土工試驗(yàn)與測(cè)試

1、第1章 土工試驗(yàn)與測(cè)試1第1章 土工試驗(yàn)與測(cè)試1.1 室內(nèi)試驗(yàn)1.2 模型試驗(yàn)1.3 原位測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)2土力學(xué)中試驗(yàn)與測(cè)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(jì)參數(shù)，驗(yàn)證各種理論的正確性和實(shí)用性； 3模型試驗(yàn)、足尺試驗(yàn)不僅可以驗(yàn)證理論與數(shù)值計(jì)算的合理性，還可用以解決實(shí)際工程問(wèn)題； 4原位測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為數(shù)值計(jì)算的反分析、安全性評(píng)價(jià)和信息化施工服務(wù)31.1 室內(nèi)試驗(yàn)1.1.1 強(qiáng)度測(cè)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(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)（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(jiǎn)圖7初始狀態(tài)直剪試驗(yàn)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(dòng)力試驗(yàn)（4）破壞面位置不確定單剪試驗(yàn)原理 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，試樣內(nèi)所施加的應(yīng)力被認(rèn)為是純剪。91011單剪

3、試驗(yàn)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(yàn)應(yīng)力狀態(tài)變化123. 環(huán)剪儀（torsional (ring) shear apparatus）實(shí)驗(yàn)原理： 環(huán)剪儀的剪切盒一般由一對(duì)金屬環(huán)組成，試樣放在環(huán)狀剪切盒內(nèi)。試驗(yàn)時(shí)，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(guò)傳力板上的刀口將試樣上表面固定，而下剪切盒轉(zhuǎn)動(dòng)給試樣施加扭矩，實(shí)際上環(huán)剪試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)一樣，破壞面是一個(gè)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(gè)正壓力試 驗(yàn) 測(cè)定殘余強(qiáng)度13環(huán)剪試驗(yàn)14151.1.2 變形參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)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(yàn)3試驗(yàn)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(yàn)17181.1.3 三軸儀與試驗(yàn)（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(cè)定土的強(qiáng)度參數(shù)（4）1959 黃文熙，汪聞韶 研制動(dòng)三軸試驗(yàn)（5）三軸儀的發(fā)展：動(dòng)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(qiáng)度試驗(yàn)（7） 應(yīng)力狀態(tài)明確，簡(jiǎn)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(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)圖22固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)23兩個(gè)參數(shù)p， q 對(duì)于三軸應(yīng)力狀態(tài)：=這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于三軸應(yīng)力狀態(tài)使用比較簡(jiǎn)便24本書中也常用另外兩個(gè)常用參數(shù)（不計(jì)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(gè)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(yàn)HC：靜水壓力（各向等壓）試驗(yàn)23PL：比例加載試驗(yàn)： / 3為常數(shù)CTC：常規(guī)三種壓縮試驗(yàn) ：3為常數(shù)（圍壓）CTE：常規(guī)三軸伸長(zhǎng)（擠長(zhǎng)）試驗(yàn)： 3（軸應(yīng)力） 為常數(shù)TC： p為常數(shù)三軸壓縮試驗(yàn)（軸應(yīng)力增圍壓減）TE： p為常數(shù)三軸伸長(zhǎng)試驗(yàn)（軸應(yīng)力減圍壓增

6、）RTC：減壓三軸壓縮試驗(yàn)： （軸應(yīng)力）為常數(shù)RTE：減壓三軸伸長(zhǎng)試驗(yàn)：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(jìn)行不

7、同應(yīng)力路徑的試驗(yàn)29不同應(yīng)力路徑下的三軸試驗(yàn)應(yīng)力特點(diǎn)（加載時(shí)）30不同應(yīng)力路徑的斜率:CTC（常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn))：c為常數(shù)，31CTE（常規(guī)三軸伸長(zhǎng)擠長(zhǎng)試驗(yàn))：a為常數(shù)， c增加32RTC （減載三軸壓縮試驗(yàn))：a為常數(shù)， c減小33RTE（減載三軸伸長(zhǎng)試驗(yàn))：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(yàn)的一些問(wèn)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(cè) 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(cè)方法

8、36圖112 三軸試驗(yàn)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(cè)的體變偏大 不排水條件：使量測(cè)正孔壓變小 使負(fù)孔壓絕對(duì)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(cè)的體變?cè)黾?8固結(jié)不排水試驗(yàn)：固結(jié)：膜嵌入，前進(jìn)剪縮：正孔壓使有效圍壓減少，膜將后退（剪脹時(shí)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?。?）剪脹產(chǎn)生負(fù)孔壓情況相反393. 幾種特殊的三軸試驗(yàn) 圍壓力 Kc=靜應(yīng)力比 d：動(dòng)應(yīng)力（1）動(dòng)三軸儀與試驗(yàn)(110-2)40td0d11d動(dòng)三軸試驗(yàn)原理41動(dòng)三軸試驗(yàn)的實(shí)測(cè)

9、曲線動(dòng)應(yīng)力d動(dòng)應(yīng)變d振動(dòng)孔隙水壓力ud42圖119 砂土的動(dòng)強(qiáng)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(shí)有效應(yīng)力圓動(dòng)加載過(guò)程 隨著循環(huán)加載過(guò)程，孔壓逐漸增加，莫爾圓左移最后與靜強(qiáng)度包線相切循環(huán)加載下的莫爾園44（2） 共振柱試驗(yàn)儀(110-2) 激振（軸向，扭剪）共振測(cè)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(yàn)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(yàn)：49材料的尺寸模擬的級(jí)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(jí)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(duì)于強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和其它性質(zhì)的影響，尚有待于進(jìn)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(yàn)圍壓達(dá)到600kPa1MPa，高壓三軸圍壓可達(dá)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(qiáng)度有很大不同。如顆粒破碎，剪脹消失等（4）高壓三軸試驗(yàn)儀：52535455 軸應(yīng)變量側(cè)精度達(dá)0.00005 壓力室內(nèi)量測(cè)局部變形 與一般三軸試驗(yàn)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(yàn)（5） 量測(cè)小應(yīng)變?nèi)S試驗(yàn)5657不同量測(cè)方法的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系用LDT與外部位移計(jì)量測(cè)軟巖試樣的應(yīng)變581.1.4 真三軸試驗(yàn)（1） （2）研究中主應(yīng)力對(duì)于強(qiáng)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(yàn)證59606162Lo等人改制的真三軸儀在壓力

12、室中加一對(duì)側(cè)壓力板636465Lade-Duncan的改制真三軸儀66x、 y、z 三個(gè)方向是否獨(dú)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(dú)為小主應(yīng)力：0120（無(wú)張拉時(shí)）盒式真三軸儀沒(méi)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(yàn)應(yīng)力路徑兩種砂試驗(yàn)的應(yīng)變路徑681.1.5 空心圓柱扭剪試驗(yàn)與方向剪切試驗(yàn)（1） 一般的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：nmf(ij)（2） 變化六個(gè)應(yīng)力變量（ x，y，z，xy，zy，zx)（3） 或者變化三個(gè)主應(yīng)力三個(gè)方向角（4） 目前還沒(méi)有這樣的儀器69空心圓柱扭剪試驗(yàn)儀

13、70空心圓柱扭剪儀試驗(yàn)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(jì)算741.1.6 非飽和土吸力測(cè)試張力計(jì)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(jì)法：熱電耦濕度計(jì)測(cè)土孔隙相對(duì)濕度uv： 由公式計(jì)算uv-S關(guān)系。軸平移法：高進(jìn)氣值陶瓷板。在飽和以后，由 于收縮膜作用，空氣不能進(jìn)入通過(guò) 陶瓷板。751張力計(jì)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(yàn)裝置總布置圖841.2 模型試驗(yàn)（1） 1g的

14、試驗(yàn) 小比尺與足尺試驗(yàn)（n=1)（2） ng的模型試驗(yàn) 離心機(jī)，滲水力等851.2.1 1g的試驗(yàn)1. 1g的小比尺試驗(yàn) 優(yōu)點(diǎn)： 容易，經(jīng)濟(jì) 缺點(diǎn)：不能定量。由于土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非線性；強(qiáng)度非線性；低圍壓下的剪脹性；粘聚力無(wú)法模擬1/ 3低圍壓高圍壓應(yīng)力應(yīng)變、強(qiáng)度與應(yīng)力水平的關(guān)系862. 極小圍壓的三軸試驗(yàn)極難進(jìn)行誤差來(lái)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(duì)試樣的附加壓力 負(fù)壓制樣 傳力桿的摩擦力等87 3. 1g的足尺試驗(yàn) 結(jié)果有說(shuō)服力，資料寶貴 ，造價(jià)昂貴 881.2.2 ng的模型試驗(yàn)土工離心機(jī)模型試驗(yàn)（centrifuge) 利用離心力場(chǎng)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(jī)加速度為： 89 優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)力應(yīng)變相同；破壞機(jī)理及現(xiàn)象相似；可以模擬實(shí)際工程問(wèn)題及邊界條件 缺點(diǎn)：應(yīng)力場(chǎng)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(kāi)挖、地下工程、地震等90土工離心實(shí)驗(yàn)中的比尺因素91離心機(jī)裝置示意圖9293優(yōu)點(diǎn)：方便，經(jīng)濟(jì)，簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：土的限制，地面齊平，飽和土，試驗(yàn)中滲 透系數(shù)的可能變化應(yīng)用：淺基礎(chǔ)，單樁，動(dòng)力實(shí)驗(yàn) 2. 滲水力模型試驗(yàn)原理：用水中向下的滲透力模擬重力，從而達(dá)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(yàn)95滲水力模型試驗(yàn)示意圖961.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

16、與原型觀測(cè)1.3.1 平板載荷試驗(yàn)1.3.2 靜力觸探1.3.3 動(dòng)力觸探1.3.4 十字板剪切實(shí)驗(yàn)1.3.5 旁壓試驗(yàn)1.3.6 螺旋載荷板（SPC）與鉆孔剪切儀（BST）1.3.7 物探試驗(yàn)1.3.8 原型觀測(cè)971.3.1 平板載荷試驗(yàn)(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(dòng)力觸探（Dynamic Penetration Test）標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT)103104各種動(dòng)力觸探探頭輕型10kg重型63.5kg中型105標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)：N63.5標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)探頭106十字板剪切試驗(yàn)1.3.4 十字板剪切實(shí)驗(yàn)（Vane Shear Test）1071.3.5 旁壓試驗(yàn)（Pressuremeter)旁壓儀工作示意圖 評(píng)定地基承載力和變形參數(shù)，測(cè)求土的原位水平應(yīng)力、靜止土壓力系數(shù)、不排水抗剪強(qiáng)度。108plv彈性階段塑性階段旁壓試驗(yàn)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(yàn)110