第1章土工试验与测试

图1－12 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，
可变化z r z
Ri
pi
R0
z
z
z
r
po
空心圆柱扭剪仪试验的应力状态
1 n
主应力方向的旋转
空心圆柱扭剪仪中的应力计算
z
W
(R02 Ri2 )
p0R02 pi Ri2 R02 Ri2
p0R0 pi Ri R0 Ri
r
p0R0 pi Ri R0 Ri
z
3M T
2 (R03 Ri3)
dq 3 dp 2
RTE（减载三轴伸长试验)：
c为常数， a减小
p 1 2 3 1 2 3 a 2 c
3
3
3
q 1 2
(1 2 )2 ( 2 3 )2 ( 3 1)2
1 3 c a
dp d a / 3
dq d a
dq 3 dp
q TC
RTE TE RTC
试样直径：150mm，300mm，500mm，
700mm，1000mm…
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
100％
原型料 相似法
替代法
剔除法
200 60
5
0.1
d
不同方法材料尺寸模拟的级配曲线
例子：原型料: 最大粒径200mm，三轴试样直径 300mm
0.8％v
应力路径
图1－29 在平面上沿圆周循
环360以上的真三轴试验
420
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
3
3
3
q 1 2
(1 2 )2 ( 2 3 )2 ( 3 1)2
1 3
a c
dp d a / 3
dq d a
dq 3 dp
CTE（常规三轴伸长—挤长试验)：
a为常数， c增加
p 1 2 3 1 2 3 a 2 c
3
3
3
q 1 2
(1 2 )2 ( 2 3 )2 ( 3 1)2
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
f
破坏状态
0
k0v f3 1v
f1
直剪试验中剪切面处土的应力状态变化
2.单剪仪（direct simple shear apparatus）
毕肖甫参数： b 2 3 1 3
应力洛得角：
tan 2 2 1 3 2b 1
3(1 3)
3
1. 三轴仪的不同应力路径试验
HC：静水压力（各向等压）试验＝2＝3 PL：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）
Lade-Duncan的改制真三轴仪
盒式与改制的真三轴仪真三轴仪间的区别： x、 y、z 三个方向是否独立施加大、中、小主应力？
z
自由面x一般只为小
主应力； 板方向y不
x
能单独为小主应力：
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0～120（无张拉时）
盒式真三轴仪没有这
一限制
y
z
tg
（3
y
）
x
2 z y x
x
y
两种砂试验的应变路径
（2） 共振柱试验仪(<1×10-2)
① 激振（轴向，扭剪）—共振—测定弹性模
量，剪切模量，阻尼比；
② 圆柱形、空心圆柱形； ③ 一端固定，一端自由；一端固定，另一端
弹簧或者阻尼器；
④ 试样在压力室，各向等压；不等压。
共振柱试验仪器示意图
（3） 大型三轴试验： 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
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 compression CTC: conventional triaxial compression CTE: conventional triaxial extension RTC: reduced triaxial compression RTE: reduced teiaxial extension TC: triaxial compression TE: triaxial extension
2．滤纸法：滤纸与土含水量平衡，从滤纸Sw关系确定吸力。
lg
s
5.4928 2.4701
0.07674w, 0.01204w,
w w
47% 47%
2．轴平移法：
dmax≤300mm/5＝60mm
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200～5mm的粒径用60～5mm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
（4）高压三轴试验仪：
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 （1）动三轴仪与试验(>1×10-2)
围压力 Kc=静应力比 d：动应力
d
d
d
0
1
t
1 动三轴试验原理
动应力d 动应变d
振动孔隙水压力ud
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。
（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
初始状态
破坏状态
vv
3f
1f
h,h
单剪试验的应力状 态：水平面不一定
是破坏面
单剪试验应力状态变化
3. 环剪仪（torsional (ring) shear apparatus）
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）
CTC CTE
PL
3
3
1
-2 0
3 2
HC
p
图1－11 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
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
验 ——测定残余强度
环剪试验
1.1.2 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
TE 三轴 伸长
平均 主应 力不
变
RTC 减压三 轴压缩
轴向应 力不变
RTE 减压 三轴 伸长
围压 不变
PL 三轴等比
实验
常应力比 1 3 k
1 c
a
c
a
c
a
c
a
2 c
c
c
c
a
c
c c 1 k
3 c
c
1 0
0
2 0
0
3 0
0
p 0
0
a
0
c
0
a
0
c
① 一般的三轴试验围压达到600kPa～
1MPa，高压三轴围压可达到10MPa以上
② 模拟高坝深覆盖层等情况 ③ 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
（5） 量测小应变三轴试验
① 轴应变量侧精度达0.00005 ② 压力室内量测局部变形 ③ 与一般三轴试验比较，应力应变关
侧限压缩试验 环刀
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、
1 3 c a
dp 2dc / 3
dq d c
dq 3 dp 2
RTC （减载三轴压缩试验)：
a为常数， c减小
p 1 2 3 1 2 3 a 2 c
3
3
3
q 1 2
(1 2 )2 ( 2 3 )2 ( 3 1)2
1 3
a c
dp 2dc / 3
dq d c
q TC
RTE TE RTC
CTC CTE
PL
3
1
3
2
HC
0
p
图1－10 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）
试验 名称
HC 静水 压缩
CTC 常规三 轴压缩
主要 应力 特点
三个 主应 力相
等
围压不 变
CTE 常规 三轴 伸长
轴向 应力 不变
TC 三轴压缩
平均主应 力不变
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
两个参数p， q
p 1 2 3 1 2 3
3
3
q 1 2
(1 2 )2 ( 2 3 )2 ( 3 1)2
1 3
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）
1 3
2
1 3
2
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
系有很大区别
④ 用于硬土、软岩与原状土试验
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
0
0 1 2 0
0
0 1 2 21
0
0
0
0
0
a
0
c 1 k
0
0
1 k
0
1 k
0
0
b( ) / 0(30) 1(30) 0(30) 1(30) 0(30) 1(30) 0(30)
不同应力路径的斜率: CTC（常规三轴压缩试验)：
c为常数， d c d3 0
p 1 2 3 1 2 3 a 2 c
动三轴试验的实测曲线
d /(3)
0.6
0.4 0.2
Kc=3
Dr=0.57
kPa
Kc=2 Kc=1
0
Kc=1/3
10
100
图1－19 砂土的动强度曲线
（lg)Nf
静应力状态
d
破坏时有效应力圆
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
动加载过程
总应力圆
循环加载下的莫尔园
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
v 1 2 3 a 2 r
a
r
v
a
2
v
V V0
W V0
r
1
3
P A
常规三轴压缩试验的应力状态简图
r
v
a
2
r
a
2
a r
固结不排水三轴试验
对于三轴应力状态：=
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；