1、第第1 1章章 土工试验与测试土工试验与测试第1章 土工试验与测试1.1 室内试验1.2 模型试验1.3 原位测试与现场观测土力学中试验与测试的作用 1 1揭揭示示土土一一般般的的力力学学性性质质和和规规律律理理论论的的建建立，了解立，了解特定特定特定特定的土的物理力学性质；的土的物理力学性质；2 2确确定定各各种种理理论论和和工工程程设设计计参参数数，验验证证各各种理论的正确性和实用性；种理论的正确性和实用性；3 3模模型型试试验验、足足尺尺试试验验不不仅仅可可以以验验证证理理论论与与数数值值计计算算的的合合理理性性，还还可可用用以以解解决决实实际际工工程程问问题；题；4 4原原位位测测试试
2、现现场场监监测测为为数数值值计计算算的的反反分分析析、安全性评价和信息化施工服务安全性评价和信息化施工服务1.1 室内试验1.1.1 强度测定仪器 直剪仪（直剪仪（direct shear apparatusdirect shear apparatus）单剪仪（单剪仪（direct simple shear direct simple shear apparatuapparatu）环剪仪环剪仪 （torsionaltorsional(ring)shear apparatus(ring)shear apparatus）1.直剪仪（direct shear apparatus）（1）古老：177
3、6年 Coulomb（2）直观、简便、经济（3）应力应变条件复杂、不均匀（4）排水条件不明确直剪仪仪器简图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f1f3k0v2.单剪仪（direct simple shear apparatus）（1 1）应力状态均匀）应力状态均匀（2 2）断面积不变）断面积不变（3 3）循环加载与动力试验）循环加载与动力试验（4 4）破坏面位置不确定）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。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
4、态变化3.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。n n（1 1）剪切面面积不变剪切面面积不变n n（2 2）便于用同一试样连续做几个正压力试便于用同一试样连续做几个正压力试 n n 验验 测定残余强度测定残余强度环剪试验1.1.2 变形参数测定试验侧限压缩仪 （oedometer consolidation test app
5、aratus）1 1侧限应力状态（侧限应力状态（h h K K0 0 v v)2 2压缩与固结试验压缩与固结试验3 3试验结果：试验结果：e-pe-p曲线与曲线与e-e-lglgp p曲线：曲线：（侧限）压缩模量：（侧限）压缩模量：E Es s 压缩系数：压缩系数：a a 体积压缩系数：体积压缩系数：m mv v压缩（回弹）指数压缩（回弹）指数C Cc c、C Ce e环刀侧限压缩试验1.1.3 三轴仪与试验（1 1）1930 A.1930 A.CasagrandeCasagrande 提出圆柱试样提出圆柱试样（2 2）1933 1933 SeffertSeffert 用三轴仪研究固结用三轴仪
6、研究固结（3 3）1934 1934 RendulicRendulic 利用测定土的强度参数利用测定土的强度参数（4 4）1959 1959 黄文熙，汪闻韶黄文熙，汪闻韶 研制动三轴试验研制动三轴试验（5 5）三三轴轴仪仪的的发发展展：动动三三轴轴、大大尺尺寸寸三三轴轴仪仪、高高压压三三轴轴、非非饱饱和和土土三三轴轴仪仪、应应力力与与应应变变路路径径控控制三轴仪制三轴仪（6 6）变形与强度试验）变形与强度试验（7 7）应力状态明确，简单；排水条件明确应力状态明确，简单；排水条件明确三轴仪三轴仪原理图常规三轴压缩试验的应力状态简图固结不排水三轴试验两个参数p，q 对于三轴应力状态：对于三轴应力状
7、态：=这两个参数对于三轴应力状态使用比较简便本书中也常用另外两个常用参数（不计中主应力）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应力洛得角：毕肖甫参数：1.三轴仪的不同应力路径试验HCHC：静水压力（各向等压）试验静水压力（各向等压）试验 2 2 3 3PLPL：比例加载试验：比例加载试验：/3 3为常数为常数CTCCTC：常规三种压缩试验常规三种压缩试验 ：3 3为常数（围压）为常数（围压）CTECTE：常规三轴伸长（挤长）试验：常规三轴伸长（挤长）试验：3 3（轴应力）（轴应力）为常数为常数TCTC：p p为常数为常数三轴压缩试验（轴应力增围压减）三轴压缩试验（轴应力增围压减）
8、TETE：p p为常数为常数三轴伸长试验（轴应力减围压增）三轴伸长试验（轴应力减围压增）RTCRTC：减压三轴压缩试验：减压三轴压缩试验：（轴应力）为常数（轴应力）为常数RTERTE：减压三轴伸长试验：减压三轴伸长试验：1 1（围压）为常数（围压）为常数HC:hydrostatic compressionHC:hydrostatic compressionCTC:conventional CTC:conventional triaxialtriaxial compression compressionCTE:conventional CTE:conventional triaxialtriax
9、ial extension extensionRTC:reduced RTC:reduced triaxialtriaxial compression compressionRTE:reduced RTE:reduced teiaxialteiaxial extension extensionTC:TC:triaxialtriaxial compression compressionTE:TE:triaxialtriaxial extension extensionqpTCTEHC0RTERTCPLCTC31CTE32图图110 利用三轴仪进行不同应力路径的试验不同应力路径下的三轴试验应力特点
10、加载时）不同应力路径下的三轴试验应力特点（加载时）不同应力路径的斜率:CTCCTC（常规三轴压缩试验（常规三轴压缩试验)：c c为常数，为常数，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：上下的边界的摩擦增加了局部的围
11、压上下的边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使应力、变形不均匀改变了破坏状态鼓胀与剪切面形成鼓胀与剪切面形成（2)2)试样体积变化的量测试样体积变化的量测 饱和土：量水管饱和土：量水管 非饱和土：压力室的体积变化（双筒）非饱和土：压力室的体积变化（双筒）其它的量测方法其它的量测方法图图112 三轴试验中的剪切破坏情况（3 3）关于膜嵌入的影响（）关于膜嵌入的影响（membrane penetration)membrane penetration)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 使负孔压绝对值变小。刚性边界下受力变形示意图膜嵌入示意图：排水情况：
12、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3.几种特殊的三轴试验 围压力围压力 K Kc c=静应力比静应力比 d d：动应力动应力（1 1）动三轴仪与试验）动三轴仪与试验(110-2)td0d11d动三轴试验原理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
13、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（2）共振柱试验仪(110-2)激激振振（轴轴向向，扭扭剪剪）共共振振测测定定弹弹性性模模量，剪切模量，阻尼比；量，剪切模量，阻尼比；圆柱形、空心圆柱形；圆柱形、空心圆柱形；一一端端固固定定，一一端端自自由由；一一端端固固定定，另另一一端端弹簧或者阻尼器；弹簧或者阻尼器；试样在压力室，各向等压；不等压。试样在压力室，各向等压；不等压。共振柱试验仪器示意图 堆石坝材料堆石坝材料 路渣与垫层路渣与垫层 建筑垃圾与生活垃圾建筑垃圾与生活垃圾 矿渣与矿山材料矿渣与矿山材料 试样直径：试样直径：15
14、0mm150mm，300mm300mm，500mm500mm，700mm700mm，1000mm1000mm（3 3）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/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剔除法剔除法:剔除所有大于剔除所有大于60mm60mm的粒的粒径径替代法替代法:将将2002005mm5mm的粒径用的粒径用60605mm5mm粒径粒径 代替代替综合法：几种方法的综合综合法：几种方法的综合制样方
15、法、试样密度及对于强度、应力应变关系制样方法、试样密度及对于强度、应力应变关系和其它性质的影响，尚有待于进一步研究和其它性质的影响，尚有待于进一步研究例子：原型料例子：原型料:最大粒径最大粒径200mm200mm，三轴试样直，三轴试样直径径300mm300mmd dmaxmax300mm/5300mm/560mm60mm 一般的三轴试验围压达到一般的三轴试验围压达到600kPa600kPa1MPa1MPa，高压三轴围压可达到，高压三轴围压可达到10MPa10MPa以上以上 模拟高坝深覆盖层等情况模拟高坝深覆盖层等情况 在高压下，土的应力变形强度在高压下，土的应力变形强度有很大不同。如颗粒破碎，
16、剪胀消失等有很大不同。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：轴应变量侧精度达轴应变量侧精度达0.000050.00005 压力室内量测局部变形压力室内量测局部变形 与一般三轴试验比较，应力应变关与一般三轴试验比较，应力应变关系有很大区别系有很大区别 用于硬土、软岩与原状土试验用于硬土、软岩与原状土试验（5 5）量测小应变三轴试验量测小应变三轴试验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1.1.4 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系）探讨土的复杂应力
17、路径上的应力应变关系（4 4）本构关系的验证）本构关系的验证Lo等人改制的真三轴仪在压力室中加一对侧压力板Lade-Duncan的改制真三轴仪x x、y y、z z 三个方向是否独立施加大、中、小主应力？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：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 空心圆柱扭剪试验与方向剪切试验（1 1）一般的应力应变关系：一般的应力应变关系：nmnm f f(ij
18、ij)（2 2）变化六个应力变量（变化六个应力变量（x x，y y，z z，xyxy，zyzy，zxzx)（3 3）或者变化三个主应力三个方向角或者变化三个主应力三个方向角（4 4）目前还没有这样的仪器目前还没有这样的仪器空心圆柱扭剪试验仪空心圆柱扭剪仪试验的应力状态zpopi可变化z r zRiR0zrzn1主应力方向的旋转空心圆柱扭剪仪中的应力计算1.1.6 非饱和土吸力测试张力计法：张力计法：90kPa90kPa，可用于野外。可用于野外。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关关 系确定吸力。系确定吸力。湿湿度度计计法法：热热电电耦耦湿湿度度计
19、计测测土土孔孔隙隙相相对对湿湿度度u uv：由公式计算由公式计算u uv v-S S关系。关系。轴平移法：高进气值陶瓷板。在饱和以后，由轴平移法：高进气值陶瓷板。在饱和以后，由 于收缩膜作用，空气不能进入通过于收缩膜作用，空气不能进入通过 陶瓷板。陶瓷板。1 1张力计法：小于张力计法：小于90kPa90kPa，可用于野外可用于野外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。2 2轴平移法：轴平移法：试验装置总布置图1.2 模型试验（1）1g的试验 小比尺与足尺试验（小比尺与足尺试验（n n=1)=1)（2）ng的模型试验
20、离心机，渗水力等离心机，渗水力等1.2.1 1g的试验1.11.1g g的小比尺试验的小比尺试验 优点优点：容易，经济容易，经济 缺点：不能定量。由于土的应力应变关系非线缺点：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；粘聚性；强度非线性；低围压下的剪胀性；粘聚力无法模拟力无法模拟1/3低围压高围压应力应变、强度与应力水平的关系2.极小围压的三轴试验极难进行误差来源误差来源:试样自重、试样帽的自重试样自重、试样帽的自重 膜的径向约束膜的径向约束 端部约束端部约束 静水压力静水压力 膜的拉伸对试样的附加压力膜的拉伸对试样的附加压力 负压制样负压制样 传力杆的摩擦力等传力杆
21、的摩擦力等 3.13.1g 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 1.2.2 ng的模型试验土工离心机模型试验（土工离心机模型试验（土工离心机模型试验（土工离心机模型试验（centrifuge)centrifuge)centrifuge)centrifuge)利利用用离离心心力力场场提提高高模模型型的的体体积积力力，形形成成人人工工重重力力。当当原原型型尺尺寸寸与与模模型型尺尺寸寸之之比比为为n n，离离心心机机加加速速度度为：为：优优点点：应应力力应应变变相相同同；破破坏坏机机理理及及现现象象相相似似；可以模拟实际工程问题及边界条件可以模
22、拟实际工程问题及边界条件 缺缺点点：应应力力场场不不均均匀匀；材材料料模模拟拟：土土颗颗粒粒、薄薄板片；比尺的不一致板片；比尺的不一致 发发展展：固固结结、入入桩桩、冻冻土土、基基坑坑开开挖挖、地地下下工工程、地震等程、地震等土土工工离离心心实实验验中中的的比比尺尺因因素素离心机装置示意图优点：方便，经济，简单优点：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 透系数的可能变化透系数的可能变化应用：浅基础，单桩，动力实验应用：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：用用水水中中向向下下的的渗渗透透力力模模拟拟
23、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力应应变变与与原原型型一一致致的的目的。目的。单桩渗水力模型试验渗水力模型试验示意图1.3 现场试验与原型观测1.3.1 1.3.1 平板载荷试验平板载荷试验1.3.2 1.3.2 静力触探静力触探1.3.3 1.3.3 动力触探动力触探1.3.4 1.3.4 十字板剪切实验十字板剪切实验1.3.5 1.3.5 旁压试验旁压试验1.3.6 1.3.6 螺旋载荷板（螺旋载荷板（SPCSPC）与钻孔剪切仪（）与钻孔剪切仪（BSTBST）1.3.7 1.3.7 物探试验物探试验1.3.8 1.3.8 原型观测原型观测1.3
24、1 平板载荷试验(plate loading test)1.3.2 静力触探（static cone penetration test)(a)单桥式 (b)双桥式静力触探探头1.3.3 动力触探（Dynamic Penetration Test）标准贯入试验（SPT)各种动力触探探头轻型10kg重型63.5kg中型标准贯入试验：N63.5标贯击数标贯击数N N63.563.5 ：适用：一般粘性土，砂适用：一般粘性土，砂 土，砂砾石土，砂砾石用途：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十字板剪切试验1.3.4 十字板剪切实验（Vane Shear Test）1.3.
25、5 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。plv弹性阶段塑性阶段旁压试验曲线1.3.6 螺 旋 载 荷 板（SPC）与 钻 孔 剪 切 仪（BST）螺旋载荷板螺旋载荷板螺旋载荷板试验钻孔剪切仪（BST）1.3.7 物探试验1.1.弹性波弹性波2.2.声波声波3.3.探地雷达探地雷达4.4.电磁法电磁法5.5.放射性勘测放射性勘测 1.3.8 现场及原型观测1.1.变形与位移变形与位移2.2.应力应力3.3.孔压孔压4.4.声发射监测技术声发射监测技术 5.5.全球卫星定位系统（全球卫星定位系统（GPSGPS）6.6.地下剪切破坏形态监测技术（地下剪切破坏形态监测技术（TDRTDR）7.7.地理信息系统（地理信息系统（GISGIS）管理管理 1.4 试验的检验与验证（见绪论）1.4.1 1.4.1 对试验的验证：对试验的验证：1.1.室内试验室内试验2.2.离心试验离心试验3.3.原位测试与物探原位测试与物探1.4.2 1.4.2 理论验证：本构关系理论验证：本构关系1.4.3 1.4.3 数值计算的验证：数值计算的验证：1.1.土工合成材料加筋墙土工合成材料加筋墙2.2.地震反应分析地震反应分析
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