土动力学5-1课件

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5/13/2024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。5/13/2024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5/13/2024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5/13/2024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5/13/2024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5/13/2024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5/13/2024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5/13/2024土动力学5/13/2024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5/13/2024土动力学1、模型试验的试件设计试件可以是实际结构的整体或它的一部分，也可以是单一的构件应考虑试验模型与原型之间的力学性能的相似关系，按相似理论进行设计5/13/2024土动力学试件形状要求试验时形成和实际工作相一致的应力状态必须注意边界条件的模拟，使模型如实反映构筑物的实际工作性状5/13/2024土动力学试件尺寸若试件尺寸太小，要考虑尺寸效应的影响对于结构动力试验，试验尺寸常受试验加载条件等因素的限制振动台加载试验，受台面尺寸、激振力大小等参数的限制，一般只能作缩尺的模型试验目前国内能完成试件比例为1/50~1/4的各类构筑物的模型试验5/13/2024土动力学试件数量试件数量直接由参与研究问题参数（分析因子）和相应各种状态（水平数）的影响来决定5/13/2024土动力学正交试验设计如果因子数和水平数增加，则试件数量随之增加。对于多因素问题，可采用正交试验设计法利用正交表从尽可能少的试件试验中掌握试验条件和试验结果之间的内在规律（参阅有关正交试验设计的专著）正交试验设计可以只需少量的试件得到主要信息，从而对研究问题作出综合评价5/13/2024土动力学试件组合数目设计实例3个分析因子，各2种状态。由表可知：截面积增大，抗剪强度降低；砂浆强度或垂直应力增大，抗剪强度增大5/13/2024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、50.3020.2845/13/2024土动力学2、模型试验的荷载设计模型试验时的荷载作用应使构筑物处于某一种实际可能的最不利的工作状态试验荷载的图式要与构筑物设计荷载图式一样在下列条件下可采用不同于设计规定的荷载图式对设计荷载图式的合理性有所怀疑或实际情况有所改变采用等效荷载的方式，等效荷载的数值大小和分布形式要根据相应的等效条件换算5/13/2024土动力学采用等效荷载试验时，必须全面验算由于荷载图式改变对构筑物产生的各种影响。当试验满足强度等效而整体变形条件不等效时，则需进行变形修正当取弯度等效时，尚需验算剪力对构筑物的影响。5/13/2024土动力学模型试验的加载制度试验加载制度是指模型试验进行期间控制荷载与加载时间的关系，包括加载速度的快慢、加载设计间歇的长短、分级荷载的大小和加载卸载循环的次数等试件的承载能力和变形性质与其所受荷载作用的试件特征有关对于不同性质的试验，必须根据试验的要求制定不同的加载制度5/13/2024土动力学3、模型试验的观测设计观测项目挠度转角局部变形控制截面上的最大应变测点的选择与布置在满足试验目的的前提下，测点宜少不宜多测点的位置变形要有代表性布置一定数量的校核性测点5/13/2024土动力学仪器的选择与测读原则精度要求，最小测量单位不大于最大被测值的5％量程满足最大应变或挠度的要求，最大被测值不宜大于最大量程的80％同类参数选用同样的型号规格仪表，但在校核测点往往使用另一种类型的仪表动测仪表应注意仪表的线性范围、频响特性和相位特性5/13/2024土动力学4、模型试验的误差控制试件制作误差材料性能误差模型试验由材料的试块来确定材料强度。由材料标准试块或试件确定的强度是一种名义强度。名义强度和实际强度之间存在误差必须保证试块材质的同一性、同批试件砌筑工艺的同一性和试验龄期的同一性必须按照标准方法进行材料试验，并注意试块尺寸效应和试验加荷速率对材料强度可能产生的误差5/13/2024土动力学试件安装误差注意试件安装就位的正确性正确确定荷载作用点的位置荷载和量测设备误差定时进行系统的计量标定结构试验方法非标准误差尺寸效应强度随时间变化的非线性关系对同批、同类试件的试验方法、加载时间历程应加以统一5/13/2024土动力学五、结构模型的相似要求和相似常数要求模型和真型尺寸的几何相似并保持一定的比例要求模型和真型的材料相似或具有某种相似关系要求施加于模型的荷载按真型荷载的某一比例缩小或放大5/13/2024土动力学要求确定模型结构试验过程中各参与物理量的相似参数，并由此求得反映相似模型整个物理过程的相似条件模型必须和真型结构满足相似要求，才能按相似条件由模型试验推算出真型结构的相应数据和试验结果5/13/2024土动力学1、几何相似模型和真型结构之间所有对应部分尺寸成比例模型比例即为长度相似常数式中下标m与p分别表示模型和真型5/13/2024土动力学模型和真型结构的面积比、截面模量比和惯性矩比5/13/2024土动力学位移的相似常数5/13/2024土动力学2、质量相似在结构的动力问题中，要求结构的质量分布相似，质量相似常数为对于具有分布质量的部分，常用质量密度相似常数5/13/2024土动力学3、荷载相似模型和真型在各对应点所受的荷载方向一致，荷载大小成比例5/13/2024土动力学当需要考虑结构自重的影响时，还需考虑重量分布的相似5/13/2024土动力学4、物理相似模型与真型的各相应点的应力和应变、刚度和变形间的关系相似5/13/2024土动力学刚度相似常数5/13/2024土动力学5、时间相似在随时间变化的过程中，要求模型和真型在对应的时刻进行比较，要求相对应的时间成比例5/13/2024土动力学6、边界条件相似模型和真型在与外界接触的区域内的各种条件保持相似，即要求支承条件相似、约束情况相似以及边界上受力情况相似5/13/2024土动力学7、初始条件相似运动的初始条件包括初始状态下的初始几何位置以及质点的位移、速度、加速度5/13/2024土动力学六、结构模型设计模型试验的过程客观地反映出该模型工作的各有关物理量之间的相互关系由于模型和真型的相似关系，必然反映出模型和真型结构相似常数之间的关系相似常数之间应该满足的关系就是模型与真型结构之间的相似条件，这就是模型设计需要遵循的原则5/13/2024土动力学方程分析法描述物理过程的方程经过相似常数的转换，可获得相似准数当要求模型的弯矩、应力、挠度与真型结构相似时，则弯矩、应力、挠度的相似常数分别为5/13/2024土动力学模型和真型应该满足的相似条件5/13/2024土动力学由模型试验获得的数据可以按相似条件推算出真型结构的数据5/13/2024土动力学一般模型的相似常数的个数多于相似条件的数目模型设计时往往首先确定几何比例，即几何相似常数Sl一般情况下，经常先确定模型材料，并由此确定SE；再根据相似条件推导出其它物理量的相似常数的数值当模型设计首先确定Sl和SE时，则其它物理量的相似常数就都是Sl和SE的函数或等于15/13/2024土动力学5/13/2024土动力学在模型设计与试验时，如果假设模型与真型结构的应力相等，则试验中常采用人工质量的方法，即在模型结构上增加荷载来弥补材料容重不足所产生的影响。但附加的人工质量必须不改变结构的强度和刚性特性5/13/2024土动力学如果采用与真型结构同样的材料制作模型，当模型比例很小时，则模型试验得到的应力和挠度比真型的应力和挠度要小得多，必须提高模型试验的量测精度5/13/2024土动力学量纲分析法根据方程式量纲和谐的原理，不要求建立现象的方程式，只要求强度哪些物理量参与所研究的现象被量测的量的种类称为量纲量纲只区别量的种类，而不区别同一量的不同量度单位量纲实质上是广义的量度单位，同一类型的物理量具有相同的量纲5/13/2024土动力学在实际工作中，常选择少数几个基本物理量的量纲作为基本量纲，而由它们导出其它物理量的量纲在物理学中，一般选用质量的量纲[M]，长度的量纲[L]和时间的量纲[T]作为基本量纲，称为质量系统在工程学中，则选用力的量纲[F]，长度的量纲[L]和时间的量纲[T]作为基本量纲，称为力量系统5/13/2024土动力学5/13/2024土动力学七、模型材料和模型制作模型材料相似设计要求模型和原型能描述同一物理现象，要求模型材料和原型材料的物理性能、力学性能和加工性能相似模型材料可分为弹性模型材料和强度模型材料两大类5/13/2024土动力学弹性模型材料金属常用钢材、铜、铝合金塑料热固性的环氧树脂、聚酯树脂热塑性的聚氯乙烯、有机玻璃石膏5/13/2024土动力学强度模型材料水泥砂浆微粒混凝土环氧微粒混凝土钢材模型钢筋模型砌块5/13/2024土动力学模型制作水泥砂浆、微粒混凝土、环氧物理混凝土模型砌体结构模型钢结构及其它金属模型有机玻璃模型5/13/2024土动力学黄土是第四纪形成的一种特殊的土状堆积物。颜色主要呈黄色或褐黄色，以粉土颗粒为主，富含碳酸盐，具有大孔隙，垂直节理发育，具有湿陷性。凡具备上述全部特征的土即为典型黄土，与之类似但有的特征不明显的土称为黄土状土。在我国西北地区大面积分布的黄土中约占总数四分之三的是具有湿陷性的黄土。八、实例──强夯法处理湿陷性黄土地基的模型试验研究5/13/2024土动力学黄土的湿陷性黄土在一定的压力作用下受水浸湿，土结构迅速破坏而发生显著附加下沉的性质，叫做黄土的湿陷性。5/13/2024土动力学5/13/2024土动力学5/13/2024土动力学强夯法（Strongcompact)是利用重锤的自由落体运动，对地基土体反复施加强大的夯击能，这种夯击能以冲击波的形式向土体深部传播，是地表以下一定深度范围内的土体得到夯实。强夯改善了黄土的物理力学性质，增强了地基遇水后的稳定性，使一定深度内地基土的湿陷性得以消除。5/13/2024土动力学研究问题怎样确定强夯消除黄土地基湿陷性的有效深度怎样确定强夯的主要参数强夯消除湿陷性的机理5/13/2024土动力学研究方法通过室内模型试验研究强夯变量与有效深度之间的关系强夯变量包括夯锤重量W、落距H、夯锤半径r、夯击次数N、地基土的干容重γd、地基土的含水量w对现场强夯试验数据进行数理统计分析，得出有效深度与夯沉量之间的经验关系通过对强夯前后黄土的应力应变关系的研究和微观结构分析，探讨强夯消除黄土湿陷性的机理5/13/2024土动力学1、物性指标与湿陷系数的关系黄土的物质构成和基本性质，影响着它的湿陷性大小和敏感程度黄土的颗粒成分、水溶盐含量、显微结构和物理力学性质等与黄土湿陷性有密切的关系5/13/2024土动力学湿陷系数湿陷系数是反映岩土湿陷性的主要指标。有关规范规定：湿陷系数δ≥0.015的黄土层，称为湿陷性黄土；δ<0.015的黄土层，称为非湿陷性黄土。湿陷程度：0.015≤δ<0.03轻微湿陷0.03≤δ<0.07中等湿陷0.07≤δ强烈湿陷5/13/2024土动力学湿陷系数大致上随干容重的增大而减小干容重相同的试样，含水量越高，湿陷系数越低干容重小时，含水量的变化对湿陷系数的影响很大。干容重大时，含水量的变化对湿陷系数的影响减小。强夯使土的干容重有很大的增加，这是强夯消除黄土湿陷性的一个重要因素5/13/2024土动力学5/13/2024土动力学5/13/2024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0-0.0730-0.0950.003-0.1050.001-0.1240-0.1125/13/2024土动力学兰州湿陷性黄土的特征颗粒成分以粉粒为主，占总含量的60％以上，粘粒含量约20％，砂粒含量小于20％。矿物成分以石英、长石、方解石等为主，占80～90％，粘土矿物以伊利石为主，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%，离子类型为Cl-Na型，石膏含量约0.45%。5/13/2024土动力学兰州黄土的结构疏松，具有多孔性，具有肉眼可见的大孔隙，干容重小，孔隙比大。这种疏松的大孔结构是产生湿陷的有利空间条件。5/13/2024土动力学主要物理力学性质指标含水量7.4~22.1%，容重13.5~15.2kN/m3，干容重12.6~13.52kN/m3，比重2.70，孔隙比1.02~1.13，饱和度17.7~34.4%，液限25.3~29.3%，塑限15.3~16.5%，塑性指数8.8~12.2，压缩系数0.41~0.61MPa-1，内摩擦角25°，粘聚力30kPa5/13/2024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，是我国典型的自重湿陷性黄土。5/13/2024土动力学黄土的湿陷性受多种因素的影响，湿陷系数与物性指标之间不存在确定性的数学关系仅存在某种相关关系。多元回归分析有助于了解物性指标与湿陷系数的相关关系5/13/2024土动力学湿陷系数与干容重、含水量的关系湿陷系数随干容重的增大而减小。干容重相同，含水量越大，湿陷系数越小。5/13/2024土动力学5/13/2024土动力学5/13/2024土动力学统计结果表明，黄土物性指标多呈正态分布从兰州地区五个场地中筛取230组试验数据，构成一个三元正态分布的样本，通过计算机分析可得出兰州地区黄河南岸黄土的湿陷系数预测模型5/13/2024土动力学湿陷性黄土的饱和度一般为30-80%，当湿陷系数等于0.015时，地基消除湿陷性的最小干容重为1.44-1.50kN/m3.当干容重大于1.50kN/m3时，地基土不再具有湿陷性因此，干容重可以作为检验强夯效果的重要指标5/13/2024土动力学2、夯沉量与夯击能的关系地基表面在重锤作用下的夯击下沉量称为夯沉量（S）夯沉量随夯击次数的增加而增加单击夯沉量（ΔS)随击次的增加而减小，表明地基土体越夯越密实夯沉量是加固效果的直观反映夯沉量的大小与锤重W、落距H、击次N有关5/13/2024土动力学研究思路夯锤在空中具有一定的势能夯锤在自由落体运动的过程中获得动能夯锤撞击地面后与地面一起朝下运动一段距离能量守恒定律和撞击理论是强夯法的理论基础据此可以建立夯沉量和夯击能之间的关系5/13/2024土动力学定义每一击的锤底单位面积上的夯击能为单击夯击能5/13/2024土动力学根据曲线的形状可以采用自然对数曲线S=a+blnEg或指数曲线S=aeb/Eg方程来拟合5/13/2024土动力学分析结果表明，采用自然对数曲线对现场试验的S-Eg曲线进行拟合，相关系数较大，标准离差较小应用最小二乘法原理进行非线性回归来求夯沉量与夯击能之间的关系5/13/2024土动力学定义S=0时的夯击能为起始夯击能Eg0起始夯击能小，表明土层容易夯实，地基加固效果好，5/13/2024土动力学起始夯击能和系数b随单击单位面积上的夯击能的增加而增加bEg0Eg10.65625.948450.57216.143350.43412.495300.34913.253250.2520.17912.3287.70815.612.55/13/2024土动力学5/13/2024土动力学夯沉量的预测模型单击夯沉量随击次增加而减小。一般规定最后两击的单击夯沉量ΔS≤0.03m时结束夯击。这时的击次称为界限击次可用上式来估算不同单击夯击能的界限击次还可用上式进行强夯参数的最优组合设计，首先考虑提高落距，其次考虑增加锤重，确定了锤重和落距之后，再利用上式来选择界限击次5/13/2024土动力学应用实例兰州枢纽办公楼试验区采用锤重10t，落距10m，夯锤底面积为4m2，Eg1＝25tm/m2，夯击次数为15次，夯沉量为1.115m。夯后实测地基消除湿陷性的有效深度小于4.5m统计兰州地区强夯试验资料可知，夯沉量达到1.5m时，有效深度可达5m以上5/13/2024土动力学更改设计参数，将落距提高至20m，则Eg1＝50tm/m2，按模型预测，夯击5次，夯沉量为1.65m，有效深度将超过5m5/13/2024土动力学地基土的性质对夯沉量的影响当含水量小于10％时，土体表层较坚硬，土颗粒之间摩阻力较大，妨碍夯击能量有效向纵深传递，不易压实，使夯沉量减小若含水量过大，颗粒之间孔隙内自由水增多，夯击能量部分消耗于驱使自由水流动，表层土容易夯成橡皮土。土体往侧向挤出，夯坑周围的土隆起，夯沉量不能真实地反映土的垂向压密状态5/13/2024土动力学研究表明，含水量为10～20％时，夯实效果较好当含水量小于10％时，可在夯前进行预浸水处理但要严格控制水量，不使表层土含水量过大，还应注意使整个场地浸水均匀5/13/2024土动力学天然孔隙比大的土结构疏松，夯沉量较大回填土的夯沉量比天然地基土大5/13/2024土动力学夯击参数的最优组合锤重落距击次最优组合5/13/2024土动力学3、消除湿陷性的有效深度法国L.Menard(1975)提出预估影响深度的经验公式为5/13/2024土动力学有效深度的影响因素锤重W落距H击次N锤底半径r干容重γ含水量w5/13/2024土动力学室内试验模型试验装置由试验圆桶、夯锤、导杆及垫板等组成测试装置包括动静态电阻应变仪、预调平衡箱等测试元件为纸基电阻应变片5/13/2024土动力学5/13/2024土动力学试样制备5/13/2024土动力学试验操作情景5/13/2024土动力学有效夯击能通过垫板真正作用与土体的夯击能称为有效夯击能质点系统的总动能为5/13/2024土动力学夯实前后干容重的变化与体积应变的关系5/13/2024土动力学相对深度与体积应变的关系5/13/2024土动力学负指数回归方程5/13/2024土动力学5/13/2024土动力学室内模型试验的回归模式5/13/2024土动力学室内试验的主要意义在于寻找夯击能量与土体应变之间的关系，观察含水量变化对强夯有效深度的影响5/13/2024土动力学现场试验数据的整理5/13/2024土动力学5/13/2024土动力学5/13/2024土动力