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 11.1 室内试验1.1.1 强度测定仪器 直剪仪（direct shear apparatus）单剪仪（direct simple shear apparatu）环剪仪（torsional(ring)shear apparatus）1.直剪仪（direct shear apparatus）（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初始状态直剪试验中剪切面处土的应力
2、状态变化0f1v破坏状态f1f3k0v2.单剪仪（direct simple shear apparatus）（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。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
3、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（1）剪切面面积不变n（2）便于用同一试样连续做几个正压力试 n 验 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 apparatus）1侧限应力状态（h0v)2压缩与固结试验3试验结果：曲线与 lg 曲线：（侧限）压缩模量：s 压缩系数：体积压缩系数：v压缩（回弹）指数c环刀侧限压缩试验1.1.3 三轴仪与试验（1）1930 A.Casagrande 提出圆柱试样（2）1933 Seffert 用三轴仪研究固结（3）
4、1934 Rendulic 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aarrav23212avr00VWVVvAP31固结不排水三轴试验aar2avr2ar两个参数，3121323222131321)()()(21323qp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）223131 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31
5、2)(32tan31312b应力洛得角：毕肖甫参数：3132b1.三轴仪的不同应力路径试验HC：TE：pHC:hydrostatic compressionCTC:conventional triaxial compressionCTE:conventional triaxial extensionRTC:reduced triaxial compressionRTE:reduced teiaxial extensionTC:triaxial compressionTE:triaxial extensionqpTCTEHC0RTERTCPLCTC31CTE32图图110 利用三轴仪进行不同应力
6、路径的试验试验 HC CTC CTE TC TE RTC RTE PL 名称 静水压缩 常规三轴压缩 常规三轴伸长 三轴压缩 三轴伸长 减压三轴压缩 减压三轴伸长 三轴等比实验 主要应力特点 三个主应力相等 围压不变 轴向应力不变 平均主应力不变 平均主应力不变 轴向应力不变 围压不变 常应力比 13k 1 c a c a c a c a 2 c c c c a c c 1ck 3 c c a c a c a 1ck 1 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 12 0 0 0 1k 3 0 0 0 12 12 0 0 1k p 0 0 0 0 0 0 0 0()b/0(30)1(30
7、)0(30)1(30)0(30)1(30)0(30)03ddc不同应力路径的斜率:cacaqp3121323222131321)()()(21323233/addpaddq3dpdqaccaqp3121323222131321)()()(21323233/2cddpcddq23dpdqcacaqp3121323222131321)()()(21323233/2cddpcddq23dpdqaccaqp3121323222131321)()()(21323233/addpaddq3dpdqqpTCTEHC0RTERTCPLCTC31CTE323-2图图111 三种应力路径的斜率2.三轴试验的一些问
8、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图图112 三轴试验中的剪切破坏情况排水条件：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 c=静应力比 d：动应力(110-2)td0d11d动三轴试验原理动三轴试验的实测曲线动应力
9、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循环加载下的莫尔园（2）共振柱试验仪(110-2)共振柱试验仪器示意图 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: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20
10、05mm的粒径用605mm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 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、三个方向是否独立施加大、中、小主应力？xyzxy23tg）（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
11、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）一般的应力应变关系：nm()（2）变化六个应力变量（，)（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z r zRiR0zrzn1主应力方向的旋转2200222200000000330()32()iiziiiiiiiriTziWp Rp RRRRRp Rp RRRp Rp RRRMRR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
12、于野外。滤纸法：滤纸与土含水量平衡，从滤纸-v1张力计法：小于90kPa，可用于野外%47,01204.04701.2%47,07674.04928.5lgwwwws试验装置总布置图1.2 模型试验（1）1 的试验 小比尺与足尺试验（=1)（2）的模型试验 离心机，渗水力等1.2.1 1g的试验1.1 的小比尺试验 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:3.1 的足尺试验 结果有说服力，资料宝贵，造价昂贵 1.2.2 ng的模型试验 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，离心机加速度为：nggLLampm 优点
13、：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 单桩渗水力模型试验/1)(wwzinnzzi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
14、1.3.1 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63.5：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（Vane Shear Test）1.3.5 旁压试验（Pressuremeter)旁压仪工作示意图 评 定 地 基
15、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.弹性波2.声波3.探地雷达4.电磁法5.放射性勘测 1.3.8 现场及原型观测1.变形与位移2.应力3.孔压4.声发射监测技术 5.全球卫星定位系统（GPS）6.地下剪切破坏形态监测技术（TDR）7.地理信息系统（GIS）管理 1.4 试验的检验与验证（见绪论）1.4.1 对试验的验证：1.室内试验2.离心试验3.原位测试与物探1.4.2 理论验证：本构关系1.4.3 数值计算的验证：1.土工合成材料加筋墙2.地震反应分析
