[醫(yī)藥]高等土力學-11室內試驗12模型試驗

1、.高等土力學 Advanced Soil Mechanics§1 土工試驗及測試一、土工試驗的目的和意義（1）揭示土的一般的或特有的物理力學性質；（2）針對具體土樣的試驗，揭示區(qū)域性土、特殊土、人工復合土的物理力學性質；（3）確定理論計算和工程設計參數(shù)；（4）驗證計算理論的正確性及實用性；（5）原位測試、原型監(jiān)測直接為土木工程服務，也是分析和實現(xiàn)信息化施工的手段。二、土工試驗的分類土工試驗包括：室內試驗：如容重試驗、含水量試驗、直剪試驗、無側限壓縮試驗等。 原型測試：平板荷載試驗、靜力觸探、十字板剪切試驗等模型試驗（模擬試驗）：足尺試驗，加筋擋土墻的足尺試驗等原型監(jiān)測：深基坑開挖工程

2、監(jiān)測、隧道施工監(jiān)測、軟土上路堤沉降監(jiān)測等§1.1 室內試驗§1.1.1 直剪試驗剛性單剪儀（常規(guī)單剪儀）剛性直剪儀是土力學中最古老的儀器之一。剛性單剪儀的主要優(yōu)點：直觀、簡便、經濟，尤其對于砂土和滲透系數(shù)k<107cm/s 的粘性土能很快得到試驗結果。剛性單剪儀的主要缺點：試驗的破壞面(即剪切面)是人為確定的，剪切面面積因位移而減小，邊界上存在應力集中，剪切過程中存在明顯的應力，應變不均勻。且十分復雜，試樣內各點應力狀態(tài)及應力路徑不同。在剪切面附近土單元上的主應力大小是變化的，方向是旋轉的。多環(huán)單剪儀單剪儀中，用一系列環(huán)形圈代替剛性盒，因而沒有明顯的應力，應變不均勻，

3、試樣內所加的應力被認為是純剪。應力摩爾圓圓心不變，其直徑逐漸擴大，直至與強度線相切。這種儀器可以做動靜剪切試驗（動單剪試驗），有很多明顯的有優(yōu)點環(huán)剪儀 試樣是環(huán)狀的，剪切沿著圓周方向旋轉，剪切面的總面積不變。特別適用于：量測大應變后土的殘余強度或終極強度； 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）§1.1.3 三軸試驗靜三軸試驗靜三軸試驗（三軸壓縮試驗）是測定土的抗剪強度的一種方法。它通常用3-4個圓柱形試樣，分別在不同的恒定周圍壓力（3）下，施加軸向壓力，即主應力差（1-3），進行剪切直到破壞；然后根據(jù)摩爾-庫倫理論，求得抗剪強度參數(shù)。適用于測定細粒土及砂類

4、土的總抗剪強度參數(shù)及有效抗剪強度參數(shù)。試驗主題詞：周圍壓力；軸向壓力；不固結不排水剪；固結不排水剪；固結排水剪。優(yōu)點：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，進行一些不同應力路徑的試驗； 可以很好地控制排水條件；不排水條件下還可以量測試樣的超靜孔隙水壓力。主要缺點：兩個主應力2，3總是相等。靜三軸試驗試樣的應力狀態(tài)§1.1.4 三軸試驗為了模擬循環(huán)加載情況下土的動力特性，人們在常規(guī)靜三軸儀基礎上，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。后來發(fā)展可以在軸壓和室壓兩向分別激振。動三軸試樣的應力狀態(tài)和典型試驗曲線見圖1.1.10。用這種試驗可

5、從確定土的動模量、阻尼比、動強度和確定飽和土的抗液化剪應力等。§1.1.5共振柱試驗研究土的動力特性除了上述的動單剪試驗、動三軸試驗以外，共振柱試驗也是一個重要手段。共振柱試驗的原理是通過激振系統(tǒng)，使試樣發(fā)生振動，調節(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，計算試樣的彈性模量、剪切模量和阻尼比。共振柱試驗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力狀態(tài)；也可以是軸向與側向壓力不等的應力狀態(tài)。如圖1.1.20 所示。其它：真三軸試驗，高壓三軸儀，大型三軸儀（粗顆粒

6、土），非飽和土三軸儀，空心圓柱扭剪試驗和方向剪切試驗。§1.2 模型試驗直接在結構即原型上進行的實驗，稱為原型實驗；在按照原型設計的模型上進行的實驗，則稱為模型實驗。一般說來，前者比后者更為真實。但在進行研究或對新設計方案進行比較，或者由于種種原因而不能進行原型實驗時，模型實驗就成為重要的手段。使模型和原型相似所根據(jù)的理論，稱為模型理論，它的基礎是相似理論。模型試驗一直是巖土工程中的一種重要研究手段，它既可用來檢驗各種理論分析和數(shù)值計算的結果，也可用來直接指導實際工程的設計和施工。§1.2.1 1g下的模型試驗在通常的重力場中（1g），在一定的邊界條件下對土工建筑物或地基進

7、行模擬，量測有關應力應變數(shù)據(jù)，通過一定的理論計算或數(shù)據(jù)計算來檢驗理論計算結果。分為：小比尺試驗和足尺試驗小比尺試驗：將土工建筑物或地基及基礎縮小n倍，自重和荷載及應力水平同樣也縮小n倍。足尺試驗：（一）相似模擬試驗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的手段來實現(xiàn)的，而試驗結果的精度如何，則是由試驗模型與物理原型之間的相似程度所決定的。為了使模型實驗現(xiàn)象盡可能地反映出實物（原型）發(fā)生的現(xiàn)象，應嚴格按照相似理論來確定模型實驗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，很難使原型與模型各方面都相似，有時只能針對主要研究的問題，使某些方面相似，而忽略其它

8、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：兩個系統(tǒng)中的相似常數(shù)之間的關系式稱為相似指標。若兩個系統(tǒng)相似，則相似指標為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，存在著某種關系式，稱為相似指標。與此對應，相似現(xiàn)象各物理量之間，也存在某種關系式，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)、起始狀態(tài)、邊界條件等。相似第二

9、定律：當一個現(xiàn)象由n個物理量的函數(shù)關系來表示，且這些物理量中含有m種基本量綱時，則能得到（n-m）個相似判據(jù)。相似第三定律：凡具有同一特性的現(xiàn)象，當單值條件彼此相似，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，則就此現(xiàn)象必定相似?；蛘哒f，單值條件相似，且從它導出的相似判據(jù)的數(shù)值相等，是現(xiàn)象彼此相似的充分和必要條件。 以上是模型設計和獲得相似量必須遵循的法則。（二）模型試驗實例下面某地區(qū)獅子山第二根抗滑樁現(xiàn)場實驗為原型，按照相似理論來確定抗滑樁模型實驗的幾何尺寸和主要物理力學參數(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，兩個系統(tǒng)相似的充分必要條件是一個系統(tǒng)的數(shù)學模型由一一變

10、換與另一系統(tǒng)的數(shù)學模型相聯(lián)系，也就是說通過調試模型各參數(shù)的比例尺，使得模型和實物滿足共同的方程式。下面就是關于相似率方面的計算。圖1-1 抗滑樁工程示意圖圖1-2 模型試驗（a）樁的微分方程 （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樁任一點離地表的距離對于樁的錨固段來說，由于巖土性質一般較好，加上在模型實驗里尺寸不大，地基系數(shù)不會有大的變化，所以在這里K取常數(shù)。至于q，對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，則（1-1）化成:化成無量綱表達式:得到相似判據(jù):即 （1-2）其中

11、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樁任一點離地表的距離地基系數(shù)的相似比：抗彎剛度的相似比：抗滑樁寬度的相似比：抗滑樁錨固長度相似比：以上，下標0表示原型的數(shù)據(jù)；上標m表示模型的數(shù)據(jù)由（1-2）解得 即 參考獅子山第二根抗滑樁現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，, 模型樁采用空心方形有機玻璃樁，模型樁的幾何尺寸樁長，邊長，壁厚t=0.55cm其它計算見表1-1表1-1截面尺寸壁厚t（cm）慣性矩抗彎模量0.5512.9480.04750.10.0242*樁的彈性模量E由實驗測得即為在所選定樁下，模型實驗制備時錨固層介質必須滿足的地基系

12、數(shù)。根據(jù)實驗室現(xiàn)存的幾種砂，考慮到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作用，模型用密砂裝填。為滿足以上要求以及實際填裝砂的情況，測得實驗用砂的密度為。查得此砂地基系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù)(2) 的保障和超載的確定為了使錨固層的保證在之間，實驗模型錨固層頂面必須施以超載，此超載又可近似地認為滑坡體對錨固層的壓力。滿足的超載大小可通過下面的計算得到。因為得 （1-3）上式中和m為上述已確定的已知值，為了計算，不妨取它們的平均值，代入式（1-3）中故錨固層頂面要滿足的超載集度(3)實驗中模擬下滑力加載位置的確定根

13、據(jù)上面的計算和有關討論，選定模型樁和合適土樣后，從樁的各變量微分方程，應用相似理論，可以找出原型和模型樁的幾何、位移內力之間的相似系數(shù)的關系，利用它們可以確定實驗中加載的位置。倒過來說，實驗中的水平側向力施于何處，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系變化，以便滿足我們采用的相似關系。這一點很重要的，因為滑動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的推導。由于模型樁（m）和原型抗滑樁（o）的撓曲線相似，則在任一深度y處有樁的微分方程：式中Q為剪力，其它符號同前?；厦娣匠虨闊o量綱形式所以 其中解得 （1-4）

14、（1-7）式（1-7）和前面導得的（1-3）吻合，在表1-1中已求得，為已知值。將（1-5）和（1-6）兩式左右對應相除，得：即 （1-8）取、和、錨固層即滑動面處樁的內力值，參考獅子山第二根抗滑樁數(shù)據(jù)，之所以取這兩個值，是因為在這個現(xiàn)場實驗中，當滑動面處剪力、彎距時，地表土層開始破壞，樁身開始出現(xiàn)裂縫，所以由和算得的和可作為最大內力參考值，相應得到的外荷為最大下滑力的參考值。在模型實驗中，其中為下滑力合力P距錨固層面的高度，見圖1-2又知將以上數(shù)據(jù)代入（3-8）式，得得所以實驗中必須控制加荷高度在3536厘米內才能在滑面處得到要求的彎距、剪力和變位。(4) 模型裝置實驗模型裝置由五大部分組成

15、，它們分別是：模型槽、超載系統(tǒng)、側向施力系統(tǒng)、應變測量系統(tǒng)，見圖1-2。圖1-21模型樁 2杠桿 3分壓板 4軟質橡膠膜 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：大小為厘米，它的最小尺寸大于樁徑5倍以上，滿足樁徑效應范圍。槽壁用角鋼加固以限制側向位移2） 超載系統(tǒng)：由于超載總重達1.4噸，砂子又要多次裝卸，若直接加重物，十分笨重，很不方便，為此設計了四個杠桿來分擔和減少重物，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） 位移量測系統(tǒng)：為了準確測出實驗時樁

16、的變位，構置了如圖1-2中5，6，7示的位移計，紫銅管固定在模型槽上，穿插在紫銅管里的鋼釬把樁的變位傳導出來，實驗證實，這種方法是可行的，準確而靈敏。反力架與整個槽子分開，避免加載時對測量工作的影響。其中11為自制的拉力傳感器，4） 傳感器體為彈性良好的鋁合金鋼，上面粘貼了一個全橋電路。實驗前、實驗中和實驗后經過多次標定檢測，發(fā)現(xiàn)重復性相當好，使用證明相當可靠，見表1-3側向施力系統(tǒng)：見圖1-2中的10，11，12，13，14部分。表1-3 拉力傳感器的標定拉力0369121518211815129630應變01937.555.57493111129.511193755637190應變增量1918.518.018.5191818.5-18.5-18-18-19-19-18-19從表1-3中可以看出