土工试验三论-李广信

土工试验三论
清华大学 李广信
目录
前言 试验与验证 试验与设备 试验与思考 结论

前言
土工试验




对土性的感性认识与理解； 揭示土的力学性状和规律，发现与创新； 通过归纳和抽象建立土的理论； 验证理论和计算的依据； 为理论计算和工程设计提供参数； 为土工设计提供方案比较-模型试验； 反分析的依据。
=30，
K0=1-sin=0.5，
1/3=200kPa/100kPa=2
施加动荷载以后超静孔隙水压力增加， 当孔压u=50kPa时，
(1-3)/(1+3)=sin，试样一定 要破坏。此时3>u，试样不会液化。
1 Kc 1 / 3 2

破坏而非液化
u=50kPa
竞赛或者考试形式的验证

客观性； 权威性； 公正性。
预测的应力应 -变关系得分表
p=常数；b=常数的真三轴试验
预测的轴应变 -体应变关系得分表
无效的试验验证

应力变形 特性
常见的一种本构关系模型的论文模式
三轴试验
确定参数 验证理论 模型
理论模型
完美的验证

使用参数的随意性。

验证理论模型的常用的试验
导气管
高压锅
不同增湿含水量 10% to 25%的变形
6 5
ε 1（%）
From 10% to 25%
σ 1=180kPa，σ 3=60kPa σ 1=180kPa，σ 3=60kPa σ 1=120kPa，σ 3=45kPa σ 1=120kPa，σ 3=45kPa σ 1=120kPa，σ 3=60kPa σ 1=120kPa，σ 3=60kPa
2.试验与设备


先进设备是科研的基础； 设备的经费投入； 不一定有足够的投入就会有高水平的科研成果； 设备的研制； 设备的改造，因陋就简； 发动学生，引起兴趣，勤于思考。
常规三轴试验仪的改造
真三轴仪和平面应变仪
旁压仪模型试验
碎石桩模型试验
渗水力模型试验
增湿试验
蒸汽加湿-任意含水量的增湿试验
160 140 120
B
1 1 n Cf Csk
( 1 3 ) / kPa
100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 a0 a0.088 a0.162 a0.225
孔压系数A：
如果土骨架中有20%的刚体不可压缩， 则A可能会减少20%，
超静孔压u减少，有效有力3增加

减载体缩现象
减载体缩机理
固结不排水试验：应力比，应力差？
q
1-
3
=36
=17
ap破坏与强度源自关系31-3

1
3
关于轴平移-三轴试验的反压
u B[ 3 A( 1 3 )]
q CTC RTC
u<100kPa q
0 3
0
c=800kPa
砂土不排水试验的应力路径与应力应变曲线
应力应变曲线
有效应力路径
土的三维本构关系的探讨与模型验证
常规三轴试验＋三轴伸长试验的强度比－ 三维清华弹塑性模型； p=常数的三轴试验曲线； 真三轴试验曲线； 平面应变试验曲线； 厚壁筒（旁压仪）内压试验边值问题的数 值模拟。

平面应变厚壁筒内压试验的不同模型 计算的应力路径预测
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 2 4 6 含水量w（%） 8 10 12
粗粒土增湿变形机理
5%
10%
25%
载体桩
载体桩试验
3.试验与思索
试验必须思考
试验不是简单的体力劳动; 试验前的预期; 试验的设计; 试验现象(正常与反常)的思考与分析; 试验结果的整理与提高.
平面应变试验； 不排水三轴试验； 真三轴试验：p=常数、b() =常数； 其他复杂应力路径试验； 土工模型试验。

平面应变试验的验证


这是一种常用的验证试验； 由于其中一个方向的主应力是通 过模型计算获得，所以其试验的 应力路径不是预先确定的； 不同模型会算出不同的应力路径 ，所以往往会放大误差。
弹塑性模型预测有效应力
ij iju ij
du b(dp adq cqd )
b =1.0
aK f f f f /( A K ) q p' p' p'
cK
1 f f f f /( A K ) q p' p' p'
0=400kPa 3=400kPa
p
2/3 0 1
1
3=400kPa
p
反压0=400kPa
动三轴试验：固结应力比
Kc 1 / 3 2
9.7
为什么会破坏？
1 / 3 3
(1 3 ) / 3 2
固结比为1/2的动三轴为什么不会液化

1.试验与验证
科学的确定需要试验验证： 确证性(verifiability,再现性）：任何人都应得 到相同的结果； 定量性：算式是科学理论化的最正确手段。 因而验证需要客观、公正、准确、有权威性。
土力学理论验证的途径
建立理论模型
基本试验（常规三轴、 等向压缩、单向压缩）
目标试验（平面应变、真三轴试验、 其他复杂应力路径试验）
弹性-理想塑性
DuncanChang
LadeDuncan
清华模型
沈珠江三重屈服 面模型
工程问题的数值计算验证



是目前论文中常用的验证模式； 几乎无例外地不介绍参数的来路； 结果也都是“符合得很好”； 其实是没有说服力的验证，存在一些疑点。以 一个基坑变形计算为例： (1) 如何取得５层原状土的模型参数？ (2)如何模拟基坑施工的过程？ (3)如何考虑复杂的应力路径？
y t ( x z )
模型
预测
应力路径
应力应变曲线
不排水试验的模型验证



一般模型都是在有效应力的系统中建立的，不排水 试验首先预测（有效）应力路径； 有效应力取决于孔压，孔压决定于模型对体应变的 预测； 本构模型在预测体应变方面的误差较大，变形引起 的超静孔隙水压力是极难预测准确的； 因而不排水试验的应力变形曲线难以预测，
4 3 2 1 0 0 20 40 60 时间t（min）
干湿循环试验
围压的确定
1
施加某一1-3
3
同样应力状态下，不同增湿含水量试验

轴向应变ε 1（%）
含水量从1.5%到5%的 干湿循环变形与从 1.5%到10%的干湿循 环变形基本相同。
3 30kPa, 1 120kPa
εa
慢，最后它可能超过z与x
4.0 3.5 σy /100 kPa 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 强度线 σy大主应力 σ y =σ z σy中主应力 σ y =σ x σy小主应力 A k=1.17 试验结果 计算结果
0
0.005
0.010
εv
0.015
0.020
0.5
1.0
(1-3)/(1+3)=sin=0.5, =30
u=3=100kPa
静止土压力条件场地的饱和砂土
轴试验中的砂土=30， 则K0=1-sin=0.5，
1/3=2，
平面应变等应力比下的卸载
卸载时，由于u很小，y减小的速度
0.008 0.006 0.004 0.002 k=1.17
1 / %
结论

试验的验证需要客观性、公正性和权威性； 科学需要好奇心与自由，昂贵精密的仪器不是必 要的条件； 土工试验需要认真思考，否则一些创新性成果会 从眼前溜走；或者作出错误的判断和解释；

谢谢！
1.5
2.0 2.5 σ /100kPa
3.0
3.5
4.0
4.5
超固结土的K0
K0, oc (1 sin )OCR
m＝0.40.5
m
K 0,oc 1.0
碎石桩复合试样
压力室
试样帽 试样内膜 试样外膜
黏土
碎石桩 测碎石体变
复合试样与混合试样

曲线1是复合试样中碎石的应力应变 曲线; 曲线2是同密度,同围压纯碎石试样 的曲线 曲线3是同密度纯黏土试样的曲线，


曲线4是复合试样中黏土的曲线，
曲线5是与复合试样同重度的碎石＋ 纯黏土混合试样的曲线。
不连续级配土的性质
d=1.544
d=1.42 d=2.67 d=1.544 d=1.52
d>35%
混合试样
d<35%
d=1.67
复合试样
软黏土不同粗粒含量的不排水三轴试验
u B[ 3 A( 1 3 )]