土动力学一零

第五章土的动力指标及其测定第四节模型试验──强夯法处理湿陷性黄土地基的研究3/19/2023土动力学一、模型试验的任务在设计的模型上以仪器设备为工具，以各种实验技术为手段，在动荷载作用下，通过测试与模型的工作性能有关的各种参数，从强度、刚度、抗裂性以及模型的破坏形态等各个方面来判断实际构筑物的实际工作性能，估计实际构筑物的承载能力，确定实际构筑物对使用要求的符合程度，并用以检验和发展土动力学的计算理论。3/19/2023土动力学二、模型试验的目的生产性试验的目的综合鉴定土工构筑物的设计和施工质量，评价工程的可靠程度。检验已建构筑物的现有可靠性，推断和估计构筑物的剩余寿命鉴定构筑物的结构性能判断构筑物的实际承载能力，为工程改造、扩建和加固提供参数为处理工程事故提供技术依据3/19/2023土动力学科研性试验的目的验证土工构筑物的设计理论、假定和计算方法为制定抗震设计规范、规程提供依据为发展和推广新结构、新材料和新工艺提供实践经验3/19/2023土动力学三、模型试验的分类1、按试验对象的尺寸分类相似模型试验：要求比较严格的相似条件，即要求满足几何相似、力学相似和材料相似弹性模型试验强度模型试验缩尺模型试验：将原型结构的几何尺寸按比例缩小，不须遵循严格的相似条件3/19/2023土动力学2、按试验荷载性质分类动力荷载试验结构动力特性试验结构动力反应试验结构疲劳试验3/19/2023土动力学3、按试验所在场地分类实验室试验现场试验4、按试验结构是否破坏分类结构破坏试验结构非破损试验3/19/2023土动力学四、模型试验设计包括试验设计、试验准备、试验实施和试验分析等主要环节模型试验设计是极为重要和关键的一环对试验工作进行全面的设计和规划确定试验的性质与规模、试件设计、试验场所、加载与量测方案、专用试验装置、安全技术措施经费预算和设备清单提出试验大纲和进度计划3/19/2023土动力学3/19/2023土动力学对生产性试验，试验前必须进行实地调查研究，收集已有的设计资料、施工日志、材料试验报告以及施工质量检查验收记录等对于受灾损伤的构筑物，必须了解受灾原因、过程和结构的现状3/19/2023土动力学1、模型试验的的试件设计试件可以是实际际结构的整体或或它的一部分，，也可以是单一一的构件应考虑试验模型型与原型之间的的力学性能的相相似关系，按相相似理论进行设设计3/17/2023土动力学试件形状要求试验时形成成和实际工作相相一致的应力状状态必须注意边界条条件的模拟，使使模型如实反映映构筑物的实际际工作性状3/17/2023土动力学试件尺寸若试件尺寸太小小，要考虑尺寸寸效应的影响对于结构动力试试验，试验尺寸寸常受试验加载载条件等因素的的限制振动台加载试验验，受台面尺寸寸、激振力大小小等参数的限制制，一般只能作作缩尺的模型试试验目前国内能完成成试件比例为1/50~1/4的各类构筑筑物的模型试验验3/17/2023土动力学试件数量试件数量直接由由参与研究问题题参数（分析因因子）和相应各各种状态（水平平数）的影响来来决定3/17/2023土动力学正交试验设计如果因子数和水平平数增加，则试件件数量随之增加。。对于多因素问题，，可采用正交试验验设计法利用正交交表从尽可能少的的试件试验中掌握握试验条件和试验验结果之间的内在在规律（参阅有关关正交试验设计的的专著）正交试验设计可以以只需少量的试件件得到主要信息，，从而对研究问题题作出综合评价3/17/2023土动力学试件组合数目设计计实例3个分析因子，各各2种状态。由表表可知：截面积增增大，抗剪强度降降低；砂浆强度或或垂直应力增大，，抗剪强度增大3/17/2023土动力学试件号砂浆强度（MPa）平均抗剪强度（MPa）1、50.50.1254、72.50.259试件号垂直应力（MPa）平均抗剪强度（MPa）1、70.0640.1014、50.3020.2843/17/2023土动力学2、模型试试验的荷载载设计模型试验时时的荷载作作用应使构构筑物处于于某一种实实际可能的的最不利的的工作状态态试验荷载的的图式要与与构筑物设设计荷载图图式一样在下列条件件下可采用用不同于设设计规定的的荷载图式式对设计荷载载图式的合合理性有所所怀疑或实实际情况有有所改变采用等效荷荷载的方式式，等效荷荷载的数值值大小和分分布形式要要根据相应应的等效条条件换算3/17/2023土动力学采用等效荷荷载试验时时，必须全全面验算由由于荷载图图式改变对对构筑物产产生的各种种影响。当试验满足足强度等效效而整体变变形条件不不等效时，，则需进行行变形修正正当取弯度等等效时，尚尚需验算剪剪力对构筑筑物的影响响。3/17/2023土动力学模型试验的的加载制度度试验加载制制度是指模模型试验进进行期间控控制荷载与与加载时间间的关系，，包括加载载速度的快快慢、加载载设计间歇歇的长短、、分级荷载载的大小和和加载卸载载循环的次次数等试件的承载载能力和变变形性质与与其所受荷荷载作用的的试件特征征有关对于不同性性质的试验验，必须根根据试验的的要求制定定不同的加加载制度3/17/2023土动力学3、模型试验的的观测设计观测项目挠度转角局部变形控制截面上的最最大应变测点的选择与布布置在满足试验目的的的前提下，测测点宜少不宜多多测点的位置变形形要有代表性布置一定数量的的校核性测点3/17/2023土动力学仪器的选择与测测读原则精度要求，最小小测量单位不大大于最大被测值值的5％量程满足最大应应变或挠度的要要求，最大被测测值不宜大于最最大量程的80％同类参数选用同同样的型号规格格仪表，但在校校核测点往往使使用另一种类型型的仪表动测仪表应注意意仪表的线性范范围、频响特性性和相位特性3/17/2023土动力学4、模型试验的误误差控制试件制作误差材料性能误差模型试验由材料的的试块来确定材料料强度。由材料标标准试块或试件确确定的强度是一种种名义强度。名义义强度和实际强度度之间存在误差必须保证试块材质质的同一性、同批批试件砌筑工艺的的同一性和试验龄龄期的同一性必须按照标准方法法进行材料试验，，并注意试块尺寸寸效应和试验加荷荷速率对材料强度度可能产生的误差差3/17/2023土动力学试件安装误误差注意试件安安装就位的的正确性正确确定荷荷载作用点点的位置荷载和量测测设备误差差定时进行系系统的计量量标定结构试验方方法非标准准误差尺寸效应强度随时间间变化的非非线性关系系对同批、同同类试件的的试验方法法、加载时时间历程应应加以统一一3/17/2023土动力学五、结构模型的的相似要求和相相似常数要求模型和真型型尺寸的几何相相似并保持一定定的比例要求模型和真型型的材料相似或或具有某种相似似关系要求施加于模型型的荷载按真型型荷载的某一比比例缩小或放大大3/17/2023土动力学要求确定模型结结构试验过程中中各参与物理量量的相似参数，，并由此求得反反映相似模型整整个物理过程的的相似条件模型必须和真型型结构满足相似似要求，才能按按相似条件由模模型试验推算出出真型结构的相相应数据和试验验结果3/17/2023土动力学1、几何相似似模型和真型结结构之间所有有对应部分尺尺寸成比例模型比例即为为长度相似常常数式中下标m与与p分别表示示模型和真型型3/17/2023土动力学模型和真型结构的的面积比、截面模模量比和惯性矩比比3/17/2023土动力学位移的相似常数3/17/2023土动力学2、质量相似在结构的动力问问题中，要求结结构的质量分布布相似，质量相相似常数为对于具有分布质质量的部分，常用用质量密度相似常数数3/17/2023土动力学学3、荷载载相似模型和真真型在各各对应点点所受的的荷载方方向一致致，荷载载大小成成比例3/17/2023土动力学当需要考虑虑结构自重重的影响时时，还需考考虑重量分分布的相似似3/17/2023土动力学4、物理相相似模型与真型型的各相应应点的应力力和应变、、刚度和变变形间的关关系相似3/17/2023土动力学刚度相似常常数3/17/2023土动力学5、时间相似似在随时间变化化的过程中，，要求模型和和真型在对应应的时刻进行行比较，要求求相对应的时时间成比例3/17/2023土动力学6、边界条件件相似模型和真型在在与外界接触触的区域内的的各种条件保保持相似，即即要求支承条条件相似、约约束情况相似似以及边界上上受力情况相相似3/17/2023土动力学7、初始条件相似似运动的初始条件包包括初始状态下的的初始几何位置以以及质点的位移、、速度、加速度3/17/2023土动力学六、结构模型设设计模型试验的过程程客观地反映出出该模型工作的的各有关物理量量之间的相互关关系由于模型和真型型的相似关系，，必然反映出模模型和真型结构构相似常数之间间的关系相似常数之间应应该满足的关系系就是模型与真真型结构之间的的相似条件，这这就是模型设计计需要遵循的原原则3/17/2023土动力学方程分析法描述物理过程的的方程经过相似似常数的转换，，可获得相似准准数当要求模型的弯弯矩、应力、挠挠度与真型结构构相似时，则弯弯矩、应力、挠挠度的相似常数数分别为3/17/2023土动力学学模型和真真型应该该满足的的相似条条件3/17/2023土动力学学由模型试试验获得得的数据据可以按按相似条条件推算算出真型型结构的的数据3/17/2023土动力学一般模型的相似常常数的个数多于相相似条件的数目模型设计时往往首首先确定几何比例例，即几何相似常常数Sl一般情况下，经常常先确定模型材料料，并由此确定SE；再根据相似条件件推导出其它物理理量的相似常数的的数值当模型设计首先确确定Sl和SE时，则其它物理量量的相似常数就都都是Sl和SE的函数或等于13/17/2023土动力学3/17/2023土动力学在模型设计与试试验时，如果假假设模型与真型型结构的应力相相等，则试验中常采用人人工质量的方法法，即在模型结结构上增加荷载载来弥补材料容容重不足所产生生的影响。但附附加的人工质量量必须不改变结结构的强度和刚刚性特性3/17/2023土动力学如果采用与真真型结构同样样的材料制作作模型，当模型比例很很小时，则模模型试验得到到的应力和挠挠度比真型的的应力和挠度度要小得多，，必须提高模模型试验的量量测精度3/17/2023土动力学量纲分析法根据方程式量纲和和谐的原理，不要要求建立现象的方方程式，只要求强强度哪些物理量参参与所研究的现象象被量测的量的种类类称为量纲量纲只区别量的种种类，而不区别同同一量的不同量度度单位量纲实质上是广义义的量度单位，同同一类型的物理量量具有相同的量纲纲3/17/2023土动力学在实际工作中，常常选择少数几个基基本物理量的量纲纲作为基本量纲，，而由它们导出其其它物理量的量纲纲在物理学中，一般般选用质量的量纲纲[M]，长度的的量纲[L]和时时间的量纲[T]作为基本量纲，，称为质量系统在工程学中，则选选用力的量纲[F]，长度的量纲纲[L]和时间的的量纲[T]作为为基本量纲，称为为力量系统3/17/2023土动力学3/17/2023土动力学七、模型材料料和模型制作作模型材料相似设计要求求模型和原型型能描述同一一物理现象，，要求模型材材料和原型材材料的物理性性能、力学性性能和加工性性能相似模型材料可分分为弹性模型型材料和强度度模型材料两两大类3/17/2023土动力学弹性模型材材料金属常用钢材、、铜、铝合合金塑料热固性的环环氧树脂、、聚酯树脂脂热塑性的聚聚氯乙烯、、有机玻璃璃石膏3/17/2023土动力学强度模型材材料水泥砂浆微粒混凝土土环氧微粒混混凝土钢材模型钢筋模型砌块3/17/2023土动力学模型制作水泥砂浆、微粒粒混凝土、环氧氧物理混凝土模模型砌体结构模型钢结构及其它金金属模型有机玻璃模型3/17/2023土动力学学黄土是第第四纪形形成的一一种特殊殊的土状状堆积物物。颜色色主要呈呈黄色或或褐黄色色，以粉粉土颗粒粒为主，，富含碳碳酸盐，，具有大大孔隙，，垂直节节理发育育，具有有湿陷性性。凡具具备上述述全部特特征的土土即为典典型黄土土，与之之类似但但有的特特征不明明显的土土称为黄黄土状土土。在我国西西北地区区大面积积分布的的黄土中中约占总总数四分分之三的的是具有有湿陷性性的黄土土。八、实例例──强夯夯法处理理湿陷性性黄土地地基的模模型试验验研究3/17/2023土动力学学黄土的湿湿陷性黄土在一一定的压压力作用用下受水水浸湿，，土结构构迅速破破坏而发发生显著著附加下下沉的性性质，叫叫做黄土土的湿陷陷性。3/17/2023土动力学3/17/2023土动力学3/17/2023土动力学强夯法（Strongcompact)是利利用重锤的自自由落体运动动，对地基土土体反复施加加强大的夯击击能，这种夯夯击能以冲击击波的形式向向土体深部传传播，是地表表以下一定深深度范围内的的土体得到夯夯实。强夯改善了黄黄土的物理力力学性质，增增强了地基遇遇水后的稳定定性，使一定定深度内地基基土的湿陷性性得以消除。。3/17/2023土动力学研究问题怎样确定强夯夯消除黄土地地基湿陷性的的有效深度怎样确定强夯夯的主要参数数强夯消除湿陷陷性的机理3/17/2023土动力学研究方法通过室内模模型试验研研究强夯变变量与有效效深度之间间的关系强夯变量包包括夯锤重重量W、落落距H、夯夯锤半径r、夯击次次数N、地地基土的干干容重γd、地基土的的含水量w对现场强夯夯试验数据据进行数理理统计分析析，得出有有效深度与与夯沉量之之间的经验验关系通过对强夯夯前后黄土土的应力应应变关系的的研究和微微观结构分分析，探讨讨强夯消除除黄土湿陷陷性的机理理3/17/2023土动力学1、物性指指标与湿陷陷系数的关关系黄土的物质质构成和基基本性质，，影响着它它的湿陷性性大小和敏敏感程度黄土的颗粒粒成分、水水溶盐含量量、显微结结构和物理理力学性质质等与黄土土湿陷性有有密切的关关系3/17/2023土动力学湿陷系数湿陷系数是是反映岩土土湿陷性的的主要指标标。有关规规范规定：：湿陷系数数δ≥0.015的的黄土层，，称为湿陷陷性黄土；；δ<0.015的的黄土层，，称为非湿湿陷性黄土土。湿陷程度：：0.015≤δ<0.03轻轻微湿陷0.03≤≤δ<0.07中中等湿陷陷0.07≤≤δ强强烈湿陷陷3/17/2023土动力学学湿陷系数数大致上上随干容容重的增增大而减减小干容重相相同的试试样，含含水量越越高，湿湿陷系数数越低干容重小小时，含含水量的的变化对对湿陷系系数的影影响很大大。干容容重大时时，含水水量的变变化对湿湿陷系数数的影响响减小。。强夯使土土的干容容重有很很大的增增加，这这是强夯夯消除黄黄土湿陷陷性的一一个重要要因素3/17/2023土动力学3/17/2023土动力学3/17/2023土动力学

地区性质兰州枢纽兰州西站牟家庄桃树坪东岗含水量8.10-28.75.10-30.913.1-29.26.60-17.211.3-31.0容重1.59-2.011.31-2.031.42-1.991.40-1.861.34-1.93干容重1.40-1.671.20-1.761.26-1.581.22-1.611.20-1.51孔隙比0.582-0.9270.715-1.1510.713-1.1360.685-1.0030.815-1.135饱和度26.9-81.512.9-86.336.5-82.613.3-63.422.6-91.1液限20.8-31.221.1-30.224.4-32.523.8-26.824.6-38.3塑性指数6.2-12.95.2-11.28.2-13.67.8-9.37.6-12.9液性指数-0.69~1.10-0.76~1.12-0.83~0.73-0.85~1.19压缩系数0.2-1.270.21-1.240.19-1.310.19-1.23湿陷系数0-0.0730-0.0950.003-0.1050.001-0.1240-0.1123/17/2023土动力学兰州湿陷性黄土土的特征颗粒成分以粉粒粒为主，占总含含量的60％以以上，粘粒含量量约20％，砂砂粒含量小于20％。矿物成分以石英英、长石、方解解石等为主，占占80～90％％，粘土矿物以以伊利石为主，，约占10％。。化学成分以SiO2为主，占57.6%，Al2O3含量大于10％％。易溶盐含量约0.57%，离离子类型为Cl-Na型，石石膏含量约0.45%。3/17/2023土动力学学兰州黄土土的结构构疏松，，具有多多孔性，，具有肉肉眼可见见的大孔孔隙，干干容重小小，孔隙隙比大。。这种疏疏松的大大孔结构构是产生生湿陷的的有利空空间条件件。3/17/2023土动力学学主要物理理力学性性质指标标含水量7.4~22.1%，，容重13.5~15.2kN/m3，干容重12.6~13.52kN/m3，比比重2.70，孔隙比1.02~1.13，，饱饱和度度17.7~34.4%，液限25.3~29.3%，，塑塑限15.3~16.5%，塑性指数数8.8~12.2，，压缩系系数0.41~0.61MPa-1，内摩擦角角25°°，粘粘聚聚力30kPa3/17/2023土动力学湿陷特征湿陷系数0.062~0.084，强烈湿陷湿陷起始压力35kPa，是我国国典型的自重湿陷陷性黄土。3/17/2023土动力学黄土的湿陷性受多多种因素的影响，，湿陷系数与物性性指标之间不存在在确定性的数学关关系仅存在某种相相关关系。多元回归分析有助助于了解物性指标标与湿陷系数的相相关关系3/17/2023土动力学湿陷系数与与干容重、、含水量的的关系湿陷系数随随干容重的的增大而减减小。干容重相同同，含水量量越大，湿湿陷系数越越小。3/17/2023土动力学3/17/2023土动力学3/17/2023土动力学统计结果表明，黄黄土物性指标多呈呈正态分布从兰州地区五个场场地中筛取230组试验数据，构构成一个三元正态态分布的样本，通通过计算机分析可可得出兰州地区黄黄河南岸黄土的湿湿陷系数预测模型型3/17/2023土动力学湿陷性黄土的饱和和度一般为30-80%，当湿陷陷系数等于0.015时，地基消消除湿陷性的最小小干容重为1.44-1.50kN/m3.当干容重大于1.50kN/m3时，地基土不再具具有湿陷性因此，干容重可以以作为检验强夯效效果的重要指标3/17/2023土动力学学2、夯沉沉量与夯夯击能的的关系地基表面面在重锤锤作用下下的夯击击下沉量量称为夯夯沉量（（S）夯沉量随随夯击次次数的增增加而增增加单击夯沉沉量（ΔΔS)随随击次的的增加而而减小，，表明地地基土体体越夯越越密实夯沉量是是加固效效果的直直观反映映夯沉量的的大小与与锤重W、落距距H、击击次N有有关3/17/2023土动力学研究思路夯锤在空中具有一一定的势能夯锤在自由落体运运动的过程中获得得动能夯锤撞击地面后与与地面一起朝下运运动一段距离能量守恒定律和撞撞击理论是强夯法法的理论基础据此可以建立夯沉沉量和夯击能之间间的关系3/17/2023土动力学定义每一击击的锤底单单位面积上上的夯击能能为单击夯夯击能3/17/2023土动力学根据曲线的形形状可以采用用自然对数曲曲线S=a+blnEg或指数曲线线S=aeb/Eg方程来拟合3/17/2023土动力学分析结果表明，采采用自然对数曲线线对现场试验的S-Eg曲线进进行拟合，相关系系数较大，标准离离差较小应用最小二乘法原原理进行非线性回回归来求夯沉量与与夯击能之间的关关系3/17/2023土动力学定义S=0时的的夯击能为起始始夯击能Eg0起始夯击能小，，表明土层容易易夯实，地基加加固效果好，3/17/2023土动力学学起始夯击击能和系系数b随随单击单单位面积积上的夯夯击能的的增加而而增加bEg0Eg10.65625.948450.57216.143350.43412.495300.34913.253250.2520.17912.3287.70815.612.53/17/2023土动力学学3/17/2023土动力学夯沉量的预测测模型单击夯沉量随随击次增加而而减小。一般般规定最后两两击的单击夯夯沉量ΔS≤0.03m时结束夯夯击。这时的的击次称为界界限击次可用上式来估估算不同单击击夯击能的界界限击次还可用上式进进行强夯参数数的最优组合合设计，首先先考虑提高落落距，其次考考虑增加锤重重，确定了锤锤重和落距之之后，再利用用上式来选择择界限击次3/17/2023土动力学应用实例兰州枢纽办办公楼试验验区采用锤锤重10t，落距10m，夯夯锤底面积积为4m2，Eg1＝25tm/m2，夯击次数数为15次次，夯沉量量为1.115m。。夯后实测测地基消除除湿陷性的的有效深度度小于4.5m统计兰州地地区强夯试试验资料可可知，夯沉沉量达到1.5m时时，有效深深度可达5m以上3/17/2023土动力学更改设计参参数，将落落距提高至至20m，，则Eg1＝50tm/m2，按模型预预测，夯击击5次，夯夯沉量为1.65m，有效深深度将超过过5m3/17/2023土动力学地基土的性质对对夯沉量的影响响当含水量小于10％时，土体体表层较坚硬，，土颗粒之间摩摩阻力较大，妨妨碍夯击能量有有效向纵深传递递，不易压实，，使夯沉量减小小若含水量过大，，颗粒之间孔隙隙内自由水增多多，夯击能量部部分消耗于驱使使自由水流动，，表层土容易夯夯成橡皮土。土土体往侧向挤出出，夯坑周围的的土隆起，夯沉沉量不能真实地地反映土的垂向向压密状态3/17/2023土动力学研究表明，含含水量为10～20％时时，夯实效果果较好当含水量小于于10％时，，可在夯前进进行预浸水处处理但要严格控制制水量，不使使表层土含水水量过大，还还应注意使整整个场地浸水水均匀3/17/2023土动力学天然孔隙比大大的土结构疏疏松，夯沉量量较大回填土的夯沉沉量比天然地地基土大3/17/2023土动力学夯击参数的的最优组合合锤重落距击次最优组合3/17/2023土动力学学3、消除除湿陷性性的有效效深度法国L.Menard(1975)提出预预估影响响深度的的经验公公式为3/17/2023土动力学有效深度的影影响因素锤重W落距H击次N锤底半径r干容重γ含水量w3/17/2023土动力学室内试验模型试验装置由试验验圆桶、夯锤、、导杆及垫板等等组成测试装置包括动动静态电阻应变变仪、预调平衡衡箱等测试元件为纸基基电阻应变片3/17/2023土动力学3/17/2023土动力学试样制备3/17/2023土动力学学试验操作作情景3/17/2023土动力学有效夯击能通过垫板真正正作用与土体体的夯击能称称为有效夯击击能质点系统的总总动能为3/17/2023土动力学夯实前后干容容重的变化与与体积应变的的关系3/17/2023土动力学相对深度与与体积应变变的关系3/17/2023土动力学负指数回归方程程3/17/2023土动力学3/17/2023土动力学学室内模型型试验的的回归模模式3/17/2023土动力学学室内试验验的主要要意义在在于寻找找夯击能能量与土土体应变变之间的的关系，，观察含含水量变变化对强强夯有效效深度的的影响3/17/2023土动力学学现场试验验数据的的整理3/17/2023土动力学3/17/2023土动力学3/17/2023土动力学3/17/2023土动力学学应用实例例兰州电镀