土工試驗(yàn)與測(cè)試課件

第1章土工試驗(yàn)與測(cè)試第1章土工試驗(yàn)與測(cè)試1.1室內(nèi)試驗(yàn)1.2模型試驗(yàn)1.3原位測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)土力學(xué)中試驗(yàn)與測(cè)試的作用1．揭示土一般的力學(xué)性質(zhì)和規(guī)律—理論的建立，了解特定的土的物理力學(xué)性質(zhì)；2．確定各種理論和工程設(shè)計(jì)參數(shù)，驗(yàn)證各種理論的正確性和實(shí)用性；3．模型試驗(yàn)、足尺試驗(yàn)不僅可以驗(yàn)證理論與數(shù)值計(jì)算的合理性，還可用以解決實(shí)際工程問題；4．原位測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為數(shù)值計(jì)算的反分析、安全性評(píng)價(jià)和信息化施工服務(wù)1.直剪儀（directshearapparatus）（1）古老：1776年Coulomb（2）直觀、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)（3）應(yīng)力應(yīng)變條件復(fù)雜、不均勻（4）排水條件不明確直剪儀儀器簡(jiǎn)圖2.單剪儀（directsimpleshearapparatus）（1）應(yīng)力狀態(tài)均勻（2）斷面積不變（3）循環(huán)加載與動(dòng)力試驗(yàn)（4）破壞面位置不確定單剪試驗(yàn)原理用一系列環(huán)形圈代替剛性盒，因而沒有明顯的應(yīng)力應(yīng)變不均勻，試樣內(nèi)所施加的應(yīng)力被認(rèn)為是純剪。3.環(huán)剪儀（torsional(ring)shearapparatus）實(shí)驗(yàn)原理：環(huán)剪儀的剪切盒一般由一對(duì)金屬環(huán)組成，試樣放在環(huán)狀剪切盒內(nèi)。試驗(yàn)時(shí)，法向應(yīng)力由傳力板直接施加在環(huán)狀試樣的上部，并通過傳力板上的刀口將試樣上表面固定，而下剪切盒轉(zhuǎn)動(dòng)給試樣施加扭矩，實(shí)際上環(huán)剪試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)一樣，破壞面是一個(gè)預(yù)設(shè)的剪切面。（1）剪切面面積不變（2）便于用同一試樣連續(xù)做幾個(gè)正壓力試驗(yàn)——測(cè)定殘余強(qiáng)度環(huán)剪試驗(yàn)環(huán)刀側(cè)限壓縮試驗(yàn)1.1.3三軸儀與試驗(yàn)（1）1930A.Casagrande提出圓柱試樣（2）1933Seffert用三軸儀研究固結(jié)（3）1934Rendulic利用測(cè)定土的強(qiáng)度參數(shù)（4）1959黃文熙，汪聞韶研制動(dòng)三軸試驗(yàn)（5）三軸儀的發(fā)展：動(dòng)三軸、大尺寸三軸儀、高壓三軸、非飽和土三軸儀、應(yīng)力與應(yīng)變路徑控制三軸儀……（6）變形與強(qiáng)度試驗(yàn)（7）應(yīng)力狀態(tài)明確，簡(jiǎn)單；排水條件明確三軸儀三軸儀原理圖常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)圖固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)本書中也常用另外兩個(gè)常用參數(shù)

（不計(jì)中主應(yīng)力）一般應(yīng)力狀態(tài)下，為了表示主應(yīng)力的大小常用另外兩個(gè)參數(shù)應(yīng)力洛得角：畢肖甫參數(shù)：qpTCTEHC0RTERTCPLCTC31CTE32圖1－10利用三軸儀進(jìn)行不同應(yīng)力路徑的試驗(yàn)不同應(yīng)力路徑下的三軸試驗(yàn)應(yīng)力特點(diǎn)（加載時(shí)）不同應(yīng)力路徑的斜率:CTC（常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn))：c為常數(shù)，CTE（常規(guī)三軸伸長(zhǎng)—擠長(zhǎng)試驗(yàn))：a為常數(shù)，c增加RTC（減載三軸壓縮試驗(yàn))：a為常數(shù)，c減小RTE（減載三軸伸長(zhǎng)試驗(yàn))：c為常數(shù)，a減小qpTCTEHC0RTERTCPLCTC31CTE323-2圖1－11三種應(yīng)力路徑的斜率2.三軸試驗(yàn)的一些問題（1）邊界條件影響：

上下的邊界的摩擦增加了局部的圍壓使應(yīng)力、變形不均勻改變了破壞狀態(tài)——鼓脹與剪切面形成

（2)試樣體積變化的量測(cè)飽和土：量水管非飽和土：壓力室的體積變化（雙筒）其它的量測(cè)方法圖1－12三軸試驗(yàn)中的剪切破壞情況（3）關(guān)于膜嵌入的影響（membranepenetration)

排水條件：使量測(cè)的體變偏大

不排水條件：使量測(cè)正孔壓變小使負(fù)孔壓絕對(duì)值變小。剛性邊界下受力變形示意圖膜嵌入示意圖：排水情況：使量測(cè)的體變?cè)黾庸探Y(jié)不排水試驗(yàn)：固結(jié)：膜嵌入，前進(jìn)剪縮：正孔壓使有效圍壓減少，膜將后退（剪脹時(shí)相反）（1）固結(jié)－施加膜嵌入（2）產(chǎn)生正孔壓u：膜回彈，使骨架中部分水排出（3）孔壓減小（4）剪脹產(chǎn)生負(fù)孔壓情況相反3.幾種特殊的三軸試驗(yàn)

圍壓力

Kc=靜應(yīng)力比

d：動(dòng)應(yīng)力（1）動(dòng)三軸儀與試驗(yàn)(>1×10-2)td0d11d動(dòng)三軸試驗(yàn)原理動(dòng)三軸試驗(yàn)的實(shí)測(cè)曲線動(dòng)應(yīng)力d動(dòng)應(yīng)變d振動(dòng)孔隙水壓力ud圖1－19砂土的動(dòng)強(qiáng)度曲線Dr=0.57kPad/(3)10100（lg)Nf0.20.40.60Kc=3Kc=2Kc=1Kc=1/3ducr靜應(yīng)力狀態(tài)總應(yīng)力圓破壞時(shí)有效應(yīng)力圓動(dòng)加載過程

隨著循環(huán)加載過程，孔壓逐漸增加，莫爾圓左移最后與靜強(qiáng)度包線相切循環(huán)加載下的莫爾園（2）共振柱試驗(yàn)儀(<1×10-2)①激振（軸向，扭剪）—共振—測(cè)定彈性模量，剪切模量，阻尼比；②圓柱形、空心圓柱形；③一端固定，一端自由；一端固定，另一端彈簧或者阻尼器；④試樣在壓力室，各向等壓；不等壓。共振柱試驗(yàn)儀器示意圖

堆石壩材料路渣與墊層建筑垃圾與生活垃圾礦渣與礦山材料試樣直徑：150mm，300mm，500mm，700mm，1000mm…（3）大型三軸試驗(yàn)：材料的尺寸模擬的級(jí)配曲線：原型料，相似法，剔除法，替代法，綜合法dmaxD/5不同方法材料尺寸模擬的級(jí)配曲線100％6050.1d200原型料相似法替代法剔除法相似法:所有粒徑除以200/60=3.33剔除法:剔除所有大于60mm的粒徑替代法:將200～5mm的粒徑用60～5mm粒徑代替綜合法：幾種方法的綜合制樣方法、試樣密度及對(duì)于強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和其它性質(zhì)的影響，尚有待于進(jìn)一步研究例子：原型料:最大粒徑200mm，三軸試樣直徑300mmdmax≤300mm/5＝60mm

①一般的三軸試驗(yàn)圍壓達(dá)到600kPa～1MPa，高壓三軸圍壓可達(dá)到10MPa以上②模擬高壩深覆蓋層等情況③在高壓下，土的應(yīng)力－變形－強(qiáng)度有很大不同。如顆粒破碎，剪脹消失等（4）高壓三軸試驗(yàn)儀：

①軸應(yīng)變量側(cè)精度達(dá)0.00005②壓力室內(nèi)量測(cè)局部變形③與一般三軸試驗(yàn)比較，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有很大區(qū)別④用于硬土、軟巖與原狀土試驗(yàn)（5）量測(cè)小應(yīng)變?nèi)S試驗(yàn)不同量測(cè)方法的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系用LDT與外部位移計(jì)量測(cè)軟巖試樣的應(yīng)變1.1.4真三軸試驗(yàn)（1）

（2）研究中主應(yīng)力對(duì)于強(qiáng)度的影響（3）探討土的復(fù)雜應(yīng)力路徑上的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系（4）本構(gòu)關(guān)系的驗(yàn)證Lo等人改制的真三軸儀——在壓力室中加一對(duì)側(cè)壓力板Lade-Duncan的改制真三軸儀x、y、z三個(gè)方向是否獨(dú)立施加大、中、小主應(yīng)力？自由面x一般只為小主應(yīng)力；板方向y不能單獨(dú)為小主應(yīng)力：0～120（無張拉時(shí)）盒式真三軸儀沒有這一限制zxyzyx盒式與改制的真三軸儀真三軸儀間的區(qū)別：v0.8％420圖1－29在平面上沿圓周循環(huán)360以上的真三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑兩種砂試驗(yàn)的應(yīng)變路徑1.1.5空心圓柱扭剪試驗(yàn)與方向剪切試驗(yàn)（1）一般的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：nmf(ij)（2）變化六個(gè)應(yīng)力變量（x，y，z，xy，zy，zx)（3）或者變化三個(gè)主應(yīng)力＋三個(gè)方向角（4）目前還沒有這樣的儀器空心圓柱扭剪試驗(yàn)儀空心圓柱扭剪儀試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)zpopi可變化zr

zRiR0zrzn1主應(yīng)力方向的旋轉(zhuǎn)空心圓柱扭剪儀中的應(yīng)力計(jì)算1.1.6非飽和土吸力測(cè)試張力計(jì)法：90kPa，可用于野外。濾紙法：濾紙與土含水量平衡，從濾紙S-w關(guān)系確定吸力。濕度計(jì)法：熱電耦濕度計(jì)測(cè)土孔隙相對(duì)濕度uv：由公式計(jì)算uv-S關(guān)系。軸平移法：高進(jìn)氣值陶瓷板。在飽和以后，由于收縮膜作用，空氣不能進(jìn)入通過陶瓷板。1．張力計(jì)法：小于90kPa，可用于野外2．濾紙法：濾紙與土含水量平衡，從濾紙S-

w關(guān)系確定吸力。2．軸平移法：試驗(yàn)裝置總布置圖1.2模型試驗(yàn)（1）1g的試驗(yàn)

小比尺與足尺試驗(yàn)（n=1)（2）ng的模型試驗(yàn)

離心機(jī)，滲水力等1.2.11g的試驗(yàn)1.1g的小比尺試驗(yàn)

優(yōu)點(diǎn)：容易，經(jīng)濟(jì)缺點(diǎn)：不能定量。由于土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非線性；強(qiáng)度非線性；低圍壓下的剪脹性；粘聚力無法模擬1/3低圍壓高圍壓應(yīng)力－應(yīng)變、強(qiáng)度與應(yīng)力水平的關(guān)系2.極小圍壓的三軸試驗(yàn)極難進(jìn)行誤差來源:試樣自重、試樣帽的自重膜的徑向約束端部約束靜水壓力膜的拉伸對(duì)試樣的附加壓力負(fù)壓制樣傳力桿的摩擦力等3.1g的足尺試驗(yàn)結(jié)果有說服力，資料寶貴，造價(jià)昂貴

1.2.2ng的模型試驗(yàn)土工離心機(jī)模型試驗(yàn)（centrifuge)利用離心力場(chǎng)提高模型的體積力，形成人工重力。當(dāng)原型尺寸與模型尺寸之比為n，離心機(jī)加速度為：

優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)力應(yīng)變相同；破壞機(jī)理及現(xiàn)象相似；可以模擬實(shí)際工程問題及邊界條件缺點(diǎn)：應(yīng)力場(chǎng)不均勻；材料模擬：土顆粒、薄板片；比尺的不一致發(fā)展：固結(jié)、入樁、凍土、基坑開挖、地下工程、地震等土工離心實(shí)驗(yàn)中的比尺因素離心機(jī)裝置示意圖優(yōu)點(diǎn)：方便，經(jīng)濟(jì)，簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：土的限制，地面齊平，飽和土，試驗(yàn)中滲透系數(shù)的可能變化應(yīng)用：淺基礎(chǔ)，單樁，動(dòng)力實(shí)驗(yàn)2.滲水力模型試驗(yàn)原理：用水中向下的滲透力模擬重力，從而達(dá)到模型尺寸縮小n倍而土中應(yīng)力應(yīng)變與原型一致的目的。單樁滲水力模型試驗(yàn)滲水力模型試驗(yàn)示意圖1.3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與原型觀測(cè)1.3.1平板載荷試驗(yàn)1.3.2靜力觸探1.3.3動(dòng)力觸探1.3.4十字板剪切實(shí)驗(yàn)1.3.5旁壓試驗(yàn)1.3.6螺旋載荷板（SPC）與鉆孔剪切儀（BST）1.3.7物探試驗(yàn)1.3.8原型觀測(cè)1.3.1平板載荷試驗(yàn)(plateloadingtest)1.3.2靜力觸探（staticconepenetrationtest)(a)單橋式(b)雙橋式靜力觸探探頭1.3.3動(dòng)力觸探（DynamicPenetrationTest）

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT)各種動(dòng)力觸探探頭輕型10kg重型63.5kg中型標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)：N63.5標(biāo)貫擊數(shù)N63.5：適用：一般粘性土，砂土，砂礫石用途：密度，承載力，液化判斷標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)探頭十字板剪切試驗(yàn)1.3.4十字板剪切實(shí)驗(yàn)（VaneShearTest）1.3.5旁壓試驗(yàn)（Pressuremeter)旁壓儀工作示意圖評(píng)定地基承載力和變形參數(shù)，測(cè)求土的原位水平應(yīng)力、靜止土壓力系數(shù)、不排水抗剪強(qiáng)度。plv彈性階段塑性階段旁壓試驗(yàn)曲線1.3.6螺旋載荷板（SPC）與鉆孔剪切儀（BST）螺旋載荷板螺旋載荷板試驗(yàn)鉆孔剪切儀（BST）1.3.7物探試驗(yàn)

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