高等土力学-土工试验-清华大学于玉贞-2015

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12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3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？456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？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80cm120cm90.00.51.01.52.02.53.03.501234εv(%)p(MPa)试验点EBKGShen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0.01.02.03.04.05.001234(%)q(MPa)试验点EBKGShen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1112土力学中试验与测试的作用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13仁者乐山智者乐水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仁者乐山智者乐水第一章土工试验及测试1.1室内试验-强度测定仪剪切类试验仪器直剪仪-Directshearapparatus单剪仪-Simpleshearapparatus环剪仪-Torsional(Ring)shearapparatus15仁者乐山智者乐水法国军事工程师，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仁者乐山智者乐水直剪试验•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PT土样S第一章土工试验及测试1.1室内试验-强度测定仪PST仁者乐山智者乐水直剪试验中的应力状态破坏时z=P/AxzxOz=P/Ak0z剪切前x=k0zz=P/A直剪试验中的应力状态直剪试验剪切面处的应力状态剪切前剪切破坏时f1f3第一章土工试验及测试1.1室内试验-强度测定仪18仁者乐山智者乐水单剪仪Simpleshearapparatus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nh=K0v叠环(圆形或方形)第一章土工试验及测试1.1室内试验-强度测定仪19仁者乐山智者乐水nh=K0v1f3f破坏状态初始状态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竖直面水平面破坏面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仁者乐山智者乐水环剪仪Torsional(Ring)shearapparatusn顶板旋转下板固定土样•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仁者乐山智者乐水变形参数测定试验—侧限压缩仪OedometerConsolidationtestapparatus•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百分表加压上盖试样透水石环刀第一章土工试验及测试1.1室内试验-变形参数测定仪22仁者乐山智者乐水1930Casagrande提出圆柱试样1933Seffert用三轴仪研究固结1934Rendulic用其测定土的强度参数1959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仁者乐山智者乐水试样围压力3阀门阀门马达横梁量力环百分表量水管孔压量测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仁者乐山智者乐水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cccccccc123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仁者乐山智者乐水26常规三轴试验：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仁者乐山智者乐水27第一章土工试验及测试1.1室内试验-三轴仪八面体32xyz1xyz应力主轴坐标系等倾面ABC仁者乐山智者乐水28123ABCQOPSPQABC321R3/)(321p213232221)()()(21q•平均主应力•广义剪应力•毕肖甫常数b或应力洛德角231321313221tan3()3bb注意与土力学中定义的区别323OQpPQq仁者乐山智者乐水123ac11()(2)33p222122331acca1()()()2q或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•毕肖甫常数b或应力洛德角2313213130or12211tan3()33bb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仁者乐山智者乐水HC：静水压缩（各向等压）试验＝2＝3PL：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1=cccc仁者乐山智者乐水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,dc=0）13111d(d2d)d33p131ddddqdd31qpqp13三轴压缩CTCcp-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仁者乐山智者乐水三轴伸长CTE32常规三轴伸(挤)长试验CTE：(1=2=c,dc0）,3=a为常数cac12d(2dd)d33pcacddddqdd32qpp-q图上是斜率为3/2的直线pqc0三轴压缩CTC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仁者乐山智者乐水减压三轴压缩RTC减压三轴压缩试验RTC：(1=a为常数,2=3=c，dc0）cac12d(2dd)d33paccddddqdd32qpp-q图上是斜率为-3/2的直线32三轴伸长CTEqpc0三轴压缩CTC3-2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仁者乐山智者乐水三轴试验的应力路径32qp等向固结等比加载PL三轴伸长CTE13三轴压缩CTCp=常数TC、TE减压三轴压缩RTC减载三轴伸长RTEP6，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仁者乐山智者乐水三轴试验的一些问题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35仁者乐山智者乐水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仁者乐山智者乐水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，如量测侧向变形气压内室外室空气试样多孔过滤板高进气值陶瓷板孔气压管线压差传感器参照水位外室水位第一章土工试验及测试1.1室内试验-三轴仪37仁者乐山智者乐水三轴试验的一些问题膜嵌入的影响（membranepenetration)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橡皮膜土颗粒表面孔洞u第一章土工试验及测试1.1室内试验-三轴仪38仁者乐山智者乐水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（membranepenetration）有什么影响？第一章土工试验及测试1.1室内试验-三轴仪39仁者乐山智者乐水3保持不变，膜嵌入变化小，对体变影响不大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3大3小土颗粒3=0第一章土工试验及测试1.1室内试验-三轴仪40仁者乐山智者乐水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仁者乐山智者乐水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，则