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1、高等土力学 Advance Soil Mechnics,汤连生 教授 博导 13809773663,714051028 中山大学 地球科学与地质工程学院,第一章 土工试验及测试,1.1 室内实验 1.2 模型试验 1.3 现场测试与原型观测 1.4 试验检验与验证,第一节 室内试验,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
2、 土工试验包括： 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。 原型测试或现场测试：平板荷载试验、 静力触探、十字板剪切试验等 模型试验（模拟试验）：小比尺模型试， 足尺模型试验 原型监测（观测）：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,第一节 室内试验,(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,剪切试验的目的,抗剪强度参数：,第一节 室内试验,第一节 室内试验,常规直剪仪(drect shear appratus) 常规直剪仪（刚性单剪仪）是土力学中最古老(1776年,Coolmb)的仪器之一。 直剪仪的主要优点：直观
3、、简便、经济，尤其对于砂土和渗透系数k107cm/s 的粘性土能很快得到抗剪强度试验结果。,直剪仪的主要缺点：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。,第一节 室内试验,直接剪切试验,直剪试验设备,直接剪切试验,1 制备好的土样与剪力盒,试验步骤,直接剪切试验,2 放透水石、蜡纸于剪力盒底部,试验步骤,直接剪切试验,3 放剪力盒上部份,试验步骤,直接剪切试验,4 对齐上下剪力盒,试验步骤,直接剪切试验,5 用销钉固定,试验步骤,直接剪切
4、试验,6 将环刀土样置于剪力盒上,试验步骤,直接剪切试验,7 加蜡纸,试验步骤,直接剪切试验,8 加透水石,试验步骤,直接剪切试验,9 用加压盖板将土样压入剪力盒中,试验步骤,直接剪切试验,10 移去环刀,试验步骤,直接剪切试验,11 装好土样的剪力盒,试验步骤,直接剪切试验,12 将滑动槽中放入钢珠,试验步骤,直接剪切试验,13 将剪力盒放入仪器,试验步骤,直接剪切试验,14 放加压框,试验步骤,直接剪切试验,15 选择手动挡位,试验步骤,直接剪切试验,16 旋转手轮使仪器各部位接触,试验步骤,直接剪切试验,17 仪器接触好时,百分表指针开始转动,试验步骤,直接剪切试验,18 调杠杆水平,试
5、验步骤,直接剪切试验,19 施加荷载,试验步骤,直接剪切试验,20 拔去销钉,试验步骤,直接剪切试验,21 百分表归零,试验步骤,直接剪切试验,22 选择自动挡挡位,试验步骤,直接剪切试验,23 将开关打到剪切方向,开始剪切,试验步骤,直接剪切试验,24 手轮每转一圈,读一次百分表读数,试验步骤,直接剪切试验,25 剪切至百分表读数不动或倒退时,停止剪切，卸载。换第2块土样试验，一组剪切试验需35块土样。,试验步骤,直接剪切试验计算,试验结果整理 （1）计算每一试样的剪应力及剪应力剪切位移为 式中 剪应力，kPa； 剪切位移，0.01mm； C 量力环校正系数，kPa/0.01mm； R量力环
6、测微表读数，0.01mm； 手轮转一转的剪切位移量，0.001mm； n手轮转数。,绘制-关系曲线。以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力与剪切位移关系曲线。选取土的剪应力与剪切位移关系曲线上的峰值或稳定值作为土的抗剪强度 绘制-关系曲线。以剪应力为纵坐标，垂直应力为横坐标，绘制剪应力与垂直应力关系曲线。根据-关系曲线，求出土的凝聚力c和内摩擦角,直接剪切试验绘图,位移关系曲线,剪切强度与垂直压力关系曲线,(2)TAW800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：500500150mm；下剪切盒尺寸670670150mm ；最大
7、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。,第一节 室内试验,多环单剪仪(direct simple shear apparatus) 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。,第一节 室内试验,环剪仪(torsional(ring) shear apparatus) 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： 量测大应变后土的残
8、余强度或终极强度； 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）。,第一节 室内试验,侧限压缩试验（固结试验）,土的侧限压缩试验(固结试验)是通过测量土样在各级压力Pi作用下产生的压缩变形量Si，计算出对应于每一级压力下土样的孔隙比ei，从而绘制出压缩曲线e-P，计算土的压缩系数a1-2、压缩模量Es，评价土的压缩性。,固结仪,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）
9、,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,试验步骤,侧限压缩试验（固结试验）,百分表是利用齿条齿轮或杠杆齿轮传动将测杆的直线位移变为指针的角位移的计量器具。适用于尺寸精度为IT6IT8级零件的校正和检验按其制造精度，可分为0级、1级、2级三种，0级精度较高。百分表的读数准确度为0.01mm,测量范围为0-3、0-5
10、、0-10mm。使用时，应按照零件的形状和精度要求，选用合适的百分表精度等级和测量范围。,压缩试验计算,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（3）下，施加轴向压力，即主应力差（1-3），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=p+,2= 3=p,第一节 室内试验,1=p+,2= 3=p,静三轴试验,三轴试验,(a)应力路径三轴试验系统,(b) 静三轴试验工作原理,三轴试验,(a) 三轴压力室,(b) 试样帽拉伸装置,试样应力特点 与试验方法 强度包线 试验
11、类型 优缺点,静三轴试验,三轴剪切试验可分为不固结不排水试验（UU）、固结不排水试验（CU）以及固结排水剪试验（CD）。 1、不固结不排水试验：试件在周围压力和轴向压力下直至破坏的全过程中均不允许排水， 土样从开始加载至试样剪坏，土中的含水率始终保持不变，可测得总抗剪强度指标c 和 ； 2、固结不排水试验：试样先在周围压力下让土体排水固结，待固结稳定后，再在不排水 条件下施加轴向压力直至破坏，可同时测定总抗剪强度指标 和 或有效抗剪强度指标 和及孔隙水压力系数； 3、固结排水剪试验：试样先在周围压力下排水固结，然后允许在充分排水的条件下增加 轴向压力直至破坏，可测得总抗剪强度指标和 。,试验方
12、法,静三轴试验,应力特点与试验方法,常用试验类型,静三轴试验,1.不固结不排水试验,（1）剪切应变速率宜为每分钟应变0.5%1.0。 （2）启动电动机，开始剪切。试样每产生0.3%0.4的轴向应变，测记一次测力计读数和轴向变形值。当轴向应变大于3，每隔0.7%0.8的应变值测记一次读数。 （3）当测力计读数出现峰值时，剪切应继续进行，超过5%的轴向应变为止。当测力计读数无峰值时，剪切进行到轴向应变为15%20%。 （4）试验结束，关电动机，关周围压力阀，开排气阀，排除压力室内的水，拆除试样，描述试样破坏形状。称试样质量，并测定含水量。,静三轴试验,2.固结不排水试验,试样固结不排水按下列步骤进
13、行： （1）开孔隙水压力阀，测定孔隙水压力。开排水阀。当需测定排水过程时，测记排水管水面及孔隙水压力值，直至孔隙水压力消散95%以上。固结完成后，关排水阀，测定排水管读数和孔隙水压力读数。 （2）微调压力机升降台，使活塞与试样接触，此时轴向变形百分表的变化值为试样固结时的高度变化。,静三轴试验,剪切试样按下列步骤进行： （1）将轴向测力计、轴向变形百分表及孔隙水压力读数均调整至零民。 （2）选择剪切应变速率，进行剪切。粘质土每分钟应变为0.05%0.1%；粉质土每分钟应变0.1%0.5%。 （3）测记轴向压力、孔隙水压力和轴向变形。 （4）试验结束，关电动机和各阀门，开排气阀，排除压力室内的水
14、，拆除试样，描述试样破坏形状。称试样质量并测定含水量。,静三轴试验,3.固结排水试验,试样的安装、固结和剪切，与固结不排水试验的相应步骤相同，但在剪切过程中应打开排水阀，剪切速率采用每分钟应变 0.0030.012。,静三轴试验,土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标,静三轴试验,试验条件与现场条件 的对应关系,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,静三轴试验,破坏偏差应力取值方法,松砂,密砂,取曲线的最大偏差应力值作为(1-3)f 取规定的轴向应变值（通常15%）所相应的偏差应力作为
15、(1-3)f 以最大有效主应力比(1/3)max处的偏差应力值作为(1-3)f,静三轴试验,三轴试验确定土的强度包线,由不同围压的三轴试验，得到破坏时相应的（1-)f 分别绘制破坏状态的莫尔应力圆，其公切线即为强度包线，可得强度指标c与,静三轴试验,仪器设备,三轴试验操作步骤,试样制备 仪器性能的检查与核定 安装试样 孔压系数B测定 固结 剪切,第一节 室内试验,试样安装步骤,检查压力管线,试验步骤,安装透水石,试验步骤,静三轴试验,连接管线,静三轴试验,试验步骤,土样装入压力室,静三轴试验,试验步骤,安装轴向位移传感器,静三轴试验,试验步骤,试样排水固结步骤,施加周围压力,静三轴试验,孔隙水压力阀，测定孔隙水压力。开排水阀。当需测定排水过程时，测记排水管水面及孔隙水压力值，直至孔隙水压力消散95以上。固结完成后，关排水阀，测记排水管读数和孔隙水压力读数。,静三轴试验,试样剪切步骤：,关孔隙水压力阀，微调压力机升降台，使活塞与试样接触，此时轴向变形百分表的变化值为试样固结时的高度变化。,试验步骤,将轴向测力计、轴向变形百分表及孔隙水压力读数均调整至零。选择剪切应变速率
