說(shuō)明高等土力學(xué)11室內(nèi)試驗(yàn)12模型試驗(yàn)

1、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)直接為土木工程服務(wù)，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(lèi)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(wú)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)（模擬試驗(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(kāi)挖工程監(jiān)

2、測(cè)、隧道施工監(jiān)測(cè)、軟土上路堤沉降監(jiān)測(cè)等§1.1 室內(nèi)試驗(yàn)§ 直剪試驗(yàn)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<107cm/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(guò)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)形圈代替剛性盒，因而沒(méi)有明顯的應(yīng)力，應(yīng)變不均勻，試樣內(nèi)所加的

3、應(yīng)力被認(rèn)為是純剪。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(xiàn)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)變后土的殘余強(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）§ 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?chē)鷫毫Γ?）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(kù)倫理論，求得抗剪強(qiáng)度參數(shù)。適用于測(cè)定細(xì)粒土及砂類(lèi)土的總抗剪強(qiáng)度參數(shù)及有

4、效抗剪強(qiáng)度參數(shù)。試驗(yàn)主題詞：周?chē)鷫毫Γ惠S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(guò)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)； 可以很好地控制排水條件；不排水條件下還可以量測(cè)試樣的超靜孔隙水壓力。主要缺點(diǎn)：兩個(gè)主應(yīng)力2，3總是相等。靜三軸試驗(yàn)試樣的應(yīng)力狀態(tài)§1.1.4 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)靜三軸儀基礎(chǔ)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(lái)發(fā)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(xiàn)見(jiàn)圖。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

5、確定飽和土的抗液化剪應(yīng)力等。§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。共振柱試驗(yàn)的原理是通過(guò)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 所示。其它：真三軸試驗(yàn)，高壓三軸儀，大型三軸儀（粗顆粒土），非飽和土三軸儀，空心圓柱扭剪試驗(yàn)和方向剪切試驗(yàn)。&

6、#167;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(chēng)為原型實(shí)驗(yàn)；在按照原型設(shè)計(jì)的模型上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，則稱(chēng)為模型實(shí)驗(yàn)。一般說(shuō)來(lái)，前者比后者更為真實(shí)。但在進(jìn)行研究或?qū)π略O(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，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(chēng)為模型理論，它的基礎(chǔ)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(lái)檢驗(yàn)各種理論分析和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，也可用來(lái)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，量測(cè)有關(guān)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過(guò)一定的理論計(jì)算或數(shù)據(jù)計(jì)

7、算來(lái)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基礎(chǔ)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，而試驗(yàn)結(jié)果的精度如何，則是由試驗(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)格按照相似理論來(lái)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(wèn)題，使某些方面相似，而忽略其它方面。相似常數(shù)（相似系數(shù)）：Cx=模型物理量Xm /原型

8、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(chēng)為相似指標(biāo)。若兩個(gè)系統(tǒng)相似，則相似指標(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(chēng)為相似常數(shù)，或稱(chēng)相似系數(shù)。所有相似系數(shù)之間，存在著某種關(guān)系式，稱(chēng)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(chēng)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(lái)表示，且這些物理

9、量中含有m種基本量綱時(shí)，則能得到（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，則就此現(xiàn)象必定相似?；蛘哒f(shuō)，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則。（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，按照相似理論來(lái)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(shuō)通過(guò)調(diào)試模型各參數(shù)

10、的比例尺，使得模型和實(shí)物滿(mǎn)足共同的方程式。下面就是關(guān)于相似率方面的計(jì)算。圖1-1 抗滑樁工程示意圖圖1-2 模型試驗(yàn)（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(diǎn)離地表的距離對(duì)于樁的錨固段來(lái)說(shuō)，由于巖土性質(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(lái)說(shuō)為零值。（b）采用相似理論積分類(lèi)比法求相似判據(jù)去掉（1-1）式的微分符號(hào)，則（1-1）化成:化成無(wú)量綱表達(dá)式:得到相似判據(jù):即 （1-2）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、

11、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(zhǎng)度相似比：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 即 參考獅子山第二根抗滑樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，, 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)，邊長(zhǎng)，壁厚t=0.55cm其它計(jì)算見(jiàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)得即為在所選定樁下，模型實(shí)驗(yàn)制備時(shí)錨固層介質(zhì)必須滿(mǎn)足的地基系數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)存的幾種砂，考慮到的要求和將來(lái)便于施加超

12、載，砂的地基系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù)m不能過(guò)大，取最大粒徑不超過(guò)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(mǎn)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。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(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(mǎn)足的超載大小可通過(guò)下面的計(jì)算得到。因?yàn)榈?（1-3）上式中和m為上述已確定的已知值，為了計(jì)算，不妨取它們的平均值，代入式（1-3）中故錨固層頂面要滿(mǎn)足的超載集度(3)實(shí)驗(yàn)中模擬下滑力加載位置的確定根據(jù)上面的計(jì)算和有關(guān)討論，選定模型樁和合適土樣后，從樁的各

13、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(guò)來(lái)說(shuō)，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(mǎn)足我們采用的相似關(guān)系。這一點(diǎn)很重要的，因?yàn)榛瑒?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(xiàn)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(hào)同前?；厦娣匠虨闊o(wú)量綱形式所以 其中解得 （1-4）（1-7）式（1-7）和前面導(dǎo)得的（1-3）吻合，在表1

14、-1中已求得，為已知值。將（1-5）和（1-6）兩式左右對(duì)應(yīng)相除，得：即 （1-8）取、和、錨固層即滑動(dòng)面處樁的內(nèi)力值，參考獅子山第二根抗滑樁數(shù)據(jù)，之所以取這兩個(gè)值，是因?yàn)樵谶@個(gè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)滑動(dòng)面處剪力、彎距時(shí)，地表土層開(kāi)始破壞，樁身開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，所以由和算得的和可作為最大內(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，其中為下滑力合力P距錨固層面的高度，見(jiàn)圖1-2又知將以上數(shù)據(jù)代入（3-8）式，得得所以實(shí)驗(yàn)中必須控制加荷高度在3536厘米內(nèi)才能在滑面處得到要求的彎距、剪力和變位。(4) 模型裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置由五大部分組成，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

15、統(tǒng)，見(jiàn)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：大小為厘米，它的最小尺寸大于樁徑5倍以上，滿(mǎn)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，砂子又要多次裝卸，若直接加重物，十分笨重，很不方便，為此設(shè)計(jì)了四個(gè)杠桿來(lái)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，構(gòu)置了如圖1-2中5，6，7示的位移計(jì)，紫銅管固

16、定在模型槽上，穿插在紫銅管里的鋼釬把樁的變位傳導(dǎo)出來(lái)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種方法是可行的，準(zhǔn)確而靈敏。反力架與整個(gè)槽子分開(kāi)，避免加載時(shí)對(duì)測(cè)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(gè)全橋電路。實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)后經(jīng)過(guò)多次標(biāo)定檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)重復(fù)性相當(dāng)好，使用證明相當(dāng)可靠，見(jiàn)表1-3側(cè)向施力系統(tǒng)：見(jiàn)圖1-2中的10，11，12，13，14部分。表1-3 拉力傳感器的標(biāo)定拉力0369121518211815129630應(yīng)變01937.555.57493111129.511193755637190應(yīng)變?cè)隽?918.518.018.5191818.5-18.5-18-18-19-19-18-19從表1-3中可以看出