高等土力学-1.1室内试验1.2模型试验

高等土力学Advanced Soil Mechanics
§1 土工试验及测试
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。

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）：足尺试验，加筋挡土墙的足尺试验等
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
§1.1 室内试验
§1.1.1 直剪试验
大小是变化的，方向是旋转的。

⑵多环单剪仪
单剪仪中，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。

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。

适用于测定细粒土及砂类土的总抗剪强度参数及有效抗剪强度参数。

试验主题词：周围压力；轴向压力；不固结不排水剪；固结不排水剪；固结排水剪。

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可以模拟不同工况，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。

静三轴试验试样的应力状态
§1.1.4 三轴试验
为了模拟循环加载情况下土的动力特性，人们在常规静三轴仪基础上，在轴向增加激振系统。

其激振方式有电磁力、气（液）压力、惯性力等。

后来发展可以在轴压和室压两向分别激振。

动三轴试样的应力状态和典型试验曲线见图1.1.10。

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。

§1.1.5共振柱试验
研究土的动力特性除了上述的动单剪试验、动三轴试验以外，共振柱试验也是一个重要手段。

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。

共振柱试验的试样可以是圆柱形的，也可以是空心圆柱形的。

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。

如图1.1.20 所示。

其它：真三轴试验，高压三轴仪，大型三轴仪（粗颗粒土），非饱和土三轴仪，空心圆柱扭剪试验和方向剪切试验。

§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。

§1.2.1 1g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。

分为：小比尺试验和足尺试验
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。

足尺试验：
（一）相似模拟试验的一些概念
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。

相似常数（相似系数）：Cx=模型物理量Xm /原型物理量Xo, 如几何相似常数C L=L m/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：如上所述，相似现象的同一物理量之比，称为相似常数，或称相似系数。

所有相似系数之间，存在着某种关系式，称为相似指标。

与此对应，相似现象各物理量之间，也存在某种关系式，称为相似判据。

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。

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。

（二）模型试验实例
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）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。

下面就是关于相似率方面的计算。

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。

（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:
40W
EI BKW y
+=
化成无量纲表达式:
4
10EI
BKy
+= 得到相似判据:
4
EI BKy
π=
即4
1EI
B K L
C C C C = （1-2） 其中 C 表示各参数的相似比;
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
地基系数的相似比：0
m
K K C K =
抗弯刚度的相似比：0
()()m
EI EI C EI =
抗滑桩宽度的相似比：0
m
B B
C B =
抗滑桩锚固长度相似比：0m L L C L =
以上，下标0表示原型的数据；上标m 表示模型的数据
由（1-2）解得 4EI
K B L
C C C C =
即
4
EI
m B L
C K K C C = 参考狮子山第二根抗滑桩现场实验数据
00.8B m =，960() 2.9410, 2.9410EI N m m kN m =⨯•=⨯•，
010L m =, 63
0 1.47~2.15610/K kN m
=⨯
模型桩采用空心方形有机玻璃桩，模型桩的几何尺寸 桩长100m
L cm =，边长 3.8m B cm =，壁厚t=0.55cm
其它计算见表1-1
表1-1
*桩的弹性模量E 由实验测得
m K 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m K 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 。

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31.684/g m ρ=。

查得此砂地基系数随深度变化的比例系数
441.96~2.9410/m kN m =⨯
(2) m K 的保障和超载的确定
为了使锚固层的m K 保证在433.56~5.2110/kN m ⨯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m K 的超载大小可通过下面的计算得到。

因为m m K mL =
得m
m K L m
=
（1-3） 上式中m K 和m 为上述已确定的已知值43.56~5.2110/m K kN m =⨯，
441.96~2.9410/m kN m =⨯
为了计算m L ，不妨取它们的平均值，代入式（1-3）中
4
4
4.38510 1.792.4510m m K L m m
⨯===⨯ 故锚固层顶面要满足的超载集度
221.684 1.79 3.0/29.4/m P L t m kN m ρ==⨯==
(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。

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
m
m
y Cy y w Cw w ====常量常量 桩的微分方程：
dw
dy d EI M dy dM
Q dy dQ
BKW dy
φφ=-=-==- 式中Q 为剪力，其它符号同前。

化上面方程为无量纲形式
1010
1010w
y EI
yM
M Qy Q
BKwy
φφ
+=+=-=+= 所以
11
11
w
y EI y M
M
y Q
Q B K y w
C C C C C C C C C C C C C C C φφ==== 其中
00
m y m m
Q m m y C y C M C M Q C Q φφφ==
==
解得23
4
(34)
...........................(35)...........................(36)1
.......................(37)w
y w
m EI y
w Q EI y
K EI B y
C C C C C C C C C C C C C C C φ=-=
-=-=
- （1-4）~（1-7） 式（1-7）和前面导得的（1-3）吻合，,,K E EI C C C 和在表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：
M
Q
C Cy C =
即0
//m m M M Cy Q Q
= （1-8）
取0Q 、m Q 和0M 、m M 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087.2299M t m =•，0
24.3863Q t =，之所以取这两个值，是因为在这个现
场实验中，当滑动面处剪力0Q Q >、弯距0M M >时，地表土层开始破坏，桩身开始出现裂缝，所以由0M 和0Q 算得的m M 和m Q 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。

在模型实验中m m m m M PL Q L ==，其中m L 为下滑力合力P 距锚固层面的高度，见图1-2
又知1/10Cy CL == 将以上数据代入（3-8）式，得
24.3863187.229910
m m m Q L Q •= 得0.357735.77m
L m ==厘米
所以实验中必须控制加荷高度在35～36厘米内才能在滑面处得到要求的弯距、剪力和变位。

(4) 模型装置
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，见图1-2。

壁用角钢加固以限制侧向位移
2）超载系统：由于超载总重达1.4吨，砂子又要多次装卸，若直接加重物，十分笨重，很不方便，为此设计了四个杠杆来分担和减少重物，另外为了尽可能地使超载在砂面上均匀分布，除了设置分压板外，在分压板下还铺垫了数层软橡胶膜。

3）位移量测系统：为了准确测出实验时桩的变位，构置了如图1-2中5，6，7示的位移计，紫铜管固定在模型槽上，穿插在紫铜管里的钢钎把桩的变位传导出来，实验证实，这种方法是可行的，准确而灵敏。

反力架与整个槽子分开，避免加载时对测量工作的影响。

其中11为自制的拉力传感器，
4）传感器体为弹性良好的铝合金钢，上面粘贴了一个全桥电路。

实验前、实验中和实验后经过多次标定检测，发现重复性相当好，使用证明相当可靠，见表1-3侧向施力系统：见图1-2中的
10，11，12，13，14部分。

表1-3 拉力传感器的标定
从表1-3中可以看出，每增加或减少3k g拉力，拉力传感器的应变相应地增加或减少应变18.5με，
附加公文一篇，不需要的朋友可以下载后编辑删除，谢谢(关于进一步加快精准扶贫工作意见)为认真贯彻落实省委、市委扶贫工作文件精神，根据《关于扎实推进扶贫攻坚工作的实施意见》和《关于进一步加快精准扶贫工作的意见》文件精神，结合我乡实际情况，经乡党委、政府研究确定，特提出如下意见：
一、工作目标
总体目标：“立下愚公志，打好攻坚战”，从今年起决战三年，实现全乡基本消除农村绝对贫困现象，实现有劳动能力的扶贫对象全面脱贫、无劳动能力的扶贫对象全面保障，不让一个贫困群众在全面建成小康社会进程中掉队。

总体要求:贫困村农村居民人均可支配收入年均增幅高于全县平均水平5个百分点以上，遏制收入差距扩大趋势和贫困代际传递；贫困村基本公共服务主要指标接近全县平均水平；实现扶贫对象“两不愁三保障”（即：不愁吃、不愁穿，保障其义务教育、基本医疗和住房）。

年度任务：2015－2017年全乡共减少农村贫困人口844人，贫困发生率降至3%以下。

二、精准识别
（一）核准对象。

对已经建档立卡的贫困户，以收入为依据再一次进行核实，逐村逐户摸底排查和精确复核，核实后的名单要进行张榜公示，对不符合政策条件的坚决予以排除，确保扶贫对象的真实性、精准度。

建立精准识别责任承诺制，上报立卡的贫困户登记表必须经村小组长、挂组村干部、挂点乡干部、乡领导签字确认，并作出承诺，如扶贫对象不符合政策条件愿承担行政和法律责任，确保贫困户识别精准。

（二）分类扶持。

通过精准识别建档立卡的贫困户分为黄卡户、红卡户和蓝卡户三类，第一类为黄卡户，是指有劳动能力，家庭经济收入在贫困线边缘的贫困户；第二类为红卡户，是指有一定的劳动能力，家庭贫困程度比较深的贫困户；第三类为蓝卡户，是指年老体弱或因病因残丧失劳动能力的贫困户和五保户。

优先扶持黄卡户，集中攻坚扶持红卡户脱贫，对蓝卡户则通过保障扶贫来保障其基本生活。

（三）挂图作业。

根据贫困户的实际情况，分三年制定脱贫规划。

乡里将根据各村情况对每年精准脱贫任务落实到户到人，建立台账，并用图表标注清楚，挂图作业，脱贫一户销号一户，做到“贫困在库，脱贫出库”。

三、精准施策
针对贫困村和建档立卡贫困户的实际情况，分清类别，分类施策，强化措施，扎实推进各项扶贫政策落实到实处。

在抓好贫困村公共设施和服务方面的建设同时要抓好对贫困户的帮扶，做到精准施策。

（一）推进基础设施扶贫
1．对“十三五”扶持贫困村25户以上的所有自然村，由规划所牵头负责进行村庄建设规划。

2．重点解决“最后一公里”的问题。

着力解决贫困群众最需要、最期盼的交通、电力、水利、就医就学等方面“最后一公里”的问题，让贫困群众享受均等的基本公共服务。

到2015年完成2个贫困村25户以上自然村水泥路建设，确保到2016年底新一轮贫困村中25户以上自然村全部通水泥路；在调查摸底和充分征求意见的基础上，确保到2016底全面完成农村贫困户土坯房和危旧住房的改造任务；灌溉渠系建设和小山塘除险加固改造主要倾向贫困村，提高灌溉能力，到2017底基本解决贫困村农村居民饮水安全和生产用水困难问题；每年安排贫困村至少一个“一事一议”项目，以帮助解决路、桥、水等问题。

（二）推进产业扶贫
1．培育壮大特色富民产业。

大力发展高产油茶、白莲、等特色种植业和特色养殖业，鼓励支持贫困户依据当地资源禀赋发展“一村一品”富民特色产业。

为贫困户发展种养业优先立项和优先提供苗木和种苗。

每年通过产业扶持贫困户50户以上，到2020年有劳动能力的贫困户每户都有一个长效增收的主业。

乡财政筹集资金，重点打造空坑——XX扶贫产业带，带动全乡贫困群众发展扶贫产业。

2．筹集精准扶贫到户资金。

县乡筹集精准帮扶到户资金，对贫困户发展产业给予奖补，或提供小额贷款担保、贴息、补助农业保险，以及提供信息、技术、服务等。

县财政每年从产业扶贫资金中，切出一半以上用于精准扶贫到户，发展了扶贫产业的贫困户，经验收合格后每户获得一次性扶持资金5000元，按规划分批实施，5年内全覆盖；另外切除部分资金，用于贫困户精准扶贫发展产业贷款贴息。

3．积极探索“四位一体”的产业扶贫新模式。

指导贫困村选择一个适合当地发展的高效产业；组建一个支撑有力的合作组织；设立一个产业贷款风险补偿金，为条件成熟的贫困村安排20万元产业扶贫专项资金，作为贫困户产业发展贷款风险补偿金，由合作商业银行按1：8放贷；创建一个部门配合的帮扶机制，县委农工部、县农业局、县林业局、县蔬菜局等相关部门在贫困村产业选择、合作社组建、技术培训推广、市场开发等方面会给予大力支持，共同推进。

4．创新产业发展服务体系。

鼓励贫困农户以土（林）地经营权作价入股方式，参与家庭农场、农民专业合作社、合作农场和联户经营等新型农业经营体系。

对贫困户创办的家庭农场和有贫困户参与的合作社，县财政将重点给予资金扶持。

广泛推行“千村万户老乡工程
”，力争2－3年覆盖黄卡、红卡贫困户，带动贫困户增收致富。

（三）推进搬迁扶贫
１．正确引导。

对地处边远、生存和发展条件较差、就地扶贫难以奏效的贫困户，坚持群众自愿、规模适度、梯度安置的原则，稳步推进贫困人口向县城工业园、县城次中心、中心圩镇或中心村有序搬迁转移。

2．整合资源。

积极整合资源支持搬迁移民集中安置点的基础设施建设，完善搬迁移民集中安置点的道路、通水、通电、学校、幼儿园、卫生所、文化等公共设施。

3．扶持政策叠加。

搬迁移民户可同时享受搬迁移民扶贫补助和农村危旧房、土坯房改造补助，对特别困难的搬迁户，进一步提高建房补助标准，动员和引导社会力量“一对一”帮扶；搬迁移民户除享受移民安置各项扶持政策外，迁出地的土地、山林、水面等承包经营权不变；帮助其解决后续发展问题，实现稳得住、奔小康能致富。

（四）落实智力扶贫政策
1．优先支持贫困村发展教育。

加强贫困村学校规划，优先立项解决贫困村薄弱学校改造，同步实现标准化和现代远程教育，新招聘的老师优先安排到贫困村小学任教，每年安排优秀小学教师到贫困村小学轮流支教，让贫困村的小学生能就近享受优质教育资源。

优先支持贫困村利用闲置校舍改建公办幼儿园、村小增设附属幼儿班、学前教育巡回支教点项目。

2．加大贫困生资助力度。

落实好现有国家济困助学政策，逐步提高贫困生资助标准。

公办幼儿园、村小附属幼儿班对建档立卡贫困户子女学前教育的保教费减半；对义务教育阶段建档立卡的贫困家庭寄宿生生活补助标准，在上级规定的基础上每人每年增加500元；择优录取建档立卡贫困户子女到县属中学上学，除享受国家规定的贫困家庭寄宿生生活补助和普通高中国家助学金外，每人每学年再给予1000元的生活补助，并免除学杂费、住宿费；对考取全日制普通高等学校的建档立卡贫困户子女每人一次性补助8000元；为当年被全日制大专以上院校录取的贫困家庭大学生办理国家生源地信用助学贷款。

3．大力实施职业教育和就业培训。

继续实施“雨露计划”，支持职业学历教育，对建档立卡贫困户子女参加中、高等职业学历教育的，在校期间每人每年给予2000元的补助；大力开展职业技能培训，对参加转移就业技能培训并取得有关部门颁发职业技能证书的扶贫对象，给予每人1000元培训补助；为贫困户免费开展农村实用技术培训，此项工作由县扶贫和移民办组织实施。

面向农村贫困家庭定向培养人才，今年对建档立卡贫困户子女报考“三定向”的加20分录取；从2016年起，县里将切出20%的“三定向”招生指标，专门用于招收建档立卡贫困户子女，并根据当年招生考试情况确定具体加分标准。

（五）推进劳务扶贫
1．公益性岗位安置贫困户就业。

2．鼓励能人创业扶贫。

凡通过创业带领贫困户家庭成员就业，经当地就业部门审核符合相关规定的，优先给予小额担保贷款政策扶持。

3．解决贫困户进企业务工。

积极帮扶有劳动能力的贫困户农民工进企业务工，解决贫困家庭收入来源问题。

（六）推进保障扶贫
1．落实完善最低生活保障制度。

逐步提高低保、“五保”补助标准，扩大低保覆盖面，对符合农村低保条件的做到“应保尽保”。

２．完善农村居民基本养老保险制度。

全面推进农村居民基本养老保险，让其享受基本养老金保障。

３．健全医疗保障制度。

对所有建档立卡的贫困户县内住院给予特殊政策倾斜。

４．完善临时救助制度。

对遭遇突发事件、意外伤害、重大疾病等特殊原因导致基本生活困难，其他社会救助制度暂时无法覆盖或救助之后基本生活暂时仍有严重困难的家庭或个人给予临时救助，帮助他们渡过难关。

（七）推进社会扶贫
县工业园管委会将牵头联合县工信委、县扶贫和移民办在企业界开展主题为“全民扶贫，邀您同行”结对帮扶活动，积极组织工业企业自愿参与到贫困村开展结对帮扶活动。

激励和引导“爱心协会”等社会力量参与扶贫，争取社会各界参与结对帮扶等扶贫攻坚工作。

四、精准帮扶
进一步完善精准扶贫机制，搭好精准扶贫的平台，实现扶贫方式由过去大水“漫灌式”向精准“滴灌式”转变，真正扶到点上、扶到根上。

突出抓好“七个到村到户”：
（一）产业到村到户。

每个贫困村都要根据当地的资源禀赋围绕富民产业，选择一个符合当地实际的特色产业，引导贫困户通过参与产业发展，实现增收致富。

（二）项目到村到户。

根据建档立卡贫困户的实际情况，有针对性地选择脱贫项目，找准脱贫路子，做到能种则种，能养则养，能外出务工则外出务工。

贫困村要根据当地产业特色，成立农民专业合作社，为贫困户发展产业提供服务。

（三）柚苗到村到户。

县委农工部将安排专项资金、县农业局负责购买调运柚苗，给每户贫困户免费发放20株以上柚苗，扶持贫困户种好“摇钱树”。

（四）资金到村到户。

对建档立卡的贫困户逐户制定发展目标、落实脱贫项目和帮扶资金，做到专项扶贫与行业扶贫、社会扶贫并举，专项扶贫资金要全部落实到贫困村、贫困户，行业扶贫资金、涉农部
门项目资金要向贫困村、贫困户倾斜，与扶贫资金捆绑使用，实现贫困户精准扶贫全覆盖。