或在现场的有限个点进行测试,测得该指标的一组数据,即从总体取得了一个样本,x1,x2,…,xnn为样本中个体的个数,(样本的容量)计算出样本的统计特征数:

样本的平均值(标准值) :

                             (0-3)

样本均方差(标准差)S

                 (0-4)

变异系数 :

                              (0-5)

很自然,我们分别用样本的平均值 和样本的均方差S来估计总体的均值u与总体的均方差 ,该总体的均值u和均方差 的估计值为 、 表示,有:

 

                           (0-6)

                   (0-7)

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