《土工试验与测试》PPT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,1.1室内试验,1.1.1强度测定仪器直剪仪（directshearapparatus）单剪仪（directsimpleshearapparatu）环剪仪（torsional(ring)shearapparatus）,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,初始状态,直剪试验中剪切面处土的应力状态变化,0,f,1v,k0v,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。,单剪试验的应力状态：水平面不一定是破坏面,初始状态,单剪试验应力状态变化,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,1.1.2变形参数测定试验侧限压缩仪（oedometerconsolidationtestapparatus）,1侧限应力状态（hK0v)2压缩与固结试验3试验结果：e-p曲线与e-lgp曲线：（侧限）压缩模量：Es压缩系数：a体积压缩系数：mv压缩（回弹）指数Cc、Ce,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,两个参数p，q,对于三轴应力状态：=,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,HC：静水压力（各向等压）试验23PL：比例加载试验：/3为常数CTC：常规三种压缩试验：3为常数（围压）CTE：常规三轴伸长（挤长）试验：3（轴应力）为常数TC：p为常数三轴压缩试验（轴应力增围压减）TE：p为常数三轴伸长试验（轴应力减围压增）RTC：减压三轴压缩试验：（轴应力）为常数RTE：减压三轴伸长试验：1（围压）为常数,HC:hydrostaticcompressionCTC:conventionaltriaxialcompressionCTE:conventionaltriaxialextensionRTC:reducedtriaxialcompressionRTE:reducedteiaxialextensionTC:triaxialcompressionTE:triaxialextension,q,p,0,PL,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（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,q,p,0,PL,3,-2,图111三种应力路径的斜率,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112三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(110-2),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119砂土的动强度曲线,Dr=0.57kPa,d/(3),10,100,（lg)Nf,0.2,0.4,0.6,0,Kc=1,Kc=1/3,ucr,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),激振（轴向，扭剪）共振测定弹性模量，剪切模量，阻尼比；圆柱形、空心圆柱形；一端固定，一端自由；一端固定，另一端弹簧或者阻尼器；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,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2005mm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,例子：原型料:最大粒径200mm，三轴试样直径300mmdmax300mm/560mm,一般的三轴试验围压达到600kPa1MPa，高压三轴围压可达到10MPa以上模拟高坝深覆盖层等情况在高压下，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：,轴应变量侧精度达0.00005压力室内量测局部变形与一般三轴试验比较，应力应变关系有很大区别用于硬土、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：0120（无张拉时）盒式真三轴仪没有这一限制,盒式与改制的真三轴仪真三轴仪间的区别：,v,0.8,420,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：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,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,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,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。,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