國(guó)內(nèi)外土工單元試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)分享課件

國(guó)內(nèi)外土工單元試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)分享俞翔

4/12/2024目錄物理特性試驗(yàn)（indextests）密度/容重（unitweight,g）顆分/hydrometer（PSD,d10,d30,d50,d60）滲透系數(shù)（permeability,k）含水率（moistcontent,w,Atterberglimits,wL,wP,optimalmoistcontent,wop）最大最小干密度，相對(duì)密度（relativedensity,Dr）狀態(tài)參數(shù)（thestateparameter,Y）單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)（consolidationtests）分級(jí)加載（incrementalloading）機(jī)械式PIDRowecell恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗(yàn)解讀剪切試驗(yàn)（sheartests）直剪（directshear）單剪（directsimpleshear）恒剛度剪切（constantnormalstiffnessshear）三軸剪（triaxialtest）偽三軸、真三軸靜力、動(dòng)力解讀通過三軸試驗(yàn)獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）運(yùn)動(dòng)場(chǎng)剪（stadiumsheartest）物理特性試驗(yàn)（indextests）密度/容重（unitweight,g,gd,gs）顆分/hydrometer（PSD,d10,d30,d50,d60）滲透系數(shù)（permeability,k）含水率（moistcontent,w,Atterberglimits,wL,wP,optimalmoistcontent,wop）最大最小干密度，相對(duì)密度（relativedensity,Dr）狀態(tài)參數(shù)（thestateparameter,Y）密度/容重（unitweight,g,gd,gs）顆分/hydrometer（PSD,d10,d30,d50,d60）滲透系數(shù)（permeability,k）含水率（moistcontent,w,Atterberglimits,wL,wP,optimalmoistcontent,wop）最大最小干密度，相對(duì)密度（relativedensity,Dr）狀態(tài)參數(shù)（thestateparameter,Y）物理特性試驗(yàn)（indextests）顆分/hydrometer（PSD,d10,d30,d50,d60）砂黏土、粉土圓礫、角礫卵石、碎石塊石、漂石0.075220200中國(guó)物理特性試驗(yàn)（indextests）顆分/hydrometer（PSD,d10,d30,d50,d60）物理特性試驗(yàn)（indextests）密度/容重（unitweight,g,gd,gs）顆分/hydrometer（PSD,d10,d30,d50,d60）滲透系數(shù)（permeability,k）含水率（moistcontent,w,Atterberglimits,wL,wP,optimalmoistcontent,wop）最大最小干密度，相對(duì)密度（relativedensity,Dr）狀態(tài)參數(shù)（thestateparameter,Y）物理特性試驗(yàn)（indextests）滲透系數(shù)（permeability,k）常水頭滲透實(shí)驗(yàn)常規(guī)三軸滲透變水頭滲透試驗(yàn)頂反壓（topback-pressure）底反壓（bottomback-pressure）壓差圍壓哈桑公式更高的壓差圍壓模擬原位應(yīng)力物理特性試驗(yàn)（indextests）密度/容重（unitweight,g,gd,gs）顆分/hydrometer（PSD,d10,d30,d50,d60）滲透系數(shù)（permeability,k）含水率（moistcontent,w,Atterberglimits,wL,wP,optimalmoistcontent,wop）最大最小干密度，相對(duì)密度（relativedensity,Dr）狀態(tài)參數(shù)（thestateparameter,Y）物理特性試驗(yàn)（indextests）含水率（w,wL,wP,wop）界限含水率測(cè)定方法圓錐儀（wL,wP）蝶式液限儀（wL）搓條法（wP）最優(yōu)含水率（wOP）粉砂質(zhì)黏土判斷

wop的一個(gè)方法：往干土中加少量水揉搓使水分均勻捏成土團(tuán)用拇指按入土團(tuán)中線，如能將其分成較為完整的兩塊，則此時(shí)含水率為wop；如土體崩解，則偏干，加少量水后繼續(xù)；如分不開則偏濕，稍晾干再捏。物理特性試驗(yàn)（indextests）密度/容重（unitweight,g,gd,gs）顆分/hydrometer（PSD,d10,d30,d50,d60）滲透系數(shù)（permeability,k）含水率（moistcontent,w,Atterberglimits,wL,wP,optimalmoistcontent,wop）最大最小干密度，相對(duì)密度（relativedensity,Dr）狀態(tài)參數(shù)（thestateparameter,Y）物理特性試驗(yàn)（indextests）最大最小干密度，相對(duì)密度（relativedensity,Dr）最大、小干密度量筒法（wL,wP）振動(dòng)錘擊法（wL）相對(duì)密度（Dr）Lunneetal.(2019)相對(duì)密度不是一個(gè)有效的描述顆粒狀態(tài)的指標(biāo)！挪威巖土所德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)丹麥標(biāo)準(zhǔn)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)輝固標(biāo)準(zhǔn)（荷蘭）中密疏松物理特性試驗(yàn)（indextests）Dr-->狀態(tài)參數(shù)YBeen,K.,&Jefferies,M.G.(1985).Astateparameterforsands.Géotechnique,35(2),99–112.狀態(tài)參數(shù)Y結(jié)合了孔隙比和有效圍壓，可更好地體現(xiàn)砂土的原位力學(xué)特性：Y>0,剪縮Y<0,剪脹Y相同則意味著相同的剪脹性Y已廣泛應(yīng)用于土的本構(gòu)理論和模型試驗(yàn)領(lǐng)域。平均有效應(yīng)力,p’孔隙比,e極限狀態(tài)線（CSL）當(dāng)前孔隙比,e對(duì)應(yīng)相同

p’的孔隙比,ec物理特性試驗(yàn)（indextests）單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)（consolidationtests）分級(jí)加載（incrementalloading）機(jī)械式PID恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗(yàn)解讀剪切試驗(yàn)（sheartests）直剪（directshear）單剪（directsimpleshear）恒剛度剪切（constantnormalstiffnessshear）三軸剪（triaxialtest）偽三軸、真三軸靜力、動(dòng)力解讀通過三軸試驗(yàn)獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）運(yùn)動(dòng)場(chǎng)剪（stadiumsheartest）固結(jié)試驗(yàn)（consolidationtests）分級(jí)加載（incrementalloading）機(jī)械式PIDRowecell恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗(yàn)解讀剪切試驗(yàn)（sheartests）直剪（directshear）單剪（directsimpleshear）恒剛度剪切（constantnormalstiffnessshear）三軸剪（triaxialtest）偽三軸、真三軸靜力、動(dòng)力解讀通過三軸試驗(yàn)獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）運(yùn)動(dòng)場(chǎng)剪（stadiumsheartest）單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)

分級(jí)加載

機(jī)械式存在的問題：初級(jí)加載壓縮量大/不穩(wěn)定沖擊荷載/快速加載導(dǎo)致壓縮偏大高壓下儀器自身的變形較大不能測(cè)孔隙水壓力和固結(jié)系數(shù)難以施加s’v>1MPa,該壓力對(duì)獲得砂土的正常壓縮曲線（NCL）很重要單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)

分級(jí)加載

PID解決的問題：初級(jí)加載壓縮量大/不穩(wěn)定沖擊荷載/快速加載導(dǎo)致壓縮偏大高壓下儀器自身的變形較大不能測(cè)孔隙水壓力和固結(jié)系數(shù)難以施加s’v>1MPa,該壓力對(duì)獲得砂土的正常壓縮曲線（NCL）很重要ProportionIntegrationDifferentiation.

比例-積分-微分控制器單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)

分級(jí)加載

Rowecell解決的問題：初級(jí)加載壓縮量大/不穩(wěn)定沖擊荷載/快速加載導(dǎo)致壓縮偏大高壓下儀器自身的變形較大不能測(cè)孔隙水壓力和固結(jié)系數(shù)難以施加s’v>1MPa,該壓力對(duì)獲得砂土的正常壓縮曲線（NCL）很重要該儀器也可用于滲透性試驗(yàn)?？紫端畨毫鞲衅?2cm燒結(jié)多孔銅板液壓系統(tǒng)單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)

恒定速率加載（CRS）特點(diǎn)：連續(xù)讀數(shù)（軸向力，壓縮，孔壓）連續(xù)的固結(jié)曲線試驗(yàn)耗時(shí)相對(duì)較短（通常控制ub/σ<0.15）單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)

三軸固結(jié)試樣排水體積=壓力室水體積增加=試樣上蓋面積*壓縮量靜止土壓力系數(shù)k0=sa/sr圍壓sr單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)

試驗(yàn)解讀壓縮系數(shù)a體積壓縮系數(shù)mv壓縮指數(shù)Cc回彈（再壓縮）指數(shù)CsCs單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)

試驗(yàn)解讀：無黏性土NCL很難達(dá)到，即可以理解為土體未到正常固結(jié)（NC）狀態(tài)；初始加載階段為彈塑性階段，非理想彈性（OC）；低應(yīng)力下的回彈曲線適用于大應(yīng)力。CsPestana&Whittle(1995)Compressionmodelforcohesionlessmodel單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)

試驗(yàn)解讀：黏性土固結(jié)系數(shù)Cv豎向應(yīng)力~應(yīng)變關(guān)系時(shí)間抵抗~時(shí)間關(guān)系土層自重壓力，先期固結(jié)壓力，固結(jié)比s’cs’0單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)（consolidationtests）分級(jí)加載（incrementalloading）機(jī)械式PIDRowecell恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗(yàn)解讀剪切試驗(yàn)（sheartests）直剪（directshear）單剪（directsimpleshear）恒剛度剪切（constantnormalstiffnessshear）三軸剪（triaxialtest）偽三軸、真三軸靜力、動(dòng)力解讀通過三軸試驗(yàn)獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）運(yùn)動(dòng)場(chǎng)剪（stadiumsheartest）單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

直剪（directshear）豎向力施加水平力豎向位移（剪脹測(cè)量）測(cè)量水平力水平位移滑移面剪應(yīng)力水平位移體積變化體積增大體積減小密實(shí)松散密實(shí)松散峰值強(qiáng)度殘余強(qiáng)度剪脹角摩擦角

單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

直剪（directshear）假設(shè)：豎向正應(yīng)力均勻分布，水平剪應(yīng)力均勻分布；土體在最危險(xiǎn)面破壞;理想排水狀況。Pottsetal.(1987)Finiteelementanalysisofthedirectshearboxtest單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

直剪（directshear）假設(shè)：豎向正應(yīng)力均勻分布，水平剪應(yīng)力均勻分布；土體在最危險(xiǎn)面破壞；理想排水狀況快剪（不固結(jié)不排水剪）；固結(jié)快剪；固結(jié)慢剪。對(duì)于黏性土，由于孔隙水壓力未知，這三種試驗(yàn)都是部分排水！王洪緒等（2018）江蘇沿海飽和粉土三軸試驗(yàn)的研究單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)（consolidationtests）分級(jí)加載（incrementalloading）機(jī)械式PIDRowecell恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗(yàn)解讀剪切試驗(yàn)（sheartests）直剪（directshear）單剪（directsimpleshear）恒剛度剪切（constantnormalstiffnessshear）三軸剪（triaxialtest）偽三軸、真三軸靜力、動(dòng)力解讀通過三軸試驗(yàn)獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）空心扭剪試驗(yàn)（hollowcylindertest）運(yùn)動(dòng)場(chǎng)剪（stadiumsheartest）單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

單剪（directsimpleshear,DSS）為克服直剪試驗(yàn)中：應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻；人為規(guī)定剪切面；剪切面減?。徊荒茏鰟?dòng)載試驗(yàn)；不能測(cè)孔隙水壓力；無法達(dá)到真正的排水/不排水條件，等問題。RoyalSwedishGeotechnicalInstitute(SGI)-testtypeNorwegianGeotechnicalInstitute(NGI)-testtypeCambridgetesttype單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

單剪（directsimpleshear,DSS）NGISGISGItype剪應(yīng)力和剪應(yīng)變不均勻；疊環(huán)間試樣側(cè)向變形；疊環(huán)位置存在潛在剪切面等缺點(diǎn)主要特征：允許豎向脹縮；不允許徑向變形；允許剪切變形；環(huán)形，可任意方向加載。金屬環(huán)金屬絲加固的橡膠膜單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

單剪（directsimpleshear,DSS）Cambridgetype通過側(cè)面邊界來加載剪應(yīng)變。移動(dòng)上下邊界，和上下邊界鉸接的側(cè)面邊界就會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而給試樣加載應(yīng)變。4塊剛性板之間的接觸關(guān)系和邊界條件難以保持穩(wěn)定，同時(shí)側(cè)面板與土樣之間也存在摩擦力的影響。鉸鉸端蓋端蓋加載方向單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

單剪（directsimpleshear,DSS）典型試驗(yàn)結(jié)果常用于研究土體在不排水條件下的動(dòng)力特性，如海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)/錨在風(fēng)/波浪荷載作用下的強(qiáng)度演化。循環(huán)荷載作用下：孔隙水壓力逐漸累積增大；有效應(yīng)力逐漸減小；剪應(yīng)變幅值不斷增大；剪切剛度不斷減?。粦?yīng)力路徑逐漸貼近極限狀態(tài)線（CSL）。剪應(yīng)力剪應(yīng)變剪應(yīng)力孔隙水壓力正應(yīng)力循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)剪應(yīng)變單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)（consolidationtests）分級(jí)加載（incrementalloading）機(jī)械式PIDRowecell恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗(yàn)解讀剪切試驗(yàn)（sheartests）直剪（directshear）單剪（directsimpleshear）恒剛度剪切（constantnormalstiffnessshear）三軸剪（triaxialtest）偽三軸、真三軸靜力、動(dòng)力解讀通過三軸試驗(yàn)獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）空心扭剪試驗(yàn)（hollowcylindertest）運(yùn)動(dòng)場(chǎng)剪（stadiumsheartest）單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

恒剛度剪切（constantnormalstiffnessshear）法向剛度直剪試驗(yàn)：k=dN/dd=0不排水單剪試驗(yàn)：k=dN/dd

∞=0對(duì)于深部巖土體（如樁基/隧道/礦井/巷道），在剪切作用下巖土體受到周邊巖土體的約束不能自由剪脹，出現(xiàn)法向荷載變化，而法向剛度基本不變的現(xiàn)象，即恒法向剛度邊界條件。=0單元試驗(yàn)（elementtests）固結(jié)試驗(yàn)（consolidationtests）分級(jí)加載（incrementalloading）機(jī)械式PIDRowecell恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗(yàn)解讀剪切試驗(yàn)（sheartests）直剪（directshear）單剪（directsimpleshear）恒剛度剪切（constantnormalstiffnessshear）三軸剪（triaxialtest）偽三軸、真三軸靜力、動(dòng)力解讀通過三軸試驗(yàn)獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）空心扭剪試驗(yàn)（hollowcylindertest）運(yùn)動(dòng)場(chǎng)剪（stadiumsheartest）單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

三軸剪（triaxialtest）可實(shí)現(xiàn)對(duì)土單元各向正應(yīng)力/應(yīng)變、體積應(yīng)變及孔隙水壓力的靜、動(dòng)控制。真三軸三軸試驗(yàn)偽三軸靜三軸動(dòng)三軸壓縮三軸拉伸三軸各向同性固結(jié)各向異性固結(jié)K0固結(jié)真K0固結(jié)其他應(yīng)力路徑按應(yīng)力路徑分類通常做的（UU,CIUC,CIDC）單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

三軸剪（triaxialtest）真三軸位移傳感器壓力室加載機(jī)構(gòu)力傳感器試樣橡膠模反壓/體變圍壓常規(guī)（偽）三軸單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

三軸剪（triaxialtest）試驗(yàn)流程制樣飽和固結(jié)剪切數(shù)據(jù)分析制樣（黏性土）飽和：施加足夠高的反壓，持續(xù)24h單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

三軸剪（triaxialtest）試驗(yàn)流程制樣飽和固結(jié)剪切數(shù)據(jù)分析制樣（砂土）施加負(fù)孔壓-10kPa單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

三軸剪（triaxialtest）試驗(yàn)流程制樣飽和固結(jié)剪切數(shù)據(jù)分析飽和（砂土）負(fù)壓+吸水CO2+水施加反壓+圍壓，維持約10kPa壓力差水負(fù)壓水負(fù)壓CO2單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

三軸剪（triaxialtest）試驗(yàn)流程制樣飽和固結(jié)剪切數(shù)據(jù)分析試驗(yàn)（砂土）結(jié)束后如何獲得準(zhǔn)確的孔隙比/含水量？單元試驗(yàn)（elementtests）剪切試驗(yàn)

三軸剪（triaxialtest）

結(jié)果解讀（resultsinterpretation）c,f排水剪