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？,4,5,6,讨论,目前对土工建筑物（例如土石坝）进行
2、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,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,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一,8,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,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80cm120c
3、m,9,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,10,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,11,12,土力学中试验与测试的作用,揭
4、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,13,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验,室内土工试验,剪切类试验仪器 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,14,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 强度
5、测定仪,剪切类试验仪器,直剪仪 - Direct shear apparatus 单剪仪 - Simple shear apparatus 环剪仪 - Torsional (Ring) shear apparatus,15,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,16,直剪试验,历史悠久：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 土工试验
6、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,18,单剪仪 Simple shear apparatus,应力状态均匀 断面积变化不大 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,19,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,20,环 剪 仪 Torsional (Ring) shear apparat
7、us,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,21,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,22,1930 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 1959
8、 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,23,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,24,1= ,施加周围压力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,25,26,常规三轴
9、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,27,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,28,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,毕肖甫常
10、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,29,HC ：静水压缩（各向等压）试验 23PL ：比例加载试验： a/ c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,30,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 =0）,
11、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,31,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,32,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,33,三轴试验的应力路径,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,34,三轴试验的一些问题,边
12、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,35,三轴试验的一些问题,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,36,三轴试验的一些问题,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,37,
13、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 土样和膜相同，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,38,三轴试验的一些问题,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,39,3保持不变，膜嵌入变化小，对体变影响不大 3增大
14、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,40,三轴试验的一些问题,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,41,三轴试验的一些问题,等向固结试验法：量测总排水量V和轴向应变1，
15、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,42,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,43,三轴试验的一些问题,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,44,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,45,临界孔隙水压力ucr,第一章 土工试验及测试 1.1
16、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,46,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,47,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 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,48,几种特殊的三轴试验,大型三轴试验：土石料的尺寸模拟,基本要求： dmaxD/5,相似法：各
17、粒径缩小相同的倍数 剔除法：简单剔出大粒径部分 替代法：将大粒径料用另一粒径范围的料替代 综合法：综合使用上述方法,基本原则：形成骨架的料的特性不变，和原型料的力学性质尽可能相同；满足功能要求,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,49,举例：原型料最大粒径200mm，三轴试样直径300mm试验用料最大粒径dmax=30/560mm,相似法: 所有粒径除以200/60=3.33 剔除法: 剔除大于60mm粒径的料 替代法: 将200mm-50mm粒径的料 用60mm-5mm粒径的料代替,原级配,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,50,第一章 土工试验及测试 1.
18、1室内试验 - 三轴仪,高压三轴试验仪：,几种特殊的三轴试验,一般的三轴试验围压达到600kPa1MPa， 高压三轴围压可达到10MPa以上 模拟高坝深覆盖层等情况 在高压下，土的应力变形强度有很大不同,51,几种特殊的三轴试验,量测小应变三轴试验：,轴应变0.00005 压力室内量测局部变形 硬土、软岩与原状土试验 与一般三轴试验比较，应力应变关系有很大区别,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,52,几种特殊的三轴试验,量测小应变三轴试验：,软岩固结不排水三轴试验不同量测方法的应力应变关系,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,53,几种特殊的三轴试验,第一章
19、土工试验及测试 1.1室内试验 - 三轴仪,非饱和土三轴试验仪：,54,费用高，控制吸力，耗时长，, 中主应力对于强度的影响 复杂应力路径上土的应力应变关系 本构关系的验证,真三轴仪和试验,改造的真三轴仪 盒式的真三轴仪,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 真三轴仪,55,改装型 新南威尔士大学的劳（Lo）,真三轴仪和试验,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 真三轴仪,在压力室中加一对侧压力板,56,改装型真三轴试验仪,加州理工伯克利分校 （Lade和Duncan）,真三轴仪和试验,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 真三轴仪,57,盒式真三轴试验仪,剑桥大学的盒式真三
20、轴仪 （Hambly和Pearce）,真三轴仪和试验,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 真三轴仪,58,59,真三轴试验仪 香港理工大学殷建华教授,60,大型岩土静动真三轴试验机 清华大学,61,主要规格与技术参数常规三轴试验功能,62,主要规格与技术参数真三轴功能,改装型和盒式真三轴仪的主要区别在于 x, y, z 三个方向是否独立施加大、中、小主应力,改装型真三轴仪，自由面x一般只为小主应力； 板方向y不能单独为小主应力，故无张拉时在0120之间,真三轴仪和试验,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 真三轴仪,63,正常固结粘土的真三轴试验,盒式真三轴仪试验结果,真三轴仪和
21、试验,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 真三轴仪,64,主应力方向旋转试验,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 主应力方向旋转试验,一般的应力应变关系：nmf(ij) 变化六个应力变量（ x, y, z, xy, zy, zx) 或者变化三个主应力三个方向角 目前还没有这样的仪器,65,空心圆柱扭剪仪,主应力方向旋转试验,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 主应力方向旋转试验,66,方向剪切仪,主应力方向旋转试验,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 主应力方向旋转试验,67,共振柱试验仪,激振 共振 弹性模量，剪切模量，阻尼比 圆柱形、空心圆柱形； 一端固定一
22、端自由；一端固定另一端弹簧或阻尼器,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 共振柱试验仪,68,共振柱试验仪,轴向与侧向不等压共振柱,各向等压共振柱,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 共振柱试验仪,69,接触面试验,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 接触面试验仪,70,应用最为广泛的接触面特性试验仪器 最初常由直剪仪改装而成，现已研制出专 门的试验仪 主要缺点之一是限定了固定单一的剪切面 具有多个可能的剪切面 常采用叠环式，其核心结构为叠放在一起 的环片和环片间减少摩阻力的机构环剪仪、扭剪仪、动三轴仪和共振柱仪等 也曾被用于接触面力学特性的试验研究,直剪型单剪型其它型式
23、,应用最为广泛的接触面特性试验仪器 最初常由直剪仪改装而成 主要缺点之一是限定了固定单一的剪切面 具有多个可能的剪切面 常采用叠环式环剪仪、扭剪仪、动三轴仪和共振柱仪等 也曾被用于接触面力学特性的试验研究,接触面试验,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验 - 接触面试验仪,71,清华大学土与结构接触面循环加载剪切试验机,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验-接触面试验仪,72,清华大学单剪接触面试验系统,第一章 土工试验及测试 1.1室内试验-接触面试验仪,73,1.1 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,74,土工模型
24、试验,第一章 土工试验及测试 1.2 模型试验,1g的试验：小比尺模型试验足尺试验（n=1)ng的模型试验：离心机模型试验渗水力模型试验,75,1g土工模型试验,1g的小比尺试验,应力应变关系非线性 强度非线性 低围压下的剪胀性 粘聚力无法模拟 低围压下确定参数困难,容易，经济不能定量,第一章 土工试验及测试 1.2 模型试验 - 1g模型试验,76,1g足尺试验,结果有说服力 资料宝贵 造价昂贵：5亿美元振动台,“丹佛墙”,第一章 土工试验及测试 1.2 模型试验 - 1g足尺试验,77,离心力模拟重力，使模型内的应力和应变条件同现场一致,ng土工模型试验,土工离心机模型试验（Centrif
25、uge）,优点：应力应变相等；变形相似；破坏机理及现象相同 缺点：应力场不均匀；材料模拟：土颗粒、薄板片；比尺的不一致；有时边界条件难以模拟 发展：固结、入桩、冻土、基坑开挖、坝体填筑、地震、降雨、喷锚.,第一章 土工试验及测试 1.2 模型试验 - ng模型试验,78,ng土工模型试验,土工离心机模型试验（Centrifuge）,第一章 土工试验及测试 1.2 模型试验 - ng模型试验,79,ng土工模型试验,清华大学50gT土工离心机和振动台,第一章 土工试验及测试 1.2 模型试验 - ng模型试验,80,土工离心机试验中的比尺因素,第一章 土工试验及测试 1.2 模型试验 - ng模
26、型试验,81,ng土工模型试验,渗水力模型试验,优点：方便，经济，简单 缺点：土的限制，地面齐平，饱和土 应用：浅基础，单桩，动力实验,第一章 土工试验及测试 1.2 模型试验 - ng模型试验,82,ng土工模型试验,渗水力模型试验,第一章 土工试验及测试 1.2 模型试验 - ng模型试验,83,1.1 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,84,第一章 土工试验及测试 1.3 原位测试与现场观测,原位测试与现场观测,平板载荷试验 静力触探 动力触探 十字板剪切试验 旁压试验 螺旋载荷板（SPC）与钻孔剪切仪（BST） 物
27、探试验 原型观测,85,第一章 土工试验及测试 1.3 原位测试与现场观测,平板载荷试验,Plate Loading Test,oa段：,86,第一章 土工试验及测试 1.3 原位测试与现场观测,平板载荷试验,糯扎渡现场碾压平板载荷试验,87,第一章 土工试验及测试 1.3 原位测试与现场观测,静力触探,Static Sounding（Static Cone Penetration Test),将金属探头用静力压入土中，通过测定探头所受阻力，分析确定土的某些定量指标。如砂土的密实度、粘土的不排水强度等 单桥探头：测定总阻力 双桥探头：分别测定锥底和侧壁阻力,88,第一章 土工试验及测试 1.3
28、 原位测试与现场观测,动力触探,Dynamic Penetration Test,动力触探是用一定重量的击锤，从规定高度自由落下，击打插入土中的探头，测定使探头贯入土中一定深度所需要的击数。以此确定被测土的物理力学性质。按使用土层不同可分为：,标准贯入试验 轻型触探试验 重型触探试验,89,Standard Penetration Test（SPT),第一章 土工试验及测试 1.3 原位测试与现场观测,标准贯入试验,适用于一般粘性土和砂土地基 击锤质量为63.5kg，落距76cm 以探头贯入30cm的击数N为贯入指标 用以判断砂土的密实度、饱和砂土的液化可能性和地基的承载力等,90,duang
29、,Vane Shear Test （VST),第一章 土工试验及测试 1.3 原位测试与现场观测,十字板剪切试验,假定土体为各向同性，fh=fv=f：,对饱和软粘土，f相当于不排水强度cu,91,第一章 土工试验及测试 1.3 原位测试与现场观测,十字板剪切试验,在软粘土地基中，十字板剪切试验是测定现场土体强度指标的常用方法。经勘查，某工程的地基为饱和正常固结粘土层，为了测定该土层的现场强度指标，进行了现场十字板剪切试验，由于该土层已经在其自重应力下固结，所以试验得到的应是固结不排水强度指标。,讨论,92,Pressuremeter,第一章 土工试验及测试 1.3 原位测试与现场观测,旁压试验
30、,将圆柱形探头插入地基土中，在探头的空腔中加压力水，量测施加压力p与探头体积v间的关系,93,Screw Plate Compressometer,螺旋板压缩试验（SPC）,第一章 土工试验及测试 1.3 原位测试与现场观测,螺旋载荷板,94,Iowa Borehole Shear Test,钻孔剪切仪 （BST）,第一章 土工试验及测试 1.3 原位测试与现场观测,95,第一章 土工试验及测试 1.3 原位测试与现场观测,物探试验,弹性波 声波 探地雷达 电磁法 放射性勘测,主要用于土层勘察，地质缺陷的探察和土层性质的检测,96,第一章 土工试验及测试 1.3 原位测试与现场观测,现场及原型
31、观测,变形、位移观测 孔隙水压力监测 土压力 结构上的应变和应力等,地面观测仪器 孔压传感器 分层沉降仪和测斜仪 土压力盒 物理勘探手段 全球卫星定位系统（GPS） 地理信息系统（GIS）等,项目手段,97,98,99,糯扎渡高心墙堆石坝监测仪器布置,100,糯扎渡高心墙堆石坝监测仪器布置,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,101,第一章 土工试验及测试 1.4 试验的检验与验证,试验的检验与验证,欧共同体“土工离心机的联合试验”（ 1986年）,模拟饱和砂土地基上的圆形浅基础的承载力和荷载沉降关系,102,103,第一章 土工试验及测试 1.4 试验的检验与验证,试验的检验与验证,求取参数以外的复杂条件试验 离心模型试验 现场试验 ,验证本构模型的试验,第一章 土工试验及测试,本章作业： p30页 第 1，4，5题,作业,104,
