《土工试验与测试》PPT课件.ppt

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（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状态变化,0,f,1v,k0v,2.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,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,变形参数测定试验侧限压缩仪（oedometer consolidation test apparatus）,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）1930 A.Casagrande 提出圆柱试样（2）1933 Seffert 用三轴仪研究固结（3）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,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:hydrostatic compressionCTC:conventional triaxial compressionCTE:conventional triaxial extensionRTC:reduced triaxial compressionRTE:reduced teiaxial extensionTC:triaxial compressionTE:triaxial extension,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（membrane penetration)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,1.2.1 1g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,1.2.2 ng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(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,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（Vane Shear Test）,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,