高等土力学课件1.1_室内试验_1.2_模型试验

σ2= σ3=p
§1 土工试验与测试
σ1=p+Δσ
σ2= σ3=p
§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
（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。
软弱夹层
抗 滑 桩
高速公路
§1 土工试验与测试
(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
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。
§1 土工试验与测试
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
§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、 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

C EI C BC L
4
K0
§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=2.94×109 N.m 地基系数的比例系数 m=2.94×106 kN.m Lo=10m, Ko=1.47～2.156×106 kN.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1-1
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。
§1 土工试验与测试
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
§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
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。
§1 土工试验与测试
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
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
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
§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。 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。
§1 土工试验与测试
地基系数的相似比： C
EI
K

Km K0
(EI )m (E I )0
抗弯刚度的相似比： C
B
抗滑桩宽度的相似比： C
L
Bm B0
m
抗滑桩锚固长度相似比： L C
L0
以上，下标0表示原型的数据、m表示模型的数据。
C 由（1-2）解得：
K

C EI C BC L
4
即 K
m
§1 土工试验与测试
§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（σ1σ3），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。
σ1=p+Δσ
§1 土工试验与测试
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
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
§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:
EI W y
4
BKW 0
化成无量纲表达式:
得到相似判据:
EI BKy
4
EI BKy
4
1 0
即C
C EI CKCL B
4
1
（1-2）
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
§1 土工试验与测试
§1.1 室内试验 §1.1.1 直剪试验
(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Biblioteka Baidu
抗剪强度参数： S
c . tg
§1 土工试验与测试
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
（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
基本思路：
软弱夹层 抗 滑 桩
高速公路
超 载 P＝ r
m
抗滑桩工程原型
锚固层
抗滑桩模型试验示意
§1 土工试验与测试
(a)桩的微分方程
EI d W dy
4 4
BKW q
（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。
表1-1 抗滑桩模型试验相似参数计算
截面尺寸
a bcm 3 .8 3 .8
壁厚 t(cm)
0.55
惯性矩
I m (cm )
4
抗弯模量
E m (kN / m )
2
CB
CL
C EI
C EI C BC L
4
K
m
(kN / m )
3
12.948
2 .6 1 1 0
6
0.047 5
0.1
1 .1 4 9 1 0
§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。
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(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
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。
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。
§1 土工试验与测试
§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。
7
0.0242
3 .5 6 ~ 5 .2 1 1 0
4
§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。 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。
§1 土工试验与测试
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。