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1、土力学中试验与测试的作用土力学中试验与测试的作用 1揭示土一般的力学性质和规律理论的建立，了解特定特定的土的物理力学性质；2确定各种理论和工程设计参数，验证各种理论的正确性和实用性；3模型试验、足尺试验不仅可以验证理论与数值计算的合理性，还可用以解决实际工程问题；4原位测试、现场监测为数值计算的反分析、安全性评价和信息化施工服务第1页/共113页1.1 室内试验室内试验1.1.1 强度测定仪器 直剪仪（direct shear apparatus）单剪仪（direct simple shear apparatu）环剪仪（torsional(ring)shear apparatus）第2页/共1
2、13页1.直剪仪（直剪仪（direct shear apparatus）（1）古老：1776年 Coulomb（2）直观、简便、经济（3）应力应变条件复杂、不均匀（4）排水条件不明确第3页/共113页第4页/共113页直剪仪仪器简图第5页/共113页初始状态直剪试验中剪切面处土的应力状态变化0f1v破坏状态f1f3k0v第6页/共113页2.单剪仪（单剪仪（direct simple shear apparatus）（1）应力状态均匀（2）断面积不变（3）循环加载与动力试验（4）破坏面位置不确定单剪试验原理 用一系列环形圈代替刚性盒，因而没有明显的应力应变不均匀，试样内所施加的应力被认为是纯剪
3、。第7页/共113页第8页/共113页第9页/共113页单剪试验的应力状态：水平面不一定是破坏面初始状态破坏状态1f3fvvh,h单剪试验应力状态变化第10页/共113页3.环剪仪（环剪仪（torsional(ring)shear apparatus）实验原理：环剪仪的剪切盒一般由一对金属环组成，试样放在环状剪切盒内。试验时，法向应力由传力板直接施加在环状试样的上部，并通过传力板上的刀口将试样上表面固定，而下剪切盒转动给试样施加扭矩，实际上环剪试验和直剪试验一样，破坏面是一个预设的剪切面。（1）剪切面面积不变（2）便于用同一试样连续做几个正压力试 验 测定残余强度第11页/共113页环剪试验第
4、12页/共113页第13页/共113页1.1.2 变形参数测定试验侧限压缩仪 （oedometer consolidation test apparatus）1侧限应力状态（hK0v)2压缩与固结试验3试验结果：e-p曲线与e-lgp曲线：（侧限）压缩模量：Es 压缩系数：a 体积压缩系数：mv压缩（回弹）指数Cc、Ce第14页/共113页环刀侧限压缩试验第15页/共113页第16页/共113页1.1.3 三轴仪与试验三轴仪与试验（1）1930 A.Casagrande 提出圆柱试样（2）1933 Seffert 用三轴仪研究固结（3）1934 Rendulic 利用测定土的强度参数（4）19
5、59 黄文熙，汪闻韶 研制动三轴试验（5）三轴仪的发展：动三轴、大尺寸三轴仪、高压三轴、非饱和土三轴仪、应力与应变路径控制三轴仪（6）变形与强度试验（7）应力状态明确，简单；排水条件明确第17页/共113页第18页/共113页三轴仪三轴仪原理图第19页/共113页常规三轴压缩试验的应力状态简图第20页/共113页固结不排水三轴试验第21页/共113页两个参数p，q 对于三轴应力状态：对于三轴应力状态：=这两个参数对于三轴应力状态使用比较简便第22页/共113页本书中也常用另外两个常用参数本书中也常用另外两个常用参数（不计中主应力）（不计中主应力）第23页/共113页 一般应力状态下，为了表示主
6、应力的大小常用另外两个参一般应力状态下，为了表示主应力的大小常用另外两个参数数应力洛得角：毕肖甫参数：第24页/共113页1.三轴仪的不同应力路径试验三轴仪的不同应力路径试验HC：静水压力（各向等压）试验23PL：比例加载试验：/3为常数CTC：常规三种压缩试验：3为常数（围压）CTE：常规三轴伸长（挤长）试验：3（轴应力）为常数TC：p为常数三轴压缩试验（轴应力增围压减）TE：p为常数三轴伸长试验（轴应力减围压增）RTC：减压三轴压缩试验：（轴应力）为常数RTE：减压三轴伸长试验：1（围压）为常数第25页/共113页HC:hydrostatic compressionCTC:conventi
7、onal triaxial compressionCTE:conventional triaxial extensionRTC:reduced triaxial compressionRTE:reduced teiaxial extensionTC:triaxial compressionTE:triaxial extension第26页/共113页qpTCTEHC0RTERTCPLCTC31CTE32图110 利用三轴仪进行不同应力路径的试验第27页/共113页不同应力路径下的三轴试验应力特点（加载时）不同应力路径下的三轴试验应力特点（加载时）第28页/共113页不同应力路径的斜率:CTCC
8、TC（常规三轴压缩试验（常规三轴压缩试验)：c c为常数，为常数，第29页/共113页CTECTE（常规三轴伸长（常规三轴伸长挤长试验挤长试验)：a a为常数，为常数，c c增加增加第30页/共113页RTC RTC（减载三轴压缩试验（减载三轴压缩试验)：a a为常数，为常数，c c减小减小第31页/共113页RTERTE（减载三轴伸长试验（减载三轴伸长试验)：c c为常数，为常数，a a减小减小第32页/共113页qpTCTEHC0RTERTCPLCTC31CTE323-2图111 三种应力路径的斜率第33页/共113页2.2.三轴试验的一些问题三轴试验的一些问题（1）边界条件影响：上下的边
9、界的摩擦增加了局部的围压 使应力、变形不均匀改变了破坏状态鼓胀与剪切面形成（2)试样体积变化的量测 饱和土：量水管 非饱和土：压力室的体积变化（双筒）其它的量测方法第34页/共113页图112 三轴试验中的剪切破坏情况第35页/共113页（3 3）关于膜嵌入的影响（）关于膜嵌入的影响（）关于膜嵌入的影响（）关于膜嵌入的影响（membrane membrane penetration)penetration)排水条件：使量测的体变偏大排水条件：使量测的体变偏大 不排水条件：使量测正孔压变小不排水条件：使量测正孔压变小 使负孔压使负孔压绝对值变小。绝对值变小。刚性边界下受力变形示意图膜嵌入示意图：
10、排水情况：使量测的体变增加第36页/共113页固结不排水试验：固结：膜嵌入，前进剪缩：正孔压使有效围压减少，膜将后退（剪胀时相反）（1）固结施加 膜嵌入（2）产生正孔压u：膜回弹，使骨架中部分水排出（3）孔压减小（4）剪胀产生负孔压情况相反第37页/共113页3.3.几种特殊的三轴试验几种特殊的三轴试验 围压力 Kc=静应力比 d：动应力（1 1）动三轴仪与试验）动三轴仪与试验(110-2)第38页/共113页td0d11d动三轴试验原理第39页/共113页动三轴试验的实测曲线动应力d动应变d振动孔隙水压力ud第40页/共113页图119 砂土的动强度曲线Dr=0.57kPad/(3)1010
11、0（lg)Nf0.20.40.60Kc=3Kc=2Kc=1Kc=1/3第41页/共113页ducr静应力状态总应力圆破坏时有效应力圆动加载过程 随着循环加载过程，孔压逐渐增加，莫尔圆左移最后与静强度包线相切循环加载下的莫尔园第42页/共113页（2）共振柱试验仪共振柱试验仪(110-2)激振（轴向，扭剪）共振测定弹性模量，剪切模量，阻尼比；圆柱形、空心圆柱形；一端固定，一端自由；一端固定，另一端弹簧或者阻尼器；试样在压力室，各向等压；不等压。第43页/共113页共振柱试验仪器示意图第44页/共113页第45页/共113页第46页/共113页 堆石坝材料 路渣与垫层 建筑垃圾与生活垃圾 矿渣与矿
12、山材料 试样直径：150mm，300mm，500mm，700mm，1000mm（3 3）大型三轴试验：大型三轴试验：第47页/共113页材料的尺寸模拟的级配曲线材料的尺寸模拟的级配曲线：原型料，相似法，原型料，相似法，剔除法，替代法，综合法剔除法，替代法，综合法dmaxD/5不同方法材料尺寸模拟的级配曲线1006050.1d200原型料相似法替代法剔除法第48页/共113页相似法:所有粒径除以200/60=3.33剔除法:剔除所有大于60mm的粒径替代法:将2005mm的粒径用605mm粒径 代替综合法：几种方法的综合制样方法、试样密度及对于强度、应力应变关系和其它性质的影响，尚有待于进一步研
13、究例子：原型料例子：原型料:最大粒径最大粒径200mm200mm，三轴试样直径，三轴试样直径300mm300mmd dmaxmax300mm/5300mm/560mm60mm第49页/共113页 一般的三轴试验围压达到600kPa1MPa，高压三轴围压可达到10MPa以上 模拟高坝深覆盖层等情况 在高压下，土的应力变形强度有很大不同。如颗粒破碎，剪胀消失等（4 4）高压三轴试验仪：）高压三轴试验仪：第50页/共113页第51页/共113页第52页/共113页第53页/共113页 轴应变量侧精度达0.00005 压力室内量测局部变形 与一般三轴试验比较，应力应变关系有很大区别 用于硬土、软岩与原
14、状土试验（5 5）量测小应变三轴试验量测小应变三轴试验第54页/共113页第55页/共113页不同量测方法的应力应变关系不同量测方法的应力应变关系用LDT与外部位移计量测软岩试样的应变第56页/共113页1.1.4 真三轴试验真三轴试验（1 1）（2 2）研究中主应力对于强度的影响）研究中主应力对于强度的影响（3 3）探讨土的复杂应力路径上的应力应变关）探讨土的复杂应力路径上的应力应变关系系（4 4）本构关系的验证）本构关系的验证第57页/共113页第58页/共113页第59页/共113页第60页/共113页Lo等人改制的真三轴仪在压力室中加一对侧压力板第61页/共113页第62页/共113页
15、第63页/共113页Lade-Duncan的改制真三轴仪第64页/共113页x、y、z 三个方向是否独立施加大、中、小主应力？自由面x一般只为小主应力；板方向y不能单独为小主应力：0120（无张拉时）盒式真三轴仪没有这一限制zxyzyx盒式与改制的真三轴仪真三轴仪间的区别：第65页/共113页v0.8420图129 在平面上沿圆周循环360以上的真三轴试验应力路径两种砂试验的应变路径第66页/共113页1.1.5 空心圆柱扭剪试验与方向剪切试空心圆柱扭剪试验与方向剪切试验验（1）一般的应力应变关系：nmf(ij)（2）变化六个应力变量（x，y，z，xy，zy，zx)（3）或者变化三个主应力三个
16、方向角（4）目前还没有这样的仪器第67页/共113页空心圆柱扭剪试验仪第68页/共113页空心圆柱扭剪仪试验的应力状态zpopi可变化z r zRiR0zrz第69页/共113页第70页/共113页n1主应力方向的旋转第71页/共113页空心圆柱扭剪仪中的应力计算第72页/共113页1.1.6 非饱和土吸力测试非饱和土吸力测试张力计法：90kPa，可用于野外。滤纸法：滤纸与土含水量平衡，从滤纸S-w关 系确定吸力。湿度计法：热电耦湿度计测土孔隙相对湿度uv：由公式计算uv-S关系。轴平移法：高进气值陶瓷板。在饱和以后，由 于收缩膜作用，空气不能进入通过 陶瓷板。第73页/共113页1 1张力计
17、法：小于张力计法：小于90kPa90kPa，可用于野外，可用于野外第74页/共113页2 2滤纸法：滤纸与土含水量平衡，从滤纸滤纸法：滤纸与土含水量平衡，从滤纸S S-w w关系确定吸力。关系确定吸力。第75页/共113页2 2轴平移法：轴平移法：第76页/共113页第77页/共113页第78页/共113页第79页/共113页第80页/共113页第81页/共113页试验装置总布置图第82页/共113页1.2 模型试验模型试验（1）1g的试验 小比尺与足尺试验（n=1)（2）ng的模型试验 离心机，渗水力等第83页/共113页1.2.1 1g的试验的试验1.1g的小比尺试验 优点：容易，经济 缺
18、点：不能定量。由于土的应力应变关系非线性；强度非线性；低围压下的剪胀性；粘聚力无法模拟1/3低围压高围压应力应变、强度与应力水平的关系第84页/共113页2.极小围压的三轴试验极难进行极小围压的三轴试验极难进行误差来源:试样自重、试样帽的自重 膜的径向约束 端部约束 静水压力 膜的拉伸对试样的附加压力 负压制样 传力杆的摩擦力等第85页/共113页 3.1 3.1g g的足尺试验的足尺试验 结果有说服力，资料宝贵结果有说服力，资料宝贵 ，造价昂贵，造价昂贵 第86页/共113页1.2.2 ng的模型试验的模型试验土工离心机模型试验（土工离心机模型试验（centrifuge)centrifuge
19、)利用离心力场提高模型的体积力，形成人工重力。当原型尺寸与模型尺寸之比为n，离心机加速度为：第87页/共113页 优点：应力应变相同；破坏机理及现象相似；可以模拟实际工程问题及边界条件 缺点：应力场不均匀；材料模拟：土颗粒、薄板片；比尺的不一致 发展：固结、入桩、冻土、基坑开挖、地下工程、地震等第88页/共113页土土工工离离心心实实验验中中的的比比尺尺因因素素第89页/共113页离心机装置示意图第90页/共113页第91页/共113页优点：方便，经济，简单缺点：土的限制，地面齐平，饱和土，试验中渗 透系数的可能变化应用：浅基础，单桩，动力实验 2.2.渗水力模型试验渗水力模型试验原原理理：用
20、用水水中中向向下下的的渗渗透透力力模模拟拟重重力力，从从而而达达到到模模型型尺尺寸寸缩缩小小n n倍倍而而土土中中应应力应变与原型一致的目的。力应变与原型一致的目的。第92页/共113页单桩渗水力模型试验第93页/共113页渗水力模型试验示意图第94页/共113页1.3 现场试验与原型观测现场试验与原型观测1.3.1 平板载荷试验1.3.2 静力触探1.3.3 动力触探1.3.4 十字板剪切实验1.3.5 旁压试验1.3.6 螺旋载荷板（SPC）与钻孔剪切仪（BST）1.3.7 物探试验1.3.8 原型观测第95页/共113页1.3.1 平板载荷试验(plate loading test)第9
21、6页/共113页1.3.2 静力触探静力触探（static cone penetration test)第97页/共113页第98页/共113页(a)单桥式 (b)双桥式静力触探探头第99页/共113页第100页/共113页1.3.3 动力触探（动力触探（Dynamic Penetration Test）标准贯入试验（标准贯入试验（SPT)SPT)第101页/共113页第102页/共113页各种动力触探探头轻型10kg重型63.5kg中型第103页/共113页标准贯入试验：标准贯入试验：N63.5标贯击数标贯击数NN63.563.5 ：适用：一般粘性土，适用：一般粘性土，砂砂 土，砂砾石土，砂
22、砾石用途：密度，承载力，用途：密度，承载力，液化判断液化判断标准贯入试验探头第104页/共113页十字板剪切试验1.3.4 十字板剪切实验（Vane Shear Test）第105页/共113页1.3.5 旁压试验（旁压试验（Pressuremeter)旁压仪工作示意图 评定地基承载力和变形参数，测求土的原位水平应力、静止土压力系数、不排水抗剪强度。第106页/共113页plv弹性阶段塑性阶段旁压试验曲线第107页/共113页1.3.6 螺螺旋旋载载荷荷板板（SPC）与与钻钻孔孔剪剪切切仪仪（BST）螺旋载荷板螺旋载荷板螺旋载荷板试验第108页/共113页钻孔剪切仪（BST）第109页/共11
23、3页1.3.7 物探试验物探试验1.弹性波2.声波3.探地雷达4.电磁法5.放射性勘测 第110页/共113页1.3.8 现场及原型观测现场及原型观测1.变形与位移2.应力3.孔压4.声发射监测技术 5.全球卫星定位系统（GPS）6.地下剪切破坏形态监测技术（TDR）7.地理信息系统（GIS）管理 第111页/共113页1.4 试验的检验与验证（见绪论）试验的检验与验证（见绪论）1.4.1 对试验的验证：1.室内试验2.离心试验3.原位测试与物探1.4.2 理论验证：本构关系1.4.3 数值计算的验证：1.土工合成材料加筋墙2.地震反应分析第112页/共113页感谢您的观看。第113页/共113页