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1、第三讲第三讲 土工试验与测试土工试验与测试3.1 室内试验3.2 模型试验3.3 原位测试与现场观测土力学中试验与测试的作用1 1.揭示土一般的力学性揭示土一般的力学性质质和和规规律律 理理论论的建立的建立了解了解特定特定特定特定的土物理力学性的土物理力学性质质2 2.设计设计参数与理参数与理论论模型的参数确定模型的参数确定3 3.验证验证理理论论与数与数值计值计算算4 4.模型模型试验试验、足尺、足尺试验试验用以解决用以解决实际实际工程工程问题问题：设计设计与方案比与方案比较较与确定与确定5 5.原位原位测试测试、现场监测为现场监测为数数值计值计算的反分析、安算的反分析、安全性全性评评价和信
2、息化施工服价和信息化施工服务务3.1 室内试验3.1.1 强度测定仪器直剪直剪仪仪（direct shear apparatusdirect shear apparatus）单单剪剪仪仪（direct simple shear apparatusdirect simple shear apparatus）环环剪剪仪仪（torsional(ring)shear apparatustorsional(ring)shear apparatus）1.直剪仪（direct shear apparatus）1)古老：1776年Coulomb2)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
3、 Coulomb图图12 直剪仪仪器简图初始状态图图13直剪试验中剪切面处土的应力状态变化0f1v破坏状态f1f3k0v2.单剪仪（direct simple shear apparatus）1)1)应应力状力状态态均匀均匀2)2)断面断面积积不不变变3)3)循循环环加加载载与与动动力力试验试验4)4)破坏面位置不确定破坏面位置不确定单剪仪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3.环剪仪（torsional(ring)shear apparatus）1)1)剪切面面剪切面面积积不不变变2)2)便于用同一便于用同一试样连续试样连续做几个正做几个正压压力
4、力试验试验测测定残余定残余强强度度环剪试验 变形参数测定试验侧限压缩仪 （oedometer consolidation test apparatus）1.1.侧侧限限应应力状力状态态（h h K K0 0 v v)2.2.压缩压缩与固与固结试验结试验3.3.试验结试验结果：果：e-pe-p曲曲线线与与e-e-lglgp p曲曲线线：（侧侧限）限）压缩压缩模量：模量：E Es s 压缩压缩系数：系数：a a 体体积压缩积压缩系数：系数：m mv v压缩压缩（回（回弹弹）指数）指数C Cc c、C Ce e侧限压缩试验1.1.3 三轴仪与试验(1)1930(1)1930A.CasagrandeA
5、.Casagrande提出提出圆圆柱柱试样试样(2)1933 Seffert(2)1933 Seffert用三用三轴仪轴仪研究固研究固结结(3)1934 Rendulic(3)1934 Rendulic利用利用测测定土的定土的强强度参数度参数(4)1959(4)1959 黄文熙，汪黄文熙，汪闻闻韶韶研制研制动动三三轴试验轴试验(5)(5)三三轴仪轴仪的的发发展：展：动动三三轴轴、大尺寸三、大尺寸三轴仪轴仪、高高压压三三轴轴、非、非饱饱和土三和土三轴仪轴仪、应应力与力与应变应变路路径控制三径控制三轴仪轴仪(6)(6)变变形与形与强强度度试验试验(7)(7)应应力状力状态态明确，明确，简单简单；排
6、水条件明确；排水条件明确三轴仪简图常规三轴压缩试验的应力状态简图两个参数p,q对对于三于三轴应轴应力状力状态态：=这两个参数对于三轴应力状态使用比较简便也常用另外两个常用参数（不计中主应力）qpTCTEHC0RTERTCPLCTC31CTE32利用三轴仪进行不同应力路径的试验1.三轴仪的不同应力路径试验HCHC：静水静水压压力（各向等力（各向等压压）试验试验 2 2 3 3PLPL：比例加比例加载试验载试验：/3 3为为常数常数CTCCTC：常常规规三种三种压缩试验压缩试验：3 3为为常数（常数（围压围压）CTECTE：常常规规三三轴轴伸伸长长（挤长挤长）试验试验：3 3（轴应轴应力）力）为为
7、常数常数TCTC：p p为为常数常数三三轴压缩试验轴压缩试验（轴应轴应力增力增围压围压减）减）TETE：p p为为常数常数三三轴轴伸伸长试验长试验（轴应轴应力减力减围压围压增）增）RTCRTC：减减压压三三轴压缩试验轴压缩试验：（轴应轴应力）力）为为常数常数RTERTE：减减压压三三轴轴伸伸长试验长试验：1 1（围压围压）为为常数常数HC:hydrostatic compressionHC:hydrostatic compressionCTC:conventional triaxial compressionCTC:conventional triaxial compressionCTE:co
8、nventional triaxial extensionCTE:conventional triaxial extensionRTC:reduced triaxial compressionRTC:reduced triaxial compressionRTE:reduced triaxial extensionRTE:reduced triaxial extensionTC:triaxial compressionTC:triaxial compressionTE:triaxial extensionTE:triaxial extension不同应力路径下的三轴试验应力特点（加载时）不同应
9、力路径下的三轴试验应力特点（加载时）qpTCTEHC0RTERTCPLCTC31CTE323-2图图111 三种应力路径的斜率2.三轴试验的一些问题1 1）边界条件影响）边界条件影响：上下的上下的边边界的摩擦界的摩擦 增加了局部的增加了局部的围压围压 使使应应力、力、变变形不均匀形不均匀 改改变变了破坏状了破坏状态态鼓鼓胀胀与剪切面形成与剪切面形成 三轴试验中的剪切破坏情况(1)(1)饱饱和土：量水管和土：量水管(2)(2)非非饱饱和土：和土：压压力室的体力室的体积变积变化（双筒）化（双筒）(3)(3)其它的量其它的量测测方法方法2)2)试样体积变化的量测试样体积变化的量测3)3)关于膜嵌入的
10、影响关于膜嵌入的影响（membrane penetration)membrane penetration)(1)(1)排水条件：使量排水条件：使量测测的体的体变变偏大偏大(2)(2)不排水条件：使量不排水条件：使量测测正孔正孔压变压变小小 使使负负孔孔压绝对值变压绝对值变小小刚性边界下受力变形示意图图图114 膜嵌入示意图：排水情况：使量测的体变增加固结不排水试验：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图图115 正孔压时膜嵌入使量测孔压偏小VDdd膜嵌入
11、的率定方法之一：在试样中间放置一个不同直径的刚性棒d=D膜嵌入量刚性棒在某一围压3下的试验图图116 膜嵌入的一种率定方法3.几种特殊的三轴试验 围压围压力力 K Kc c=静静应应力比力比 d d：动应动应力力1 1）动三轴仪与试验）动三轴仪与试验td0d图图117 动荷载图图118 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图图119 砂土的动强度曲线Dr=0.57kPad/(3)10100（lg)Nf0.20.40.60Kc=3Kc=2Kc=1Kc=1/3ducr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图图12
12、0 循环加载下的莫尔园（1 1）堆石堆石坝坝材料材料（2 2）路渣与路渣与垫层垫层（3 3）建筑垃圾与生活垃圾建筑垃圾与生活垃圾（4 4）矿矿渣与渣与矿矿山材料山材料试样试样直径：直径：150mm,300mm,500mm,700mm,150mm,300mm,500mm,700mm,1000mm.1000mm.2)2)大型三轴试验：大型三轴试验：材料的尺寸模拟的级配曲线：原型料，相似法，剔除法，替代法，综合法dmaxD/51006050.1d200原型料相似法替代法剔除法图图121 不同方法材料尺寸模拟的级配曲线相似法相似法:所有粒径除以所有粒径除以200/60=3.33200/60=3.33剔
13、除法剔除法:剔除所有大于剔除所有大于60mm60mm的粒径的粒径替代法替代法:将将2002005mm5mm的粒径用的粒径用 60 605mm5mm粒径代替粒径代替综综合法：几种方法的合法：几种方法的综综合合制制样样方法、方法、试样试样密度及密度及对对于于强强度、度、应应力力应变应变关系关系和其它性和其它性质质的影响，尚有待于的影响，尚有待于进进一步研究一步研究例子：原型料例子：原型料:最大粒径最大粒径200mm200mm,三三轴试样轴试样直径直径300mm300mm200mm300mm/5200mm300mm/560mm60mm（1 1）一般的三一般的三轴试验围压轴试验围压达到达到600kPa
14、600kPa1MPa1MPa高高压压三三轴围压轴围压可达到可达到10MPa10MPa以上以上（2 2）模模拟拟高高坝坝深覆盖深覆盖层层等情况等情况（3 3）在高在高压压下，土的下，土的应应力力变变形形强强度有很大度有很大不同不同3)3)高压三轴试验仪：高压三轴试验仪：（1 1）轴应变轴应变量量侧侧精度达精度达0.000050.00005（2 2）压压力室内量力室内量测测局部局部变变形形（3 3）与一般三与一般三轴试验轴试验比比较较，应应力力应变应变关系有关系有很大区很大区别别（4 4）用于硬土、用于硬土、软软岩与原状土岩与原状土试验试验4)4)量测小应变三轴试验量测小应变三轴试验图图122 量
15、测微小应变（0.005%）的三轴试验LDT:局部变形测量不同量测方法的应力应变关系图图123 用LDT内部量测应变与外部量测的不同 图图124 非饱和土三轴试验仪1.1.4 真三轴试验1.1.2.2.研究中主研究中主应应力力对对于于强强度的影响度的影响3.3.探探讨讨土的复土的复杂应杂应力路径上的力路径上的应应力力应变应变关系关系4.4.本构关系的本构关系的验证验证图图125 改制的真三轴仪在压力室中加一对侧压力板图图126 Lade-Duncan的改制真三轴仪图图127 剑桥式盒式真三轴仪二者区二者区别别：x x,y y,z z三个方向是否独立施加大、三个方向是否独立施加大、中、小主中、小主
16、应应力？力？zxyzy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x图图128 盒式与改制的真三轴仪真三轴仪间的区别v0.8420图图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1.1.5 主应力方向旋转试验空心圆柱扭剪仪与方向剪切仪1.1.一般的一般的应应力力应变应变关系关系：nmnm f f(ij ij)2.2.变变化六个化六个应应力力变变量量（x x,y y,z z,xyxy,zyzy,zxzx)3.3.或者或者变变化三个主化三个主应应力力三个方向角三个方向角4.4.目前目前还还没有没有这样这样的的仪仪
17、器器图图130 空心圆柱扭剪试验仪zpopi可变化z r z图图131 空心圆柱扭剪仪试验的应力状态RiR0zrzn1图图132 主应力方向的旋转空心圆柱扭剪仪中的应力计算图图133 方向剪切仪1.1.6 共振柱试验仪1.1.激振（激振（轴轴向，剪切）向，剪切）共振共振测测定定弹弹性模量，性模量，剪切模量，阻尼比；剪切模量，阻尼比；2.2.圆圆柱形、空心柱形、空心圆圆柱形；柱形；3.3.一端固定，一端自由；一端固定，另一端一端固定，一端自由；一端固定，另一端弹弹簧簧 或者阻尼器；或者阻尼器；4.4.试样试样在在压压力室，各向等力室，各向等压压；不等；不等压压。图图134 共振柱试验仪器示意图非
18、饱和土吸力测试张张力力计计法：法：90kPa90kPa，可用于野外。，可用于野外。滤纸滤纸法：法：滤纸滤纸与土含水量平衡，从与土含水量平衡，从滤纸滤纸S S-w w关系关系 确定吸力。确定吸力。湿度湿度计计法：法：热电热电耦湿度耦湿度计测计测土孔隙相土孔隙相对对湿度湿度u uv v：由公式由公式计计算算u uv v-S S关系。关系。轴轴平移法：高平移法：高进进气气值值陶瓷板。在陶瓷板。在饱饱和以后，由于和以后，由于收收缩缩膜作用，空气不能膜作用，空气不能进进入通入通过过陶瓷陶瓷板。板。图图135 轴轴平移法：施加平移法：施加压压力使土中水被力使土中水被挤挤出，出，认为认为施加施加的的压压力等于土在力等于土在这这种含水量下的吸力。种含水量下的吸力。图图136 试验装置总布置图