土工試驗與測試

1、第1章 土工試驗與測試1第1章 土工試驗與測試1.1 室內(nèi)試驗1.2 模型試驗1.3 原位測試與現(xiàn)場觀測2土力學(xué)中試驗與測試的作用 1揭示土一般的力學(xué)性質(zhì)和規(guī)律理論的建立，了解特定的土的物理力學(xué)性質(zhì)； 2確定各種理論和工程設(shè)計參數(shù)，驗證各種理論的正確性和實用性； 3模型試驗、足尺試驗不僅可以驗證理論與數(shù)值計算的合理性，還可用以解決實際工程問題； 4原位測試、現(xiàn)場監(jiān)測為數(shù)值計算的反分析、安全性評價和信息化施工服務(wù)31.1 室內(nèi)試驗1.1.1 強度測定儀器 直剪儀（direct shear apparatus） 單剪儀（direct simple shear apparatu） 環(huán)剪儀 （tors

2、ional (ring) shear apparatus）41. 直剪儀（direct shear apparatus）（1） 古老：1776年 Coulomb（2） 直觀、簡便、經(jīng)濟（3） 應(yīng)力應(yīng)變條件復(fù)雜、不均勻（4） 排水條件不明確56直剪儀儀器簡圖7初始狀態(tài)直剪試驗中剪切面處土的應(yīng)力狀態(tài)變化0f1v破壞狀態(tài)f1f3k0v82.單剪儀（direct simple shear apparatus）（1）應(yīng)力狀態(tài)均勻（2）斷面積不變（3）循環(huán)加載與動力試驗（4）破壞面位置不確定單剪試驗原理 用一系列環(huán)形圈代替剛性盒，因而沒有明顯的應(yīng)力應(yīng)變不均勻，試樣內(nèi)所施加的應(yīng)力被認為是純剪。91011單剪

3、試驗的應(yīng)力狀態(tài)：水平面不一定是破壞面初始狀態(tài)破壞狀態(tài)1f3fvvh,h單剪試驗應(yīng)力狀態(tài)變化123. 環(huán)剪儀（torsional (ring) shear apparatus）實驗原理： 環(huán)剪儀的剪切盒一般由一對金屬環(huán)組成，試樣放在環(huán)狀剪切盒內(nèi)。試驗時，法向應(yīng)力由傳力板直接施加在環(huán)狀試樣的上部，并通過傳力板上的刀口將試樣上表面固定，而下剪切盒轉(zhuǎn)動給試樣施加扭矩，實際上環(huán)剪試驗和直剪試驗一樣，破壞面是一個預(yù)設(shè)的剪切面。（1） 剪切面面積不變（2） 便于用同一試樣連續(xù)做幾個正壓力試 驗 測定殘余強度13環(huán)剪試驗14151.1.2 變形參數(shù)測定試驗側(cè)限壓縮儀 （oedometer consolidat

4、ion test apparatus）1側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)（hK0v)2壓縮與固結(jié)試驗3試驗結(jié)果：e-p曲線與e-lgp曲線：（側(cè)限）壓縮模量：Es 壓縮系數(shù)：a 體積壓縮系數(shù)：mv壓縮（回彈）指數(shù)Cc、 Ce16環(huán)刀側(cè)限壓縮試驗17181.1.3 三軸儀與試驗（1）1930 A. Casagrande 提出圓柱試樣（2）1933 Seffert 用三軸儀研究固結(jié)（3）1934 Rendulic 利用測定土的強度參數(shù)（4）1959 黃文熙，汪聞韶 研制動三軸試驗（5）三軸儀的發(fā)展：動三軸、大尺寸三軸儀、 高壓三軸、非飽和土三軸儀、應(yīng)力與應(yīng)變路徑控制三軸儀（6）變形與強度試驗（7） 應(yīng)力狀態(tài)明確，簡單

5、；排水條件明確1920三軸儀三軸儀原理圖21常規(guī)三軸壓縮試驗的應(yīng)力狀態(tài)簡圖22固結(jié)不排水三軸試驗23兩個參數(shù)p， q 對于三軸應(yīng)力狀態(tài)：=這兩個參數(shù)對于三軸應(yīng)力狀態(tài)使用比較簡便24本書中也常用另外兩個常用參數(shù)（不計中主應(yīng)力）25 一般應(yīng)力狀態(tài)下，為了表示主應(yīng)力的大小常用另外兩個參數(shù)應(yīng)力洛得角： 畢肖甫參數(shù)：261. 三軸儀的不同應(yīng)力路徑試驗HC：靜水壓力（各向等壓）試驗23PL：比例加載試驗： / 3為常數(shù)CTC：常規(guī)三種壓縮試驗 ：3為常數(shù)（圍壓）CTE：常規(guī)三軸伸長（擠長）試驗： 3（軸應(yīng)力） 為常數(shù)TC： p為常數(shù)三軸壓縮試驗（軸應(yīng)力增圍壓減）TE： p為常數(shù)三軸伸長試驗（軸應(yīng)力減圍壓增

6、）RTC：減壓三軸壓縮試驗： （軸應(yīng)力）為常數(shù)RTE：減壓三軸伸長試驗：1 （圍壓）為常數(shù)27HC: hydrostatic compressionCTC: conventional triaxial compressionCTE: conventional triaxial extensionRTC: reduced triaxial compressionRTE: reduced teiaxial extensionTC: triaxial compressionTE: triaxial extension28qpTCTEHC0RTERTCPLCTC31CTE32圖110 利用三軸儀進行不

7、同應(yīng)力路徑的試驗29不同應(yīng)力路徑下的三軸試驗應(yīng)力特點（加載時）30不同應(yīng)力路徑的斜率:CTC（常規(guī)三軸壓縮試驗)：c為常數(shù)，31CTE（常規(guī)三軸伸長擠長試驗)：a為常數(shù)， c增加32RTC （減載三軸壓縮試驗)：a為常數(shù)， c減小33RTE（減載三軸伸長試驗)：c為常數(shù)， a減小34qpTCTEHC0RTERTCPLCTC31CTE323-2圖111 三種應(yīng)力路徑的斜率352. 三軸試驗的一些問題（1）邊界條件影響： 上下的邊界的摩擦增加了局部的圍壓 使應(yīng)力、變形不均勻改變了破壞狀態(tài)鼓脹與剪切面形成 （2) 試樣體積變化的量測 飽和土：量水管 非飽和土：壓力室的體積變化（雙筒） 其它的量測方法

8、36圖112 三軸試驗中的剪切破壞情況37（3）關(guān)于膜嵌入的影響（membrane penetration) 排水條件：使量測的體變偏大 不排水條件：使量測正孔壓變小 使負孔壓絕對值變小。剛性邊界下受力變形示意圖膜嵌入示意圖：排水情況：使量測的體變增加38固結(jié)不排水試驗：固結(jié)：膜嵌入，前進剪縮：正孔壓使有效圍壓減少，膜將后退（剪脹時相反）（1）固結(jié)施加 膜嵌入（2）產(chǎn)生正孔壓u：膜回彈，使骨架中部分水排出（3）孔壓減小（4）剪脹產(chǎn)生負孔壓情況相反393. 幾種特殊的三軸試驗 圍壓力 Kc=靜應(yīng)力比 d：動應(yīng)力（1）動三軸儀與試驗(110-2)40td0d11d動三軸試驗原理41動三軸試驗的實測

9、曲線動應(yīng)力d動應(yīng)變d振動孔隙水壓力ud42圖119 砂土的動強度曲線Dr=0.57kPad /(3)10100（lg)Nf0.20.40.60Kc=3Kc=2Kc=1Kc=1/343ducr靜應(yīng)力狀態(tài)總應(yīng)力圓破壞時有效應(yīng)力圓動加載過程 隨著循環(huán)加載過程，孔壓逐漸增加，莫爾圓左移最后與靜強度包線相切循環(huán)加載下的莫爾園44（2） 共振柱試驗儀(110-2) 激振（軸向，扭剪）共振測定彈性模量，剪切模量，阻尼比； 圓柱形、空心圓柱形； 一端固定，一端自由；一端固定，另一端彈簧或者阻尼器； 試樣在壓力室，各向等壓；不等壓。45共振柱試驗儀器示意圖464748 堆石壩材料 路渣與墊層 建筑垃圾與生活垃圾

10、 礦渣與礦山材料 試樣直徑：150mm，300mm，500mm， 700mm，1000mm（3） 大型三軸試驗：49材料的尺寸模擬的級配曲線：原型料，相似法，剔除法，替代法，綜合法dmaxD/5不同方法材料尺寸模擬的級配曲線1006050.1d200原型料相似法替代法剔除法50相似法: 所有粒徑除以200/60=3.33剔除法: 剔除所有大于60mm的粒徑替代法: 將2005mm的粒徑用605mm粒徑 代替綜合法：幾種方法的綜合制樣方法、試樣密度及對于強度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和其它性質(zhì)的影響，尚有待于進一步研究例子：原型料: 最大粒徑200mm，三軸試樣直徑300mmdmax300mm/560mm5

11、1 一般的三軸試驗圍壓達到600kPa1MPa，高壓三軸圍壓可達到10MPa以上 模擬高壩深覆蓋層等情況 在高壓下，土的應(yīng)力變形強度有很大不同。如顆粒破碎，剪脹消失等（4）高壓三軸試驗儀：52535455 軸應(yīng)變量側(cè)精度達0.00005 壓力室內(nèi)量測局部變形 與一般三軸試驗比較，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有很大區(qū)別 用于硬土、軟巖與原狀土試驗（5） 量測小應(yīng)變?nèi)S試驗5657不同量測方法的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系用LDT與外部位移計量測軟巖試樣的應(yīng)變581.1.4 真三軸試驗（1） （2）研究中主應(yīng)力對于強度的影響（3）探討土的復(fù)雜應(yīng)力路徑上的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系（4）本構(gòu)關(guān)系的驗證59606162Lo等人改制的真三軸儀在壓力

12、室中加一對側(cè)壓力板636465Lade-Duncan的改制真三軸儀66x、 y、z 三個方向是否獨立施加大、中、小主應(yīng)力？自由面x一般只為小主應(yīng)力； 板方向y不能單獨為小主應(yīng)力：0120（無張拉時）盒式真三軸儀沒有這一限制zxyzyx盒式與改制的真三軸儀真三軸儀間的區(qū)別：67v0.8420圖129 在平面上沿圓周循環(huán)360以上的真三軸試驗應(yīng)力路徑兩種砂試驗的應(yīng)變路徑681.1.5 空心圓柱扭剪試驗與方向剪切試驗（1） 一般的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：nmf(ij)（2） 變化六個應(yīng)力變量（ x，y，z，xy，zy，zx)（3） 或者變化三個主應(yīng)力三個方向角（4） 目前還沒有這樣的儀器69空心圓柱扭剪試驗儀

13、70空心圓柱扭剪儀試驗的應(yīng)力狀態(tài)zpopi可變化z r zRiR0zrz7172n1主應(yīng)力方向的旋轉(zhuǎn)73空心圓柱扭剪儀中的應(yīng)力計算741.1.6 非飽和土吸力測試張力計法：90kPa，可用于野外。 濾紙法：濾紙與土含水量平衡，從濾紙S-w關(guān) 系確定吸力。濕度計法：熱電耦濕度計測土孔隙相對濕度uv： 由公式計算uv-S關(guān)系。軸平移法：高進氣值陶瓷板。在飽和以后，由 于收縮膜作用，空氣不能進入通過 陶瓷板。751張力計法：小于90kPa，可用于野外762濾紙法：濾紙與土含水量平衡，從濾紙S- w關(guān)系確定吸力。772軸平移法：787980818283試驗裝置總布置圖841.2 模型試驗（1） 1g的

14、試驗 小比尺與足尺試驗（n=1)（2） ng的模型試驗 離心機，滲水力等851.2.1 1g的試驗1. 1g的小比尺試驗 優(yōu)點： 容易，經(jīng)濟 缺點：不能定量。由于土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非線性；強度非線性；低圍壓下的剪脹性；粘聚力無法模擬1/ 3低圍壓高圍壓應(yīng)力應(yīng)變、強度與應(yīng)力水平的關(guān)系862. 極小圍壓的三軸試驗極難進行誤差來源: 試樣自重、試樣帽的自重 膜的徑向約束 端部約束 靜水壓力 膜的拉伸對試樣的附加壓力 負壓制樣 傳力桿的摩擦力等87 3. 1g的足尺試驗 結(jié)果有說服力，資料寶貴 ，造價昂貴 881.2.2 ng的模型試驗土工離心機模型試驗（centrifuge) 利用離心力場提高模型的體

15、積力，形成人工重力。當(dāng)原型尺寸與模型尺寸之比為n，離心機加速度為： 89 優(yōu)點：應(yīng)力應(yīng)變相同；破壞機理及現(xiàn)象相似；可以模擬實際工程問題及邊界條件 缺點：應(yīng)力場不均勻；材料模擬：土顆粒、薄板片；比尺的不一致 發(fā)展：固結(jié)、入樁、凍土、基坑開挖、地下工程、地震等90土工離心實驗中的比尺因素91離心機裝置示意圖9293優(yōu)點：方便，經(jīng)濟，簡單缺點：土的限制，地面齊平，飽和土，試驗中滲 透系數(shù)的可能變化應(yīng)用：淺基礎(chǔ)，單樁，動力實驗 2. 滲水力模型試驗原理：用水中向下的滲透力模擬重力，從而達到模型尺寸縮小n倍而土中應(yīng)力應(yīng)變與原型一致的目的。94單樁滲水力模型試驗95滲水力模型試驗示意圖961.3 現(xiàn)場試驗

16、與原型觀測1.3.1 平板載荷試驗1.3.2 靜力觸探1.3.3 動力觸探1.3.4 十字板剪切實驗1.3.5 旁壓試驗1.3.6 螺旋載荷板（SPC）與鉆孔剪切儀（BST）1.3.7 物探試驗1.3.8 原型觀測971.3.1 平板載荷試驗(plate loading test)981.3.2 靜力觸探（static cone penetration test)99100(a)單橋式 (b)雙橋式靜力觸探探頭1011021.3.3 動力觸探（Dynamic Penetration Test）標準貫入試驗（SPT)103104各種動力觸探探頭輕型10kg重型63.5kg中型105標準貫入試驗：N63.5標貫擊數(shù)N63.5 ：適用：一般粘性土，砂 土，砂礫石用途：密度，承載力， 液化判斷標準貫入試驗探頭106十字板剪切試驗1.3.4 十字板剪切實驗（Vane Shear Test）1071.3.5 旁壓試驗（Pressuremeter)旁壓儀工作示意圖 評定地基承載力和變形參數(shù)，測求土的原位水平應(yīng)力、靜止土壓力系數(shù)、不排水抗剪強度。108plv彈性階段塑性階段旁壓試驗曲線1091.3.6 螺旋載荷板（SPC）與鉆孔剪切儀（BST）螺旋載荷板螺旋載荷板試驗110