高等土力学课件11室内试验12模型试验

高等土力学§1土工试验与测试一、土工试验的目的和意义（1）揭示土的一般的或特有的物理力学性质；（2）针对具体土样的试验，揭示区域性土、特殊土、人工复合土的物理力学性质；（3）确定理论计算和工程设计参数；（4）验证计算理论的正确性及实用性；（5）原位测试、原型监测直接为土木工程服务，也是分析和实现信息化施工的手段。AdvanceSoilMechnics 高等土力学二、土工试验的分类土工试验包括：①室内试验：如容重试验、含水量试验、直剪试验、无侧限压缩试验等。②原型测试：平板荷载试验、静力触探、十字板剪切试验等③模型试验（模拟试验）：小比尺模型试，足尺模型试验④原型监测：深基坑开挖工程监测、隧道施工监测、软土上路堤沉降监测等§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1土工试验与测试(a)土体滑坡(b)挡土墙(c)地基失稳图1.1-1土体破坏示意图§1.1室内试验§1.1.1直剪试验抗剪强度参数：AdvanceSoilMechnics 高等土力学⑴刚性单剪仪（常规单剪仪）刚性直剪仪是土力学中最古老的仪器之一。刚性单剪仪的主要优点：直观、简便、经济，尤其对于砂土和渗透系数k<10‐7cm/s的粘性土能很快得到抗剪强度试验结果。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1土工试验与测试刚性单剪仪的主要缺点：剪切面是人为确定的，其面积因位移而减小，边界上存在应力集中，剪切过程中存在明显的应力，应变不均匀，且十分复杂，试样内各点应力状态及应力路径不同。在剪切面附近土单元上的主应力大小是变化的，方向是旋转的。AdvanceSoilMechnics 高等土力学(2)TAW—800大型直接剪切仪主要功能：粗粒土的直接剪切，土与结构物的剪切试验等。主要技术参数：上剪切盒尺寸：500×500×150mm；下剪切盒尺寸670×670×150mm；最大轴力800kN；最大水平力（两个方向）400kN；轴向活塞最大行程600mm；水平活塞最大行程（两个方向）300mm。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学⑵多环单剪仪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，试样内所加的应力被认为是纯剪。应力摩尔圆圆心不变，其直径逐渐扩大，直至与强度线相切。这种仪器可以做动静剪切试验（动单剪试验），有很多明显的有优点。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学⑶环剪仪试样是环状的，剪切沿着圆周方向旋转，剪切面的总面积不变。特别适用于：①量测大应变后土的残余强度或终极强度；②不同材料间接触面的剪切特性（如土与砼、土与钢、土与土工合成材料）。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1.1.3三轴试验(1)静三轴试验静三轴试验（三轴压缩试验）是测定土的抗剪强度的一种方法。它通常用3-4个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力（σ3）下，施加轴向压力，即主应力差（σ1-σ3），进行剪切直到破坏；然后根据摩尔-库伦理论，求得抗剪强度参数。§1土工试验与测试σ1=p+Δσσ2=σ3=pAdvanceSoilMechnics 高等土力学§1土工试验与测试σ1=p+Δσσ2=σ3=pAdvanceSoilMechnics 高等土力学§1土工试验与测试三轴试验地主要优点在于，能根据工程实际情况，采用不同地排水条件，选取和控制孔隙水压，以求得与实际情况相接近的土的抗剪强度。根据排水条件的不同，试验大致可分为三种：①不排水剪或快剪(UU)饱和粘土的不排水剪或快剪的内摩擦角u和粘聚力Cu为：u=0；Cu=(σ1-σ3)/2,u和Cu为总应力强度指标。②固结不排水剪或固结快剪(CU)正常固结粘土：Ccu=0;cu=10~20；对于超固结粘土Ccu0;cu>0。③水剪或慢剪(CC)强度指标d和Cd很明显第三种方法求得的强度最高，第二种次之，第一种最低。AdvanceSoilMechnics 高等土力学优点：①可以完整地反映试样受力变形直到破坏的全过程；②可模拟不同工况，进行一些不同应力路径的试验；③可以很好地控制排水条件；④不排水条件下还可以量测试样的超静孔隙水压力。主要缺点：两个主应力σ2，σ3总是相等。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学常规静三轴仪只能对小尺寸试样φ50×100mm进行试验，一般适用细颗粒土。对于粗颗粒填料，需采用大型粗粒土三轴剪切试验机，下图是中南大学土木工程学院的SZ304型粗粒土三轴剪切试验机主要技术参数：试样尺寸φ300×600mm；最大轴压750KN；最大围压4Mpa；孔隙水压力1.0Mpa。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1.1.4动三轴试验为了测定循环加载情况下土的动力特性，在常规静三轴仪基础上，在轴向增加激振系统，动三轴试验。动三轴试样的应力状态和典型试验曲线见下图。§1土工试验与测试动三轴试样的应力状态和典型试验曲线见右图所示。用这种试验可从确定土的动模量、阻尼比、动强度和确定饱和土的抗液化剪应力等。AdvanceSoilMechnics 高等土力学中南大学TAJ—2000大型动三轴试验仪主要技术参数：试样尺寸φ300×600mm；振动频率0.1~20Hz；最大轴力：静态2000kN、动态1000kN；最大围压:静态10Mpa、动态1MPa；最大孔隙水压力3MPa；变形测量范围0~100mm；位移测量范围0~300mm；体变测量范围：0~10000ml。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1.1.5共振柱试验共振柱试验的原理是通过激振系统，使试样发生振动，调节激振频率，直至试样发生共振。从而确定弹性波在试样中传播的速度，计算试样的弹性模量、剪切模量和阻尼比。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1土工试验与测试试样可以是一端固定，一端自由；或者一端固定，另一端为弹簧和阻尼器支承。试样在压力室中可能是各向等压应力状态；也可以是轴向与侧向压力不等的应力状态。共振柱试验的试样可以是实心圆柱形，也可以是空心圆柱形的。AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1.2模型试验直接在结构即原型上进行的实验，称为原型实验；在按照原型设计的模型上进行的实验，则称为模型实验。一般说来，前者比后者更为真实。但在进行研究或对新设计方案进行比较，或者由于种种原因而不能进行原型实验时，模型实验就成为重要的手段。使模型和原型相似所根据的理论，称为模型理论，它的基础是相似理论。模型试验一直是岩土工程中的一种重要研究手段，它既可用来检验各种理论分析和数值计算的结果，也可用来直接指导实际工程的设计和施工。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1.2.11g下的模型试验在通常的重力场中（1g），在一定的边界条件下对土工建筑物或地基进行模拟，量测有关应力应变、位移或沉降等数据，通过一定的理论计算或数据计算来检验理论计算结果。模型试验分为：小比尺模型试验和足尺模型试验（大比尺模型试验）小比尺试验：将土工建筑物或地基及基础缩小n倍，自重和荷载及应力水平同样也缩小n倍。足尺模型试验：模型的几何尺寸和试验荷载等与原型差不多，即比尺接近1:1§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学（一）相似理论概念众所周知，自然界中许许多多的物理现象的研究都是凭借相似模拟试验的手段来实现的，而试验结果的精度如何，则是由试验模型与物理原型之间的相似程度所决定的。为了使模型实验现象尽可能地反映出实物（原型）发生的现象，应严格按照相似理论来确定模型实验的几何尺寸和物理特性。但一般情况下，特别是岩土工程试验，很难使原型与模型各方面都相似，有时只能针对主要研究的问题，使某些方面相似，而忽略其它方面(抓主要矛盾)。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学相似常数（相似系数）：相似现象的同一物理量之比，称为相似常数，或称相似系数。Cx=模型物理量Xm/原型物理量Xo,如几何相似常数CL=Lm/Lo相似指标：两个系统中的相似常数之间的关系式称为相似指标。若两个系统相似，则相似指标为1。相似判据：相似现象各物理量之间，也存在某种关系式，称为相似判据。求相似判据的方法：方程式分析法（包括积分类比法）、量纲分析法§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学相似第一定律：相似现象用相同的方程式描述。彼此相似的现象，其相似指标等于1,其相似判据的数值相等。即彼此相似的现象，单值条件相同，其相似判据也相同。属于单值条件的因素有：几何参数、重要物理参数、起始状态、边界条件等。相似第二定律：当一个现象由n个物理量的函数关系来表示，且这些物理量中含有m种基本量纲时，则能得到（n-m）个相似判据。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学相似第三定律：凡具有同一特性的现象，当单值条件彼此相似，且由单值条件的物理量组成的相似判据在数值上相等，则就此现象必定相似。或者说，单值条件相似，且从它导出的相似判据的数值相等，是现象彼此相似的充分和必要条件。以上是模型设计和获得相似量必须遵循的法则。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学（二）模型试验设计实例下面某地区狮子山第二根抗滑桩现场实验为原型，按照相似理论来确定抗滑桩模型实验的几何尺寸和主要物理力学参数。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学(1)相似率的决定和模拟锚固土层砂样的选取由相似理论可知，两个系统相似的充分必要条件是一个系统的数学模型由一一变换与另一系统的数学模型相联系，也就是说通过调试模型各参数的比例尺，使得模型和实物满足共同的方程式。下面就是关于抗滑桩模型试验相似率方面的计算。§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1土工试验与测试基本思路：抗滑桩工程原型抗滑桩模型试验示意AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1土工试验与测试(a)桩的微分方程（1-1）其中E、I、B、W——分别为桩的抗弯模量、惯性矩、宽度和水平位移；K—地基系数；q—单位高度上的水平荷载；y—桩任一点离地表的距离。对于桩的锚固段来说，由于岩土性质一般较好，加上在模型实验里尺寸不大，地基系数不会有大的变化，所以在这里K取常数。至于q，对于锚固段来说为零值。AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1土工试验与测试（b）采用相似理论积分类比法求相似判据去掉（1-1）式的微分符号，则（1-1）化成:化成无量纲表达式:得到相似判据:即（1-2）AdvanceSoilMechnics其中C表示各参数的相似比，如CB=Bm/Bo;E、I、B、W—分别为桩的抗弯模量、惯性矩、宽度和水平位移；K—地基系数；q—单位高度上的水平荷载；y—桩任一点离地表的距离 高等土力学§1土工试验与测试地基系数的相似比：抗弯刚度的相似比：抗滑桩宽度的相似比：抗滑桩锚固长度相似比：以上，下标0表示原型的数据、m表示模型的数据。由（1-2）解得：即AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1土工试验与测试(1)参考狮子山第二根抗滑桩实验数据桩宽度Bo=0.8m,(EI)o=2.94×109N.m地基系数的比例系数m=2.94×106kN.mLo=10m,Ko=1.47～2.156×106kN.m3模型桩采用空心方形有机玻璃桩，其几何尺寸：桩长Lm=100cm,，边长Bm=3.8cm,壁厚t=0.55cm其它计算结果见表1-1AdvanceSoilMechnics截面尺寸惯性矩抗弯模量壁厚t(cm)0.5512.9480.04750.10.0242表1-1抗滑桩模型试验相似参数计算 高等土力学§1土工试验与测试上表中求得的Km即为在所选定桩下，模型实验制备时锚固层介质必须满足的地基系数。根据实验室现存的几种砂，考虑到的要求和将来便于施加超载，砂的地基系数随深度变化的比例系数m不能过大，取最大粒径不超过3mm。AdvanceSoilMechnics再考虑到以后超载在砂面上的压实作用，模型用密砂装填。为满足以上要求以及实际填装砂的情况，测得实验用砂的密度为ρ=1.684g/m3。查得此砂地基系数随深度变化的比例系数m=1.96~2.94×104kN/m4。 高等土力学§1土工试验与测试(2)Km的保障和超载的确定为了使锚固层的Km保证在3.56∽5.21×104kN/m3之间，实验模型锚固层顶面必须施以超载，此超载又可近似地认为滑坡体对锚固层的压力。满足Km的超载大小可通过下面的计算得到。因为Km=m×Lm,得:Lm=Km/m（1-3）由于Km和m为上述已确定的已知值：Km=3.56∽5.21×104kN/m3，m=1.96∽2.94×104kN/m4为了计算Lm，取其平均值，代入式（1-3）中,得：AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1土工试验与测试故锚固层顶面要满足的超载集度:AdvanceSoilMechnics(3)实验中模拟下滑力加载位置的确定根据上面的计算和有关讨论，选定模型桩和合适土样后，从桩的各变量微分方程，应用相似理论，可以找出原型和模型桩的几何、位移内力之间的相似系数的关系，利用它们可以确定实验中加载的位置。倒过来说，实验中的水平侧向力施于何处，能使锚固层处桩截面的剪力和弯距以及位移按一定的相互关系变化，以便满足我们采用的相似关系。 高等土力学§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics“实验中的水平侧向力施于何处”这一点很重要的，因为滑动面处桩截面各量不但要求相似于原型桩的特性，而且它又是滑动面以下的初始值，其重要地位可想而知。下面就此作较为详细的推导。由于模型桩（m）和原型抗滑桩（o）的挠曲线相似，则在任一深度y处有 高等土力学§1土工试验与测试桩的微分方程（Q为剪力，其它符号同前）：AdvanceSoilMechnics化右边方程为无量纲形式：解得由(1-3a),根据相似理论得：其中(1-3a)(1-4)(1-5)(1-6)(1-7) 高等土力学§1土工试验与测试式（1-7）和前面导得的（1-3）吻合CK、CE、CEI在表1-1中已求得，为已知值。将（1-5）和（1-6）两式左右对应相除，得：AdvanceSoilMechnics即:(1-8)取Qo、Qm和Mo、Mm锚固层即滑动面处桩的内力值，参考狮子山第二根抗滑桩数据Mo=87.2t.m，Qo=24.4t，之所以取这两个值，是因为在现场测试中，当滑动面处剪力Q>Qo、弯距M>Mo时，地表土层开始破坏，桩身开始出现裂缝，所以由Mo和Qo算得的Mm和Qm可作为最大内力参考值，相应得到的外荷为最大下滑力的参考值。 高等土力学§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics在模型实验中Mm=P×Lm=Qm×Lm，其中Lm为下滑力合力P距锚固层面的高度，如右下图所示。又知Cy=CL=1/10，将以上数据代入（3-8）式：得：Lm=0.358m=35.8cm所以实验中必须控制P的高度在35～36厘米内才能在滑面处得到相似要求的弯距、剪力和变位。 高等土力学§1土工试验与测试（4)抗滑桩模型试验装置根据上述相似理论确定的模型参数，结合实验中要测试的关键变量（内力和位移）来制做模型。实验模型装置由五大部分组成，它们分别是：模型槽、超载系统、侧向施力系统、应变测量系统，见下图。AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics（三）铁路路基动力试验足尺模型试验介绍中南大学土木工程学院依托“高速铁路建筑技术国家工程实验室”和“重载铁路工程结构教育部重点实验室”，设计和建造了重载铁路路基足尺(1:1)模型动力试验系统，包括：①重载列车作用仿真加载系统②1:1重载铁路路基模型③路基动力响应测试系统 高等土力学§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics⑴重载列车动力仿真加载系统①重载列车作用仿真加载系统设计原理为了能比较好地模拟重载列车运行时作用在路基上竖向荷载，通过几个竖向作动器共同工作来近似模拟重载列车运行荷载的作用，如下图所示。 高等土力学§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics通过连续并列安装的5个作动器，按一定的相位差（相位差由列车运行速度和两轨枕间距确定）出力，即可以模拟出相邻轨枕列车荷载在路基中产生的应力叠加，又可反映列车的运行速度，可较好的模拟重载列车对路基的动力作用。②重载列车作用仿真加载系统组成结构重载列车作用仿真加载系统主要包括以下部分：（1）5套作动器、（2）5套刚性反力梁（3）5套动力荷载分配梁（4）液压动力系统（作动器油源和动力油管）（5）MTS控制系统 高等土力学§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics作动器、刚性反力梁、动力荷载分配梁、动力油管（b）液压动力系统（c）MTS控制系统 高等土力学§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics⑵1:1重载铁路路基模型模型槽尺寸为长28m、宽13m、深8m，如下图示。路基模型两侧壁各有两条大吨位反力槽，可以用于安装列车作用仿真试验加载系统中刚性反力梁的立柱。 高等土力学§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics◇模型试验边界条件的处理①模型边界处理原则。对于实际路基工程，在水平方向和深度方向上是无限延伸的，在列车动荷载作用下，波动能量将向无穷远去逸散。对于模型试验，实际是从无限大原型中截取有限的一部分来进行研究，因此必须对模型边界进行处理，尽可能地有效的模拟能量的逸散。②模型边界处理目标。模型边界处理后，要求波在界面上的反射可忽略不计或不反射，静态荷载应力和变形与原型的在此位置相近。③为了达到上述要求，模型边界宜采用阻尼比模型路基填料大1倍以上、阻抗与模型路基填料接近的材料。 高等土力学§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics⑶测试元件为了测试重载铁路路基在不同轴重列车作用下路基的静、动力响应，在路基表面和内部布置和埋设了大量静、动力响应测试元件。共设置了测试断面4个。主要测试项目有：动应力、动位移、加速度、静土压力、表面沉降、深部位移等。共布置埋设动土压力盒95个、静土压力盒15个、加速度61个、941拾振器5个、单点沉降计6个、表面沉降点18个。 高等土力学§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics 高等土力学§1土工试验与测试AdvanceSoilMechnics示