l高等土力學(xué)-1室內(nèi)試驗(yàn)2模型試驗(yàn)

1、高等土力學(xué)Advanced Soil Mechanics 1 土工試驗(yàn)及測(cè)試一、土工試驗(yàn)的目的和意義（1）揭示土的一般的或特有的物理力學(xué)性質(zhì)；（2）針對(duì)具體土樣的試驗(yàn)，揭示區(qū)域性土、特殊土、人工復(fù)合土的物理力學(xué)性質(zhì)；（3）確定理論計(jì)算和工程設(shè)計(jì)參數(shù)；（4）驗(yàn)證計(jì)算理論的正確性及實(shí)用性；（5）原位測(cè)試、原型監(jiān)測(cè)直接為土木工程服務(wù)，也是分析和實(shí)現(xiàn)信息化施工的手段二、土工試驗(yàn)的分類土工試驗(yàn)包括：室內(nèi)試驗(yàn)：如容重試驗(yàn)、含水量試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限壓縮試 驗(yàn)等。 原型測(cè)試：平板荷載試驗(yàn)、靜力觸探、十字板剪切試驗(yàn)等 模型試驗(yàn)（模擬試驗(yàn)）：足尺試驗(yàn)，加筋擋土墻的足尺試驗(yàn)等 原型監(jiān)測(cè)：深基坑開(kāi)挖工程監(jiān)測(cè)、隧道

2、施工監(jiān)測(cè)、軟土上路堤沉 降監(jiān)測(cè)等 1.1室內(nèi)試驗(yàn) 111直剪試驗(yàn)（a）儀器簡(jiǎn)圖5破壞狀為初始狀壽剛性單剪儀（常規(guī)單剪儀）剛性直剪儀是土力學(xué)中最古老的儀器之一。剛性單剪儀的主要優(yōu)點(diǎn)：直觀、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，尤其對(duì)于砂土和滲透系數(shù)k10 - 7cm/s 的粘性土能很快得到試驗(yàn)結(jié)果。剛性單剪儀的主要 缺點(diǎn)：試驗(yàn)的破壞面（即剪切面）是人為確定的，剪切面面積因 位移而減小，邊界上存在應(yīng)力集中，剪切過(guò)程中存在明顯的應(yīng)力，應(yīng)變不均勻。且 十分復(fù)雜，試樣內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力路徑不同。在剪切面附近土單元上的主應(yīng)力 大小是變化的，方向是旋轉(zhuǎn)的。多環(huán)單剪儀單剪儀中，用一系列環(huán)形圈代替剛性盒，因而沒(méi)有明顯的應(yīng)力，應(yīng)變不均勻

3、， 試樣內(nèi)所加的應(yīng)力被認(rèn)為是純剪。20破尿狀態(tài)/初始狀態(tài)久 久應(yīng)力摩爾圓圓心不變，其直徑逐漸擴(kuò)大，直至與強(qiáng)度線相切。這種儀器可以做動(dòng) 靜剪切試驗(yàn)（動(dòng)單剪試驗(yàn)），有很多明顯的有優(yōu)點(diǎn)環(huán)剪儀試樣是環(huán)狀的，剪切沿著圓周方向旋轉(zhuǎn)，剪切面的總面積不變。特別適用于：量測(cè)大應(yīng)變后土的殘余強(qiáng)度或終極強(qiáng)度； 不同材料間接觸面的剪切特性（如土與砼、土與鋼、土與土工合成 材料）上試樣、/ /Z/J/ / J一一.7rf/環(huán)剪儀1還圖卜檢固定 113三軸試驗(yàn)靜三軸試驗(yàn)靜三軸試驗(yàn)（三軸壓縮試驗(yàn)）是測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的一種方法。它通常用3-4個(gè)圓柱形試樣，分別在不同的恒定周圍壓力（ 3）下，施加軸向壓力，即主應(yīng)力差（1- 3

4、）,進(jìn)行剪切直到破壞；然后根據(jù)摩爾-庫(kù)倫理論，求得抗剪強(qiáng)度參數(shù)。應(yīng)變控制式三軸剪切儀1-調(diào)壓筒？ 2-周圍壓力表？ $-周圍壓力閥;4-排水閥；5-體變管; 監(jiān)噩7;/翊奈欝調(diào)匾髏加曆鬣16-孔隙壓力閥罩17-S合器，18-手輪；19-馬達(dá)；20-變速箱適用于測(cè)定細(xì)粒土及砂類土的總抗剪強(qiáng)度參數(shù)及有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)。試驗(yàn)主題詞：周圍壓力；軸向壓力；不固結(jié)不排水剪；固結(jié)不排水剪；固結(jié)排水優(yōu)點(diǎn)：可以完整地反映試樣受力變形直到破壞的全過(guò)程； 可以模擬不同工況，進(jìn)行一些不同應(yīng)力路徑的試驗(yàn); 可以很好地控制排水條件； 不排水條件下還可以量測(cè)試樣的超靜孔隙水壓力。主要缺點(diǎn)：兩個(gè)主應(yīng)力（T 2, 3總是相等。靜

5、三軸試驗(yàn)試樣的應(yīng)力狀態(tài) 114三軸試驗(yàn)為了模擬循環(huán)加載情況下土的動(dòng)力特性，人們?cè)诔Ｒ?guī)靜三軸儀基礎(chǔ)上，在軸向 增加激振系統(tǒng)。其激振方式有電磁力、氣（液）壓力、慣性力等。后來(lái)發(fā)展可以在 軸壓和室壓兩向分別激振。動(dòng)三軸試樣的應(yīng)力狀態(tài)和典型試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖1110。用這種試驗(yàn)可從確定土的動(dòng)模量、阻尼比、動(dòng)強(qiáng)度和確定飽和土的抗液化剪應(yīng) 力等。|od VVA?(a)試樣應(yīng)力狀態(tài)圖1110動(dòng)三軸試驗(yàn) 115共振柱試驗(yàn)研究土的動(dòng)力特性除了上述的動(dòng)單剪試驗(yàn)、動(dòng)三軸試驗(yàn)以外，共振柱試驗(yàn)也是 一個(gè)重要手段。共振柱試驗(yàn)的原理是通過(guò)激振系統(tǒng)，使試樣發(fā)生振動(dòng)，調(diào)節(jié)激振頻率，直至試 樣發(fā)生共振。從而確定彈性波在試樣中傳播的速度

6、，計(jì)算試樣的彈性模量、剪切模 量和阻尼比。共振柱試驗(yàn)的試樣可以是圓柱形的，也可以是空心圓柱形的。試樣可以是一端 固定，一端自由；或者一端固定，另一端為彈簧和阻尼器支承。試樣在壓力室中可 能是各向等壓應(yīng)力狀態(tài)；也可以是軸向與側(cè)向壓力不等的應(yīng)力狀態(tài)。如圖 1120所 示。軸向荷載垂直荷載傳感器空心試樣2壓 =排水孔旋轉(zhuǎn)軸F動(dòng)固定上下自由 加速度計(jì)上下可動(dòng)的圓盤(pán) 壓力室水（臼）各向等壓共提柱（b）軸向與側(cè)向不等壓共振柱圖1120共振柱試驗(yàn)裝置其它：真三軸試驗(yàn)，高壓三軸儀，大型三軸儀（粗顆粒土），非飽和土三軸儀, 空心圓柱扭剪試驗(yàn)和方向剪切試驗(yàn)。 1.2模型試驗(yàn)直接在結(jié)構(gòu)即原型上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，稱為原型實(shí)

7、驗(yàn)；在按照原型設(shè)計(jì)的模型上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，則稱為模型實(shí)驗(yàn)。一般說(shuō)來(lái)，前者比后者更為真實(shí)。但在進(jìn)行研究或?qū)?新設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，或者由于種種原因而不能進(jìn)行原型實(shí)驗(yàn)時(shí)，模型實(shí)驗(yàn)就成為 重要的手段。使模型和原型相似所根據(jù)的理論，稱為模型理論，它的基礎(chǔ)是相似理 論。模型試驗(yàn)一直是巖土工程中的一種重要研究手段，它既可用來(lái)檢驗(yàn)各種理論分 析和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，也可用來(lái)直接指導(dǎo)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工。1.2.1 1g 下的模型試驗(yàn)在通常的重力場(chǎng)中（1g）,在一定的邊界條件下對(duì)土工建筑物或地基進(jìn)行模擬，量測(cè)有關(guān)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過(guò)一定的理論計(jì)算或數(shù)據(jù)計(jì)算來(lái)檢驗(yàn)理論計(jì)算結(jié)果。分為：小比尺試驗(yàn)和足尺試驗(yàn)小比尺試驗(yàn)：將土工建

8、筑物或地基及基礎(chǔ)縮小 n 倍，自重和荷載及應(yīng)力水平同樣 也縮小 n 倍。足尺試驗(yàn)：（一）相似模擬試驗(yàn)的一些概念眾所周知，自然界中許許多多的物理現(xiàn)象的研究都是憑借相似模擬試驗(yàn)的手段 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而試驗(yàn)結(jié)果的精度如何，則是由試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c物理原型之間的相似程度所 決定的。為了使模型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象盡可能地反映出實(shí)物（原型）發(fā)生的現(xiàn)象，應(yīng)嚴(yán)格按照相 似理論來(lái)確定模型實(shí)驗(yàn)的幾何尺寸和物理特性。但一般情況下，特別是巖土工程試 驗(yàn)，很難使原型與模型各方面都相似，有時(shí)只能針對(duì)主要研究的問(wèn)題，使某些方面 相似，而忽略其它方面。相似常數(shù)（相似系數(shù)）：Cx=模型物理量Xm /原型物理量Xo,如幾何相似常數(shù)CL=Lm/Lo相似指

9、標(biāo) ：兩個(gè)系統(tǒng)中的相似常數(shù)之間的關(guān)系式稱為相似指標(biāo)。若兩個(gè)系統(tǒng)相似，則相似指標(biāo)為 1。相似判據(jù) ：如上所述，相似現(xiàn)象的同一物理量之比，稱為相似常數(shù)，或稱相似 系數(shù)。所有相似系數(shù)之間，存在著某種關(guān)系式，稱為相似指標(biāo)。與此對(duì)應(yīng)，相似現(xiàn) 象各物理量之間，也存在某種關(guān)系式，稱為相似判據(jù)。相似第一定律 ：相似現(xiàn)象用相同的方程式描述。彼此相似的現(xiàn)象，其相似指標(biāo) 等于 1,其相似判據(jù)的數(shù)值相等。即彼此相似的現(xiàn)象，單值條件相同，其相似判據(jù)也 相同。屬于單值條件的因素有：幾何參數(shù)、重要物理參數(shù)、起始狀態(tài)、邊界條件等。相似第二定律 ：當(dāng)一個(gè)現(xiàn)象由 n 個(gè)物理量的函數(shù)關(guān)系來(lái)表示，且這些物理量中 含有m種基本量綱時(shí)，

10、貝卩能得到（n-m）個(gè)相似判據(jù)。相似第三定律 ：凡具有同一特性的現(xiàn)象，當(dāng)單值條件彼此相似，且由單值條件 的物理量組成的相似判據(jù)在數(shù)值上相等，貝就此現(xiàn)象必定相似。或者說(shuō)，單值條件 相似，且從它導(dǎo)出的相似判據(jù)的數(shù)值相等，是現(xiàn)象彼此相似的充分和必要條件。以上是模型設(shè)計(jì)和獲得相似量必須遵循的法貝。（二）模型試驗(yàn)實(shí)例 下面某地區(qū)獅子山第二根抗滑樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)為原型，按照相似理論來(lái)確定抗滑樁 模型實(shí)驗(yàn)的幾何尺寸和主要物理力學(xué)參數(shù)。（ 1）相似率的決定和模擬錨固土層砂樣的選取 由相似理論可知，兩個(gè)系統(tǒng)相似的充分必要條件是一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由一一 變換與另一系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相聯(lián)系，也就是說(shuō)通過(guò)調(diào)試模型各參數(shù)的比例尺

11、，使得 模型和實(shí)物滿足共同的方程式。下面就是關(guān)于相似率方面的計(jì)算。圖1-2模型試驗(yàn)(a)樁的微分方程(1-1)曰乎BKW其中E、I、B、W分別為樁的抗彎模量、慣性矩、寬度和水平位移;K地基系數(shù)；q單位高度上的水平荷載；y 樁任一點(diǎn)離地表的距離對(duì)于樁的錨固段來(lái)說(shuō)，由于巖土性質(zhì)一般較好，加上在模型實(shí)驗(yàn)里尺寸不大，地基系數(shù)不會(huì)有大的變化，所以在這里 K取常數(shù)。至于q,對(duì)于錨固段來(lái)說(shuō)為零值（b）采用相似理論積分類比法求相似判據(jù)去掉（1-1）式的微分符號(hào)，則（1-1）化成：WEl -v BKW 二 0y化成無(wú)量綱表達(dá)式：ElBKy4得到相似判據(jù):EIBKy4(1-2)CEICBCKCL其中 C表示各參數(shù)

12、的相似比；E、I、B、W分別為樁的抗彎模量、慣性矩、寬度和水平位移;K 地基系數(shù);q單位高度上的水平荷載;y 樁任一點(diǎn)離地表的距離地基系數(shù)的相似比:CkKmKocB 二 Bm抗滑樁寬度的相似比：B?？箯潉偠鹊南嗨票龋篊EI抗滑樁錨固長(zhǎng)度相似比:ClLm Lo(El)m (El)。由( 1-2)解得CkCeiCbC：KmCeiCbC；4Ko以上，下標(biāo)0表示原型的數(shù)據(jù)；上標(biāo) m表示模型的數(shù)據(jù)參考獅子山第二根抗滑樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)0.8m，(EI)0= 2.94 109N m,m= 2.94 106kNm，LT0m, K0 T.47 2.156 106kN/m3模型樁采用空心方形有機(jī)玻璃樁，模型樁的幾何

13、尺寸樁長(zhǎng) Lm = 100cm，邊長(zhǎng) Bm = 3.8cm，壁厚 t=o.55cm其它計(jì)算見(jiàn)表1-1表i-i截面尺寸a 5cm壁厚t(cm)慣性矩Im (cm4)抗彎模量Em(kN/m2)CbClCeiCeiKm(kN/m3)CBCL3.8 匯3.80.5512.9482.6Z1060.04750.11.149 匯 100.02423.56 5.21 04*樁的彈性模量E由實(shí)驗(yàn)測(cè)得Km即為在所選定樁下，模型實(shí)驗(yàn)制備時(shí)錨固層介質(zhì)必須滿足的地基系數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)存的幾種砂，考慮到Km的要求和將來(lái)便于施加超載，砂的地基系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù) m不能過(guò)大，取最大粒徑不超過(guò)3mm。再考慮到以后超載 在

14、砂面上的壓實(shí)作用，模型用密砂裝填。為滿足以上要求以及實(shí)際填裝砂的情況， 測(cè)得實(shí)驗(yàn)用砂的密度為 =1.684g/m3。查得此砂地基系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù) m =1.96 2.94 104kN /m4(2) Km的保障和超載的確定為了使錨固層的Km保證在3.56 5.21 104kN/m3之間，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湾^固層頂面必須施以超載，此超載又可近似地認(rèn)為滑坡體對(duì)錨固層的壓力。滿足Km的超載大小可通過(guò)下面的計(jì)算得到。因?yàn)樾亩得 Lm 二心(1-3)m上式中Km和 m 為上述已確定的已知值 K 3.56 5.21 104kN/m ，m =1.96 2.94 104kN /m4為了計(jì)算Lm，不妨取它們的平均

15、值，代入式(1-3)中m4.385 1042.45 104-1.79m故錨固層頂面要滿足的超載集度P = =?Lm 二 1.684 1.79 二 3.0t / m2 二 29.4kN / m2(3)實(shí)驗(yàn)中模擬下滑力加載位置的確定根據(jù)上面的計(jì)算和有關(guān)討論，選定模型樁和合適土樣后，從樁的各變量微分方程， 應(yīng)用相似理論，可以找出原型和模型樁的幾何、位移內(nèi)力之間的相似系數(shù)的關(guān)系， 利用它們可以確定實(shí)驗(yàn)中加載的位置。倒過(guò)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)中的水平側(cè)向力施于何處， 能使錨固層處樁截面的剪力和彎距以及位移按一定的相互關(guān)系變化，以便滿足我們采用的相似關(guān)系。這一點(diǎn)很重要的，因?yàn)榛瑒?dòng)面處樁截面各量不但要求相似于原型 樁的

16、特性，而且它又是滑動(dòng)面以下的初始值，其重要地位可想而知。下面就此作較 為詳細(xì)的推導(dǎo)。由于模型樁（m）和原型抗滑樁（o）的撓曲線相似，則在任一深度 y處有Ymy。Wm二Cw =常量W。樁的微分方程:dw dyEI - M dydMdydQ dy二-BKW式中Q為剪力，其它符號(hào)同前?；厦娣匠虨闊o(wú)量綱形式EI 1 - 0 yMMQyBKwy所以C =1CyCCei C1CyCMCM.1CyCQCQ其中yCQ1CBCKCyCwCmCwCyCmCei解得CwCCeiCkCbCymyoc =MmMQm(3-4)(3-5)(禪)( ICei(3-7)式（1-7）和前面導(dǎo)得的（1-3 ）吻合，CkG，和Ce

17、i在表1-1中已求得，為已知值將（1-5）和（1-6）兩式左右對(duì)應(yīng)相除，得：CMCqMm/MoQm / Q0=Cy(1-8)取Qo、Qm和Mo、Mm錨固層即滑動(dòng)面處樁的內(nèi)力值，參考獅子山第二根抗滑樁 數(shù)據(jù)M。二87.2299t m，Q二24.3863t，之所以取這兩個(gè)值，是因?yàn)樵谶@個(gè)現(xiàn) 場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)滑動(dòng)面處剪力Q Qo、彎距MMo時(shí)，地表土層開(kāi)始破壞，樁身開(kāi)始出 現(xiàn)裂縫，所以由Mo和Qo算得的Mm和Qm可作為最大內(nèi)力參考值，相應(yīng)得到的外荷為 最大下滑力的參考值。在模型實(shí)驗(yàn)中Mm=PLm=QmLm，其中Lm為下滑力合力P距錨固層面的高度，見(jiàn)圖1-2又知 Cy 二 CL =1/10將以上數(shù)據(jù)代入（

18、3-8）式，得QmLm . 24.38631Qm * 87.229910得 Lm 二 0.3577m 二 35.77厘米所以實(shí)驗(yàn)中必須控制加荷高度在3536厘米內(nèi)才能在滑面處得到要求的彎距、剪力和變位。（4）模型裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置由五大部分組成，它們分別是：模型槽、超載系統(tǒng)、側(cè)向施力系統(tǒng)、應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，見(jiàn)圖1-2。1模型樁 2杠桿 3分壓板 4軟質(zhì)橡膠膜 5鋼釬6百分表 7紫銅管 8模型槽9 錨固層砂 10拉絲 11傳感器 12滑輪 13反力架 14盛重容器 15土壓力盒1）模型槽：大小為100 40 70厘米，它的最小尺寸大于5樁徑以上，滿足樁徑效應(yīng)范圍。槽壁用角鋼加固以限制側(cè)向位移2） 超載系統(tǒng)：由于超載總重達(dá)1.4噸，砂子又要多次裝卸，若直接加重物，十分笨重，很不方便， 為此設(shè)計(jì)了四個(gè)杠桿來(lái)分擔(dān)和減少重物，另外為了盡可能地使超載在砂面上均勻分布，除了設(shè) 置分壓板外，在分壓板下還鋪墊了數(shù)層軟橡膠膜。3） 位移量測(cè)系統(tǒng)：為了準(zhǔn)確測(cè)出實(shí)驗(yàn)時(shí)樁的變位，構(gòu)置了如圖1