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1、清华大学水利水电工程系 岩 土 工 程 研 究 所,于 玉 贞,高等土力学之一,土工试验及测试,1,2,教学环节 课堂讲授 专家讲座 课外作业 教学实验 综合作业 期末考试,教学要求 可能调整：注意通知 实验操作：密切配合 其它部分：独立完成 所有环节：必须齐全,其它详见教学日历,本章作业： p30页 第 1，4，5题,作业,3,讨论,传统土力学分析方法：变形问题/稳定问题 现代土力学分析方法：应力变形的综合分析 - 土的本构模型理论 - 非线性计算方法 - 现代土工试验方法,目前对土工建筑物（例如土石坝）进行变形预测，可能达到的预测精度是多少？,4,5,讨论,目前对土工建筑物（例如土石坝）进
2、行变形预测，可能达到的预测精度是多少？,典型土石料取样,实验室 试验,本构模型及参数,计算方法及程序,施工条件、质量及模拟,计算结果,6,典型土石料取样,实验室 试验,本构模型及参数,计算方法及程序,施工条件、质量及模拟,土工建筑场地范围大，变化多 土工建筑物填方量大，多种土性 土工建筑物施工时间长，土性变化多 土石料取样代表性差！,糯扎渡心墙堆石坝心墙土料场之一,7,典型土石料取样,实验室 试验,本构模型及参数,计算方法及程序,施工条件、质量及模拟,现场土性的模拟 级配、含水量等 实验仪器及精度 试样的可重复性,堆石料室内试样 直径30cm，最大粒径6cm,现场碾压探坑，最大粒径可超过80c
3、m120cm,8,典型土石料取样,实验室 试验,本构模型及参数,计算方法及程序,施工条件、质量及模拟,参数的确定 试验结果拟合误差 不同应力路径的适用性,对等应力比试验结果的预测,9,结构工程是这样一门艺术： 使用材料，这些材料只能近似估算 建立真实的结构，这些真实的结构只能近似的分析 来承受外力，这些外力不能准确得知 以满足我们对公众安全职责的要求。 - 张丙印改编自一位不知名作者,无论天然土层结构怎样复杂，也无论我们的知识与土的实际条件有多么大的差距，我们必须利用处理问题的艺术（art），在合理造价的前提下，为土工结构和地基基础问题寻求满意的答案。 - 太沙基,10,11,土力学中试验与测
4、试的作用,揭示土体一般的力学性质和规律理论的建立 了解特定土的物理力学性质 设计参数与理论模型参数的确定 验证理论与数值计算 模型试验、足尺试验用以解决实际工程问题：设计与方案确定 原位测试、现场监测为数值计算的反演分析和信息化施工服务,1.1 室内试验 1.2 模型试验 1.3 原位测试与现场观测 1.4 试验的检验与验证,第一章 土工试验及测试,12,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验,室内土工试验,强度测定仪器 直剪仪、单剪仪、环剪仪 变形参数测定试验 侧限压缩仪 三轴试验 真三轴试验 空心圆柱扭剪试验和方向剪切仪 共振柱试验 接触面试验,13,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验
5、 - 强度测定仪,剪切强度测定仪器,直剪仪 - Direct shear apparatus 单剪仪 - Simple shear apparatus 环剪仪 - Torsional (Ring) shear apparatus,14,法国军事工程师，在摩擦、电磁方面做出了奠基性的贡献。1773年发表了关于土压力方面论文，成为土压力的经典理论,库仑 （C. A. Coulomb） (1736-1806),第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 强度测定仪,15,直剪试验,古老：1776年 Coulomb 直观、简便、经济 应力应变条件复杂、不均匀 排水条件不明确,试样内的变形分布,第一章
6、土工试验及测试 1.1室内试验 - 强度测定仪,直剪试验中的应力状态,破坏时,剪切前,直剪试验中的应力状态,直剪试验剪切面处的应力状态,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 强度测定仪,17,单剪仪 Simple shear apparatus,应力状态均匀 断面积不变 破坏面位置不确定 循环加载与动力试验,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 强度测定仪,18,单剪试验的应力状态,加载过程中，n和h保持为常数，不断增加 水平面和竖直面都不一定是破坏面,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 强度测定仪,19,环 剪 仪 Torsional (Ring) shear appar
7、atus,剪切面面积不变 适于测试残余强度，可用同一试样连续作几个正压力的试验,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 强度测定仪,20,变形参数测定试验侧限压缩仪,Oedometer Consolidation test apparatus,侧限应力状态 压缩与固结试验 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,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 变形参数测定仪,21,1930 Casagrande 提出圆柱试样 1933 Seffert 用三轴仪研究固结 1934 Rendulic 用其测定土的强度参数 19
8、59 黄文熙，汪闻韶研制动三轴试验 三轴仪的进展：动三轴、大尺寸三轴仪、高压三轴、非饱和土三轴仪、应变路径控制三轴仪.,三轴仪的发展,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,22,变形与强度试验 可控制排水条件 完整的描述试样受力、 变形和破坏的全过程 进行不同应力路径试验 应力状态明确 变形量测简单,三轴仪与试验,最常用、最基本的土工试验,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,23,1= ,施加固结压力c 固结, 不固结,施加轴向应力1 排水,不排水,123 c,c+( ),常规压缩试验的应力状态,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,24,25,常规
9、三轴试验：其中两个主应力通过围压施加（c），并且总是相等，另一主应力通过轴压施加（a）,试样可是圆柱形、也可是长方形 剪切过程中围压可变化 围压可是大主应力，也可是小主应力,常规压缩试验的应力状态,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,应力状态变化过程的表示方法：应力路径 注意：高等土力学与土力学的表示方法不同,26,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,八面体,3,2,x,y,z,1,应力主轴坐标系,A,B,C,27,平均主应力,广义剪应力,毕肖甫常数b 或应力洛德角,注意与土力学中定义的区别,对于三轴应力状态：两个方向的主应力等于c,平均主应力,广义剪应力,毕肖
10、甫常数b 或应力洛德角,三轴应力状态变量,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,28,HC ：静水压缩（各向等压）试验 23 PL ：比例加载试验： / 3为常数 CTC：常规三轴压缩试验 ：3（围压）为常数 CTE：常规三轴伸长试验： 3（轴压）为常数 TC ： p为常数三轴压缩试验（轴增围减） TE ： p为常数三轴伸长试验（轴减围增） RTC：减压三轴压缩试验： （轴压）为常数 RTE：减压三轴伸长试验：1 （围压）为常数,三轴试验的应力路径,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,29,典型三轴试验的应力路径,常规三轴压缩试验CTC：2=3=c为常数, dc
11、=0）,p-q图上是斜率为3/1的直线,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,30,常规三轴伸(挤)长试验CTE： (1=2=c, dc 0）, 3=a为常数,p-q图上是斜率为3/2的直线,典型三轴试验的应力路径,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,31,减压三轴压缩试验RTC： (1=a为常数, 2=3=c，dc 0）,p-q图上是斜率为-3/2的直线,典型三轴试验的应力路径,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,32,三轴试验的应力路径,P6，表1-1,各路径上的应力特点,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,33,三轴试验的一些
12、问题,边界条件影响,上下边界的摩擦： 相当于增加了局部的围压，使应力变形不均匀，压缩鼓胀，拉伸颈缩,小围压试验： 顶帽活塞杆自重、压力室静水压、活塞摩擦和橡皮膜约束,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,34,三轴试验的一些问题,极小围压的三轴试验,试样自重 膜的约束（含径向和轴向） 端部约束 静水压力 负压制样 加压杆自重和活塞摩擦,误差来源,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,35,三轴试验的一些问题,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（双压力室等） 其它的量测方法，如量测侧向变形,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪
13、,36,三轴试验的一些问题,膜嵌入的影响（membrane penetration),粗粒土颗粒在试样侧面会形成麻面，橡皮膜在侧压力3作用下会产生膜嵌入，从而影响试验的结果 影响因素：试样(密度、颗粒形状和尺寸、级配等)；膜(厚度和模量)；围压和孔压 对同一种土样，膜嵌入大小主要取决于有效围压力3,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,37,三轴试验的一些问题,对粗粒土进行三轴试验时，在排水试验和固结不排水试验中，膜嵌入（membrane penetration）有什么影响？,讨论,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,38,3保持不变，膜嵌入不变，对体变影响不大
14、3增大的试验，膜嵌入逐步增大，测得体变偏大 3减小的试验（体胀），膜嵌入逐步回弹，测得体变偏小,三轴试验的一些问题,膜嵌入的影响 排水试验,对体变的影响取决于侧压力的变化,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,39,三轴试验的一些问题,试样内产生正孔压时，作用在膜上的有效围压减小，膜嵌入深度减少，从而使量测的孔压变小 试样内产生负孔压时，作用在膜上的有效围压增大，膜嵌入深度加大，使负压的绝对值变小,膜嵌入的影响 固结不排水试验,对孔压的影响取决于有效侧压力的变化,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,40,三轴试验的一些问题,等向固结试验法：量测总排水量V和轴向应变
15、1， 则膜嵌入量 Q=V-31V0,膜嵌入的影响 校正方法,铝棒法：,膜嵌入 量Q,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,41,各种方法的适用条件？,三轴试验的一些问题,膜嵌入的影响,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,42,三轴试验的一些问题,关门山主堆石料等应力比大型三轴试验结果,膜嵌入导致剪应变计算失真,a) 校正前试验结果,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,43,静力固结 动载试验 典型试验结果,几种特殊的三轴试验,动三轴试验（强度）,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,44,临界孔隙水压力ucr,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,动三轴试验 - 破坏标准：破坏振次Nf,几种特殊的三轴试验,45,几种特殊的三轴试验,试件45面上的动剪应力d（即动应力幅do的一半）或动应力比do/(23)与破坏振次Nf间的曲线,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,动三轴试验 - 土的动强度曲线,46,几种特殊的三轴试验,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,试样直径15cm,30cm, 50cm,70cm, 100cm.,第一章
