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1、高等土力学,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。,Advance Soil Mechnics,高等土力学,二、土工试验的分类土工试验包括：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：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：深基坑开挖工
2、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,Advance Soil Mechnics,高等土力学,1 土工试验与测试,(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,1.1 室内试验 1.1.1 直剪试验,抗剪强度参数：,Advance Soil Mechnics,高等土力学,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 0。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。,Advance Soil Mechnic
3、s,高等土力学,优点：可以完整地反映试样受力变形直到破坏的全过程；可模拟不同工况，进行一些不同应力路径的试验；可以很好地控制排水条件；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2，3总是相等。,1 土工试验与测试,Advance Soil Mechnics,高等土力学,常规静三轴仪只能对小尺寸试样50100mm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300600mm；最大轴压750KN；最大围压4Mpa；孔隙水压力1.0Mpa。,1 土工试验与测试,A
4、dvance Soil Mechnics,高等土力学,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。,1 土工试验与测试,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。,Advance Soil Mechnics,高等土力学,中南大学TAJ2000大型动三轴试验仪 主要技术参数：试样尺寸300600mm；振动频率0.120Hz；最大轴力：静态2000kN、动态1000kN； 最大围压: 静态10Mpa、动态1MPa
5、；最大孔隙水压力3MPa；变形测量范围0100mm；位移测量范围0300mm；体变测量范围：010000ml。,1 土工试验与测试,Advance Soil Mechnics,高等土力学,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,Advance Soil Mechnics,高等土力学,1 土工试验与测试,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
6、状态。,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。,Advance Soil Mechnics,高等土力学,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。,1 土工试验与测试,Advance Soil
7、Mechnics,高等土力学,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1:1,1 土工试验与测试,Advance Soil Mechnics,高等土力学,（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，
8、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,Advance Soil Mechnics,高等土力学,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
9、。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,Advance Soil Mechnics,高等土力学,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,Ad
10、vance Soil Mechnics,高等土力学,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,Advance Soil Mechnics,高等土力学,（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。,1 土工试验与测试,Advance Soil Mechnics,高等土力学,(1)相似率
11、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,Advance Soil Mechnics,高等土力学,1 土工试验与测试,基本思路：,抗滑桩工程原型,抗滑桩模型试验示意,Advance Soil Mechnics,高等土力学,1 土工试验与测试,(a)桩的微分方程（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
12、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。,Advance Soil Mechnics,高等土力学,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:化成无量纲表达式:得到相似判据:即 （1-2）,Advance Soil Mechnics,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,高等土力学,1 土工试验与测试,地基系数的相似比： 抗弯刚度的相似比： 抗滑桩宽度的相似比： 抗滑桩锚固长度相似比： 以上，下标0表示原型的数据、m表示模型的数据。 由（1-2）解得： 即,
