土工试验与测试课件

第1章土工试验与测试第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．揭示土一般的力学性质和规律—理论的建立，了解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1.直剪仪（directshearapparatus）（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）排水条件不明确直剪仪仪器简图2.单剪仪（directsimpleshearapparatus）（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.环剪仪（torsional(ring)shearapparatus）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——测定残余强度环剪试验环刀侧限压缩试验1.1.3三轴仪与试验（1）1930A.Casagrande提出圆柱试样（2）1933Seffert用三轴仪研究固结（3）1934Rendulic利用测定土的强度参数（4）1959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：qpTCTEHC0RTERTCPLCTC31CTE32图1－10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（加载时）不同应力路径的斜率:CTC（常规三轴压缩试验)：c为常数，CTE（常规三轴伸长—挤长试验)：a为常数，c增加RTC（减载三轴压缩试验)：a为常数，c减小RTE（减载三轴伸长试验)：c为常数，a减小qpTCTEHC0RTERTCPLCTC31CTE323-2图1－11三种应力路径的斜率2.三轴试验的一些问题（1）边界条件影响：

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——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）其它的量测方法图1－12三轴试验中的剪切破坏情况（3）关于膜嵌入的影响（membranepenetration)

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：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

Kc=静应力比

d：动应力（1）动三轴仪与试验(>1×10-2)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1－19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循环加载下的莫尔园（2）共振柱试验仪(<1×10-2)①激振（轴向，扭剪）—共振—测定弹性模量，剪切模量，阻尼比；②圆柱形、空心圆柱形；③一端固定，一端自由；一端固定，另一端弹簧或者阻尼器；④试样在压力室，各向等压；不等压。共振柱试验仪器示意图

堆石坝材料路渣与垫层建筑垃圾与生活垃圾矿渣与矿山材料试样直径：150mm，300mm，500mm，700mm，1000mm…（3）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100％6050.1d200原型料相似法替代法剔除法相似法: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200～5mm的粒径用60～5mm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，尚有待于进一步研究例子：原型料:最大粒径200mm，三轴试样直径300mmdmax≤300mm/5＝60mm

①一般的三轴试验围压达到600kPa～1MPa，高压三轴围压可达到10MPa以上②模拟高坝深覆盖层等情况③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）高压三轴试验仪：

①轴应变量侧精度达0.00005②压力室内量测局部变形③与一般三轴试验比较，应力应变关系有很大区别④用于硬土、软岩与原状土试验（5）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）

（2）研究中主应力对于强度的影响（3）探讨土的复杂应力路径上的应力应变关系（4）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、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：0～120（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：v0.8％420图1－29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）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＋三个方向角（4）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zr

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：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。1．张力计法：小于90kPa，可用于野外2．滤纸法：滤纸与土含水量平衡，从滤纸S-

w关系确定吸力。2．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（n=1)（2）ng的模型试验

离心机，渗水力等1.2.11g的试验1.1g的小比尺试验

优点：容易，经济缺点：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: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3.1g的足尺试验结果有说服力，资料宝贵，造价昂贵

1.2.2ng的模型试验土工离心机模型试验（centrifuge)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：

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、地震等土工离心实验中的比尺因素离心机装置示意图优点：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.渗水力模型试验原理：用水中向下的渗透力模拟重力，从而达到模型尺寸缩小n倍而土中应力应变与原型一致的目的。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1.3.1平板载荷试验(plateloadingtest)1.3.2静力触探（staticconepenetrationtest)(a)单桥式(b)双桥式静力触探探头1.3.3动力触探（DynamicPenetrationTest）

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N63.5：适用：一般粘性土，砂土，砂砾石用途：密度，承载力，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（VaneShearTest）1.3.5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试验钻孔剪切仪（BST）1.3.7物探试验

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