整理高等土力學(xué)-11室內(nèi)試驗(yàn)12模型試驗(yàn)

1、精品文檔高等土力學(xué) Advanced Soil Mechanics§ 1 土工試驗(yàn)及測(cè)試一、土工試驗(yàn)的目的和意義1揭示土的一般的或特有的物理力學(xué)性質(zhì)；2針對(duì)具體土樣的試驗(yàn),揭示區(qū)域性土、特殊土、人工復(fù)合土的物理力學(xué)性質(zhì)；3確定理論計(jì)算和工程設(shè)計(jì)參數(shù)；4驗(yàn)證計(jì)算理論的正確性及實(shí)用性；5原位測(cè)試、 原型監(jiān)測(cè)直接為土木工程效勞, 也是分析和實(shí)現(xiàn)信息化施工的手段 二、土工試驗(yàn)的分類土工試驗(yàn)包括：室內(nèi)試驗(yàn)：如容重試驗(yàn)、含水量試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、無側(cè)限壓縮試驗(yàn)等. 原型測(cè)試：平板荷載試驗(yàn)、靜力觸探、十字板剪切試驗(yàn)等 模型試驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)：足尺試驗(yàn),加筋擋土墻的足尺試驗(yàn)等 原型監(jiān)測(cè)：深基坑開挖工程監(jiān)測(cè)、隧

2、道施工監(jiān)測(cè)、軟土上路堤沉 降監(jiān)測(cè)等§ 1.1 室內(nèi)試驗(yàn)§1.1.1 直剪試驗(yàn)AHa儀器簡(jiǎn)圖&才亠、破壞狀態(tài)初始狀態(tài)剛性單剪儀常規(guī)單剪儀剛性直剪儀是土力學(xué)中最古老的儀器之一.剛性單剪儀的主要優(yōu)點(diǎn)：直觀、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì),尤其對(duì)于砂土和滲透系數(shù)k<10 - 7cm/s 的粘性土能很快得到試驗(yàn)結(jié)果.剛性單剪儀的主要 缺點(diǎn)：試驗(yàn)的破壞面即剪切面是人為確定的,剪切面面積因 位移而減小,邊界上存在應(yīng)力集中,剪切過程中存在明顯的應(yīng)力,應(yīng)變不均勻.且 十分復(fù)雜,試樣內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力路徑不同.在剪切面附近土單元上的主應(yīng)力 大小是變化的,方向是旋轉(zhuǎn)的.多環(huán)單剪儀單剪儀中,用一系列環(huán)

3、形圈代替剛性盒,因而沒有明顯的應(yīng)力,應(yīng)變不均勻, 試樣內(nèi)所加的應(yīng)力被認(rèn)為是純剪.破壞狀態(tài)/初始狀態(tài)f應(yīng)力摩爾圓圓心不變,其直徑逐漸擴(kuò)大,直至與強(qiáng)度線相切.這種儀器可以做動(dòng) 靜剪切試驗(yàn)動(dòng)單剪試驗(yàn),有很多明顯的有優(yōu)點(diǎn)環(huán)剪儀試樣是環(huán)狀的,剪切沿著圓周方向旋轉(zhuǎn),剪切面的總面積不變.特別適用于：量測(cè)大應(yīng)變后土的剩余強(qiáng)度或終極強(qiáng)度； 不同材料間接觸面的剪切特性如土與砼、土與鋼、土與土工合成 材料上試樣/ /Z /,1 / >v /,遷壞剪儀示意圖下板岡定§ 113三軸試驗(yàn)靜三軸試驗(yàn)靜三軸試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)是測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的一種方法.它通常用3-4個(gè)圓柱形試樣,分別在不同的恒定周圍壓力

4、76; 3下,施加軸向壓力,即主應(yīng)力差°1- ° 3,進(jìn)行剪切直到破壞；然后根據(jù)摩爾-庫倫理論,求得抗剪強(qiáng)度參數(shù).應(yīng)變限制式;三軸剪切儀調(diào)壓筒y 2-周圍壓力表；3-周團(tuán)壓力閥* 4-掃E水閥；5體變管亭 鑒爵濫議體襯財(cái)隔就勰瞬鬣 16-孔隙壓力閥學(xué)17-離合器；訶-手輪,19-馬達(dá)；20-變謹(jǐn)箱適用于測(cè)定細(xì)粒土及砂類土的總抗剪強(qiáng)度參數(shù)及有效抗剪強(qiáng)度參數(shù).試驗(yàn)主題詞：周圍壓力；軸向壓力；不固結(jié)不排水剪；固結(jié)不排水剪；固結(jié)排水剪.優(yōu)點(diǎn)：可以完整地反映試樣受力變形直到破壞的全過程； 可以模擬不同工況,進(jìn)行一些不同應(yīng)力路徑的試驗(yàn); 可以很好地限制排水條件； 不排水條件下還可以量測(cè)

5、試樣的超靜孔隙水壓力.主要缺點(diǎn)：兩個(gè)主應(yīng)力T 2, ° 3總是相等.6 二 6靜三軸試驗(yàn)試樣的應(yīng)力狀態(tài)§ 114三軸試驗(yàn)為了模擬循環(huán)加載情況下土的動(dòng)力特性,人們?cè)诔Ｒ?guī)靜三軸儀根底上,在軸向 增加激振系統(tǒng).其激振方式有電磁力、氣液壓力、慣性力等.后來開展可以在 軸壓和室壓兩向分別激振.動(dòng)三軸試樣的應(yīng)力狀態(tài)和典型試驗(yàn)曲線見圖1110.用這種試驗(yàn)可從確定土的動(dòng)模量、阻尼比、動(dòng)強(qiáng)度和確定飽和土的抗液化剪應(yīng) 力等.Od VVA?(a)試樣應(yīng)力狀態(tài)圖1110動(dòng)三軸試驗(yàn)§ 115共振柱試驗(yàn)研究土的動(dòng)力特性除了上述的動(dòng)單剪試驗(yàn)、動(dòng)三軸試驗(yàn)以外,共振柱試驗(yàn)也是 一個(gè)重要手段.共振柱

6、試驗(yàn)的原理是通過激振系統(tǒng),使試樣發(fā)生振動(dòng),調(diào)節(jié)激振頻率,直至試 樣發(fā)生共振.從而確定彈性波在試樣中傳播的速度,計(jì)算試樣的彈性模量、剪切模 量和阻尼比.共振柱試驗(yàn)的試樣可以是圓柱形的,也可以是空心圓柱形的.試樣可以是一端 固定,一端自由；或者一端固定,另一端為彈簧和阻尼器支承.試樣在壓力室中可 能是各向等壓應(yīng)力狀態(tài)；也可以是軸向與側(cè)向壓力不等的應(yīng)力狀態(tài).如圖 1120所 示.軸向荷載垂直荷載傳感器空心試樣2壓 =排水孔旋轉(zhuǎn)軸F動(dòng)固定上下自由 加速度計(jì)上下可動(dòng)的圓盤 壓力室水臼各向等壓共提柱b軸向與側(cè)向不等壓共振柱圖1120共振柱試驗(yàn)裝置其它：真三軸試驗(yàn),高壓三軸儀,大型三軸儀粗顆粒土,非飽和土三

7、軸儀, 空心圓柱扭剪試驗(yàn)和方向剪切試驗(yàn).§ 1.2模型試驗(yàn)直接在結(jié)構(gòu)即原型上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),稱為原型實(shí)驗(yàn)；在根據(jù)原型設(shè)計(jì)的模型上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),那么稱為模型實(shí)驗(yàn).一般說來,前者比后者更為真實(shí).但在進(jìn)行研究或?qū)?新設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比擬,或者由于種種原因而不能進(jìn)行原型實(shí)驗(yàn)時(shí),模型實(shí)驗(yàn)就成為 重要的手段.使模型和原型相似所根據(jù)的理論,稱為模型理論,它的根底是相似理 論.模型試驗(yàn)一直是巖土工程中的一種重要研究手段,它既可用來檢驗(yàn)各種理論分 析和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果,也可用來直接指導(dǎo)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工.§1.2.1 1g 下的模型試驗(yàn)在通常的重力場(chǎng)中1g,在一定的邊界條件下對(duì)土工建筑物或地基進(jìn)行模擬

8、,量測(cè)有關(guān)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù),通過一定的理論計(jì)算或數(shù)據(jù)計(jì)算來檢驗(yàn)理論計(jì)算結(jié)果.分為：小比尺試驗(yàn)和足尺試驗(yàn)小比尺試驗(yàn)：將土工建筑物或地基及根底縮小 n 倍,自重和荷載及應(yīng)力水平同樣 也縮小 n 倍.足尺試驗(yàn)：一相似模擬試驗(yàn)的一些概念眾所周知,自然界中許許多多的物理現(xiàn)象的研究都是憑借相似模擬試驗(yàn)的手段 來實(shí)現(xiàn)的,而試驗(yàn)結(jié)果的精度如何,那么是由試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c物理原型之間的相似程度所 決定的.為了使模型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象盡可能地反映出實(shí)物原型發(fā)生的現(xiàn)象,應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)相 似理論來確定模型實(shí)驗(yàn)的幾何尺寸和物理特性.但一般情況下,特別是巖土工程試 驗(yàn),很難使原型與模型各方面都相似,有時(shí)只能針對(duì)主要研究的問題,使某些方面 相似,而

9、忽略其它方面.相似常數(shù)相似系數(shù)：Cx=模型物理量Xm /原型物理量Xo,如幾何相似常數(shù)CL=Lm/Lo相似指標(biāo) ：兩個(gè)系統(tǒng)中的相似常數(shù)之間的關(guān)系式稱為相似指標(biāo).假設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)相似,那么相似指標(biāo)為 1.相似判據(jù) ：如上所述,相似現(xiàn)象的同一物理量之比,稱為相似常數(shù),或稱相似 系數(shù).所有相似系數(shù)之間,存在著某種關(guān)系式,稱為相似指標(biāo).與此對(duì)應(yīng),相似現(xiàn) 象各物理量之間,也存在某種關(guān)系式,稱為相似判據(jù).相似第一定律 ：相似現(xiàn)象用相同的方程式描述.彼此相似的現(xiàn)象,其相似指標(biāo) 等于 1,其相似判據(jù)的數(shù)值相等.即彼此相似的現(xiàn)象,單值條件相同,其相似判據(jù)也 相同.屬于單值條件的因素有：幾何參數(shù)、重要物理參數(shù)、起始狀

10、態(tài)、邊界條件等.相似第二定律 ：當(dāng)一個(gè)現(xiàn)象由 n 個(gè)物理量的函數(shù)關(guān)系來表示,且這些物理量中 含有m種根本量綱時(shí),貝卩能得到n-m個(gè)相似判據(jù).相似第三定律 ：凡具有同一特性的現(xiàn)象,當(dāng)單值條件彼此相似,且由單值條件 的物理量組成的相似判據(jù)在數(shù)值上相等,貝就此現(xiàn)象必定相似.或者說,單值條件 相似,且從它導(dǎo)出的相似判據(jù)的數(shù)值相等,是現(xiàn)象彼此相似的充分和必要條件.以上是模型設(shè)計(jì)和獲得相似量必須遵循的法貝.二模型試驗(yàn)實(shí)例 下面某地區(qū)獅子山第二根抗滑樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)為原型,根據(jù)相似理論來確定抗滑樁 模型實(shí)驗(yàn)的幾何尺寸和主要物理力學(xué)參數(shù). 1相似率的決定和模擬錨固土層砂樣的選取 由相似理論可知,兩個(gè)系統(tǒng)相似的充分必

11、要條件是一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由一一 變換與另一系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相聯(lián)系,也就是說通過調(diào)試模型各參數(shù)的比例尺,使得 模型和實(shí)物滿足共同的方程式.下面就是關(guān)于相似率方面的計(jì)算.精品文檔|_1|M丨1;1! J超載P=m v 1 1 v v- 1 " 1FJ.亠=»-'- ,- ? ,錨固層'-FF' -"- ., 9 B p r11I-圖1-2模型試驗(yàn)(a)樁的微分方程EIdy4BKW 二 q(1-1)其中E、I、B、W分別為樁的抗彎模量、慣性矩、寬度和水平位移;K 地基系數(shù)；q單位高度上的水平荷載；y 樁任一點(diǎn)離地表的距離對(duì)于樁的錨固段來說,由于巖

12、土性質(zhì)一般較好,加上在模型實(shí)驗(yàn)里尺寸不大,地基系數(shù)不會(huì)有大的變化,所以在這里 K取常數(shù).至于q,對(duì)于錨固段來說為零值b采用相似理論積分類比法求相似判據(jù)去掉1-1式的微分符號(hào),那么1-1化成：WEl -v BKW 二 0y化成無量綱表達(dá)式：昱十0BKy4得到相似判據(jù):ElBKy4(1-2)Cei 1 即CBCKCL其中C表示各參數(shù)的相似比；E、I、B、W分別為樁的抗彎模量、慣性矩、寬度和水平位移;K 地基系數(shù);q單位高度上的水平荷載;y樁任一點(diǎn)離地表的距離C地基系數(shù)的相似比：KKmKoC抗彎剛度的相似比：CEI(El)m (El).抗滑樁寬度的相似比：CBBmBo抗滑樁錨固長(zhǎng)度相似比：Cl =

13、LmL0以上,下標(biāo)0表示原型的數(shù)據(jù)；上標(biāo) m表示模型的數(shù)據(jù)由( 1-2)解得CkCeiCbC4KmCeiCbC4Ko參考獅子山第二根抗滑樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)0.8m,(El )0 = 2.94 109N m,m = 2.94 106kNm,Lo = 10m, K0 二 1.47 2.156漢 106kN /m3模型樁采用空心方形有機(jī)玻璃樁,模型樁的幾何尺寸 樁長(zhǎng) Lm = 100cm,邊長(zhǎng) Bm = 3.8cm,壁厚 t=055cm其它計(jì)算見表1-1表i-i截面尺寸a 匯 bcm壁厚t(cm)慣性矩lm(cm4)抗彎模量Em(kN/m2)CBClCeiCei3Km(kN /m )CbC：3.8 匯

14、3.80.5512.9482.6Z1060.04750.11.149 匯 100.02423.56 5.21 "04*樁的彈性模量E由實(shí)驗(yàn)測(cè)得Km即為在所選定樁下,模型實(shí)驗(yàn)制備時(shí)錨固層介質(zhì)必須滿足的地基系數(shù).根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)存的幾種砂,考慮到Km的要求和將來便于施加超載,砂的地基系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù) m不能過大,取最大粒徑不超過3mm.再考慮到以后超載 在砂面上的壓實(shí)作用,模型用密砂裝填.為滿足以上要求以及實(shí)際填裝砂的情況, 測(cè)得實(shí)驗(yàn)用砂的密度為1.684g/m3.查得此砂地基系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù)1.96 2.94 104kN/m4(2) Km的保證和超載確實(shí)定為了使錨固層的Km

15、保證在3.56 5.21 104kN/m3之間,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湾^固層頂面必須施以超載,此超載又可近似地認(rèn)為滑坡體對(duì)錨固層的壓力.滿足Km的超載大小可通過下面的計(jì)算得到.由于心二mLm得 Lm=0( 1-3)m上式中Km和 m 為上述已確定的值Km =3.565.21 104kN/m ,m =1.96 2.94 104kN /m4為了計(jì)算Lm,不妨取它們的平均值,代入式(1-3)中LmKm44.385 1042.45 10=1.79m故錨固層頂面要滿足的超載集度2 2PLm =1.684 1.79 =3.0t/m =29.4kN/m(3)實(shí)驗(yàn)中模擬下滑力加載位置確實(shí)定根據(jù)上面的計(jì)算和有關(guān)討論,選定模型

16、樁和適宜土樣后,從樁的各變量微分方程, 應(yīng)用相似理論,可以找出原型和模型樁的幾何、位移內(nèi)力之間的相似系數(shù)的關(guān)系, 利用它們可以確定實(shí)驗(yàn)中加載的位置.倒過來說,實(shí)驗(yàn)中的水平側(cè)向力施于何處, 能使錨固層處樁截面的剪力和彎距以及位移按一定的相互關(guān)系變化,以便滿足我們采用的相似關(guān)系.這一點(diǎn)很重要的,由于滑動(dòng)面處樁截面各量不但要求相似于原型 樁的特性,而且它又是滑動(dòng)面以下的初始值,其重要地位可想而知.下面就此作較 為詳細(xì)的推導(dǎo).由于模型樁m和原型抗滑樁o的撓曲線相似,那么在任一深度 y處有Ymy.Wm二Cw =常量W°樁的微分方程:dydElMdydM Q dydQBKW dy式中Q為剪力,其

17、它符號(hào)同前.化上面方程為無量綱形式w1 = 0 y©El 1 = 0 yMM d門1 二 0 QyQ d門1 二 0 BKwy所以其中1CBCK CyCwCw.1CyC 式:C El C 沖1CyCMCy 4yo*C,10MmCQ =MoCm占0C -=(3-4)解得CqCkCyCwCmCEI_ Cw3yCEICbC(3-5)(.134)6)(* 1-7)Cei(3-7)式1-7和前面導(dǎo)得的1-3 吻合,Ck,Ce,和Cei在表1-1中已求得,為值將1-5和1-6兩式左右對(duì)應(yīng)相除,得：CQ=Cy(1-8)Mm/Mo 即 Qm/Qo取Qo、Qm和Mo、Mm錨固層即滑動(dòng)面處樁的內(nèi)力值,參

18、考獅子山第二根抗滑樁 數(shù)據(jù)M.= 87.2299t -m,Q.二24.3863t,之所以取這兩個(gè)值,是由于在這個(gè)現(xiàn) 場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)滑動(dòng)面處剪力Q Qo、彎距MMo時(shí),地表土層開始破壞,樁身開始出 現(xiàn)裂縫,所以由Mo和Qo算得的Mm和Qm可作為最大內(nèi)力參考值,相應(yīng)得到的外荷為 最大下滑力的參考值.在模型實(shí)驗(yàn)中Mm二PLm二QmLm,其中Lm為下滑力合力P距錨固層面的高度,見圖1-2又知 Cy 二 CL =1/10將以上數(shù)據(jù)代入(3-8)式,得QmLm 24.38631=Qm 87.2299 1O得 Lm = O.3577m = 35.77厘米所以實(shí)驗(yàn)中必須限制加荷高度在3536厘米內(nèi)才能在滑面處得

19、到要求的彎距、剪力和變位.(4)模型裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置由五大局部組成,它們分別是：模型槽、超載系統(tǒng)、側(cè)向施力系統(tǒng)、應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng),見圖1-2圖1-21模型樁 2杠桿 3分壓板 4軟質(zhì)橡膠膜 5鋼釬6百分表 7紫銅管 8模型槽9 錨固層砂 10拉絲 11傳感器 12滑輪 13反力架14盛重容器 15土壓力盒1模型槽：大小為100 40 70厘米,它的最小尺寸大于樁徑 5倍以上,滿足樁徑效應(yīng)范圍.槽 壁用角鋼加固以限制側(cè)向位移2 超載系統(tǒng)：由于超載總重達(dá)1.4噸,砂子又要屢次裝卸,假設(shè)直接加重物,十分笨重,很不方便, 為此設(shè)計(jì)了四個(gè)杠桿來分擔(dān)和減少重物,另外為了盡可能地使超載在砂面上均勻分布,除了設(shè) 置分壓板外,在分壓板下還鋪墊了數(shù)層軟橡膠膜.3 位移量測(cè)系統(tǒng)：為了準(zhǔn)確測(cè)出實(shí)驗(yàn)時(shí)樁的變位,