原位测试与土力学(高大钊)

《原位测试与土力学(高大钊)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《原位测试与土力学(高大钊)（185页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、原位测试、现场试验 与土力学,同济大学 高大钊,原位测试与现场试验,两者的相同点都是在现场进行的，与土体的原始物理状态、应力状态等有关。 原位测试是在土体的局部施加荷载测定土的反应以估计土的指标，如强度指标、变形指标等。 现场试验是在比较大的范围内施加荷载测读土的综合反应，用于检验设计计算的正确性，测定施工过程中地基土的反应，估计宏观的指标范围以校正原位测试或室内试验的结果。,这两种试验与土力学的关系,1. 原位测试与现场试验的基本原理大部分基于土力学的理论 2. 原位测试与现场试验的分析计算为土力学的计算提供参数 3. 原位测试与现场试验的发展离不开土力学的支撑,内 容,一、地面荷载作用下的

2、变形与承载能力课题 二、深层荷载作用下的变形与承载能力课题 三、有效应力原理与渗透固结 四、轴对称圆筒扩张课题 五、现场试验的试验设计,地面荷载作用下的 变形与承载能力课题,堆载试验与平板载荷试验都是施加地面荷载的试验； 测定荷载与地面变形曲线，要求高的还应有深层的变形或应力的测定； 用于测定地基的承载能力； 用于测定地基的变形模量。,模拟建筑物加载过程,平板载荷试验与工程实际的差别,1. 压板面积的尺寸效应 2. 试验的影响深度 3. 层状土的问题 4. 时间效应 5. 埋深影响的问题 6. 堆载试验可在一定程度上解决尺寸效应带来的问题,地面荷载作用下的土力学问题,1. Boussinesq

3、解的应用 2. 基础刚度对反力分布的影响 3. 变形模量与压缩模量的关系 4. 地基承载力的弹塑性分析 5. 地基承载力的刚塑性分析,Boussinesq解的应用,什么是Boussinesq课题？ Boussinesq课题是荷载作用于弹性半无限体表面，研究半无限体内的应力与变形的分布规律。 平板载荷试验的变形模量的计算公式就是在Boussinesq解的基础上得到的。,集中荷载作用下的地表沉降,基础刚度对底面反力分布的影响,实际基础与荷载的理想分布之间存在差别； 实际基础具有一定的刚度，具有扩散、分布荷载的作用； 基础越柔，基础底面反力的分布越与荷载的分布趋于一致； 基础越刚，反力的分布越不均匀

4、； 在荷载增加的过程中，反力分布从马鞍形变为覆钟形。,反力分布图的比较,柔性基础和刚性基础比较,如果基础上作用着均布荷载， 绝对柔性基础的反力也是均布的； 但各点的沉降是不相等的， 中点最大，边缘次之，角点最小。 绝对刚性基础各点的沉降是相等的， 但反力分布是不均匀的； 在弹性阶段，中点最小，边缘次之，角点最大。,反力分布图的比较,绝对柔性基础沉降,矩形面积上的均布荷载： 角点沉降 角点沉降系数 m为矩形面积的长宽比,绝对柔性基础中点沉降,绝对柔性基础的平均沉降,绝对刚性基础的沉降,基础底面保持平面 在中心荷载作用下,沉降系数表,偏心荷载作用下刚性基础的倾斜,圆形基础 矩形基础,变形模量,用绝

5、对刚性基础的沉降计算的公式 系数取0.79 （圆形板） 0.88（方形板） 称为泊松比即侧膨胀系数,两种极端的情况,不可压缩的液体，其侧膨胀系数 0.5； 刚体的侧膨胀系数0； 当0.5时，K01； 当0时，K00；,泊松比与侧压力系数 的理论关系,静止侧压力系数的试验室测定,静止侧压力系数测定装置的基本要求： a满足土体无侧向变形的条件 b施加在试样上的竖向力和侧向力必须符合主应力的条件 c无滞后地反映土体中的应力、应变和孔隙水压力的变化,原位试验测定静止侧压力系数,静止侧压力系数还可以用原位试验测定，从原理上说，旁压试验和扁铲侧胀试验都可以测定静止侧压力系数，但预钻式的旁压仪由于孔壁的应力

6、释放和缩径，已无法恢复到原来的状态；自钻式旁压仪可以用零侧向变位的方法来计算侧压力；根据扁铲侧胀试验的资料，可以用下式计算 水平应力指数KD和扁胀指数ID,由扁胀指数KD求侧压力系数:,泊松比的经验数值,关于变形模量计算公式的讨论,1. 承压板是刚性还是柔性的？ 2. 荷载作用面的标高在地面还是在基础底面？ 3. 压板底面压力的分布是均匀分布还是不均匀的？ 4. 对层状土的试验如何分析？ 5. 变形模量的应力应变条件是什么？,变形模量是在什么条件下 应力应变关系曲线的斜率,变形模量是在单轴侧向自由膨胀条件下的应力应变关系曲线的斜率。,一个非常重要的概念,载荷试验时，整个土体处于侧向有限膨胀的状

7、态； 但用弹性理论计算得到的变形模量的变形条件是单元体在侧向自由膨胀的条件，完全符合胡克定律的变形条件； 上述两个似乎是完全矛盾的概念，其实是统一的。,压缩试验的应力条件,侧向由刚性环刀制约 侧向不能自由膨胀 存在侧向压力,压缩模量与变形模量的比较,压缩模量 1. 侧向不能膨胀 2. 侧向的压力等于竖向压力乘以侧压力系数 3. 轴对称应力状态 4. 一维的变形状态,变形模量 1. 侧向自由膨胀 2. 侧向压力等于零 3. 一维应力状态 4. 轴对称的变形状态,压缩模量的应力应变条件,1. 压缩试验土样的侧向不能膨胀 2. 压缩试验土样的周围作用着侧压力 3. 压缩模量表达式,变形模量的应力应变

8、条件,1. 单元体的侧向应力为零 2. 单元体的侧向应变为 3. 变形模量表达式,三向应力条件的广义胡克定律,假定土是各向同性的、均匀的，即各个方向的变形模量是相同的，在各个不同的点是相等的。 在土的单元体上，X、Y、Z三个方向的垂直面上作用着法向应力x、 y、 z 将胡克定律推广到三向应力条件。,广义胡克定律,载荷试验的变形模量计算公式就是应用广义胡克定律的弹性理论得出的：,对压缩试验的分析,压缩试验的土样处于三向应力条件 用广义胡克定律分析压缩试验,将 代入上式得,考察z 由压缩试验 令上两式相等,压缩模量和变形模量的比较,在其他条件相同时，压缩模量与变形模量哪个大？ 压缩模量大于变形模量

9、， 为什么？ 实际上有压缩模量小于变形模量的情况， 为什么？,用载荷试验求地基承载力的理论支持,载荷试验如何模拟地基的承载性能？ 在地面荷载作用下，地基中应力场和应变场的变化，以及极限平衡状态的产生条件，如何用地面作用荷载来描述地基的承载性能。,确定地基承载力的理论方法,地基承载力的弹塑性解： 弹性理论的应力解和极限平衡理论的混合解： 地基承载力的刚塑性解： 假定滑动体，考虑力系平衡求解。,地基承载力的弹塑性解,用弹性理论的结果计算地基中的应力： 根据极限平衡理论分析出现极限平衡点的位置： 用限制塑性区范围的方法来确定地基容许承载力： 其结果是临塑荷载或p1/4 称为课题。,Flamant应力

10、解的极坐标表达式,条形分布的荷载作用下，土中主应力分布的极坐标表示： 为最大主应力的作用 方向与竖直线之间的夹角,从M点到荷载宽度边缘连线的夹角称为视角： 用视角表示的主应力表达式： 凡视角2相等的点其主应力也相等，土中主应力的等值线是通过荷载分布宽度两个边缘点的园。,对土体自重应力的处理,考虑土体重力的影响，竖向体积力 水平向应力 假定侧压力系数等于1.0，由土体自重产生的主应力各个方向都相等。,以主应力表示的极限状态条件,将极坐标表示的主应力代入极限状态条件： 求出现极限状态点的深度：,通过求导计算最大深度,荷载与塑性区最大深度的关系,令zmax=0，得临塑荷载,令zmax=1/4基础宽度

11、，得p1/4,临界荷载公式的性质,临塑荷载公式和p1/4公式统称为临界荷载公式： 按其性质是属于容许承载力。 对于砂类土，求得的地基承载力偏小： 地基基础设计规范中的公式是在p1/4公式的基础上经过经验修正的公式。,对理论公式的经验修正,关于埋深影响的讨论,1. 标准试验的处理 无埋深影响，试坑宽度为压板宽度的3倍： 2. 有埋深的试验 是非标准试验； 3. 对承载力系数的试验研究 需要修正和如何修正； 4. 对公式的不正确使用 用于对深层土的承载力评价方法。,地基承载力的刚塑性解,1. 假定滑动面 2. 假定极限状态时产生整体滑动 3. 根据假定给出脱离体上的力系 4. 考虑力系的平衡求解未

12、知的基础底面荷载,Prandtl解,无体积力，底面光滑，无摩擦条件下,Reissner的补充,考虑基础两侧的超载影响,Taylor的补充,考虑土体自重的影响，滑动面的形状就不再是对数螺旋曲线了，理论上无法求解析解。 将自重影响用有关换算粘聚力来表示：,承载力计算公式的最终结果,刚塑性承载力公式的性质,刚塑性地基承载力公式按其性质属于地基极限承载力： 其结果的应用需要除以安全系数得到容许承载力。 对于砂类土的计算结果偏大； 对于粘性土的计算结果比较接近。,Skempton公式的滑动面形状,脱离体OCDI的力系 各力对A点力矩的平衡，得：,Terzaghi解,假定基础底面粗糙,条形基础 圆形基础

13、方形基础,考虑基础底面粗糙度的影响,能否用于计算深基础承载力？,对于深基础需要考虑下列几个问题： 1. 荷载作用面以上土体的作用下破裂面的形状和力系平衡方式的改变 2. 深基础侧面摩阻力的作用 3. 超载土体的抗剪强度的影响 4. 承载力深宽修正的适用条件,深层原位测试的土力学问题,深层平板载荷试验 大直径桩，特别是单柱单桩的沉降计算需要提供土的变形指标和验证桩底土层的端阻力，重新提出了深层载荷试验的问题 。 试井直径应等于承压板直径； 承压板面积宜等于0.5m2 。 静力触探试验,深层平板载荷试验,深层平板载荷试验的特点： 1. 钻孔卸载以后再加载的应力历史过程 2. 深度与压板直径之比远大

14、于1 3. 如何考虑压板标高以上土体对加载后的地基中应力和应变变化的影响 4. 模量的计算、承载力的计算都应考虑上述特点,深层载荷试验的应力历史,a-天然状态应力；b-开挖试验井后，卸荷的应力；c-施加上覆土自重压力；d-施加3倍上覆土自重压力；e-施加6倍上覆土自重压力,深层与浅层试验的主要区别,荷载作用于土体内部； 荷载作用面以上的土体作用的结果是减小荷载板的变形； 试验是在侧向超载条件下进行的； 深度对试验结果的影响不容忽视； 在变形模量的公式中显示了深度的影响。,变形模量计算公式,勘察规范的计算公式,计算系数,Boussinesq与Mindlin解的比较,对系数 I 的分析,将几何参数

15、与土性系数分离,从上述推导可以看出，系数I是z/d与的两元函数，但公式比较复杂，不适宜直接用于工程计算，因此采用两个独立的经验系数进行修正，是有理论依据的。下面分析泊松比对这个系数的影响，为便于分析，将所有分子中的泊松比整理成一元二次方程的形式，以便研究泊松比对变形模量的影响规律。,已知泊松比变化范围，故以泊松比定义范围的最大值=0.5代入上式得到的是导数的最小值。,现根据上述理论分析和数值计算结果，现提出一个与泊松比有关修正系数：,四种方法的比较,计算结果之间的比较,深层土层的承载能力,深层载荷试验提供什么样的承载力？ 如何模拟静力触探的贯入机理？,深基础的承载力,深层承载的特点,滑动面不延

16、伸到地面，不会发生整体剪切破坏； 由于土拱的作用，埋置深度范围内的土柱重量不可能全部作用于被动侧的滑动土楔的面上； 土体对基础侧面的约束作用发挥了相当重要的作用。,深基础的最小埋置深度,Meyerhof 地基承载力公式,Meyerhof公式的应用,忽略宽度项。因为这项需要经过试算，非常麻烦，影响推广应用，且其值所占的比例比较小； 抗剪强度指标的处理。根据Terzaghi的意见，对于非整体剪切破坏的情况，应取峰值强度的2/3。对于深基础的情况，不可能发生整体破坏，故建议打七折使用； 0时，Nq1，Nc式中分子与分母都趋向于零，不能直接求解。,0的承载力系数Nc,当0时， Nc 7.85,模拟圆锥触探头的极限承载力,固结理论,在一些原位测试中，可以测定土的孔隙水压力的消散规律，或者可以测定土的固结系数，其资料的整理分析都建立在固结理论的基础上。,有效应力原理,总应力 孔隙水压力u 有效应