第一章土工试验及测试 由于土的力学性质的复杂多变,土工试验是土力学中的基本内容,试验土力学成为土力学的 个重要分支。另一方面,由于现场原状土的结构性,土工问题的诸多影响因素使现场原位测试和工 程原型监测成为工程实践中不可缺少的一部分 广义的土工试验包括室内试验、原位测试、模型试验和原位监测等;从内容上又可分为物理性 质试验、力学性质试验和水力学性质试验:也可以从宏观和微观不同尺度进行试验和测试。本章侧 重于土的力学性质试验。 土工试验的不可替代的作用表现在 1.只有通过试验才能揭示土作为一种碎散多相的地质材料的一般的和特有的力学性质。 2.只有对具体土样的试验,才能揭示不同类型、不同产地、不同状态土的不同力学性质,如: 非饱和土、区域性土、人工复合土等 3.试验是确定各种理论参数的基本手段。 4.试验是验证各种理论的正确性及实用性的主要手段 5.足尺试验、模型试验可以验证土力学理论与数值计算结果的合理性:也是认识和解决实际 工程问题的重要手段。 6.原位测试、原位监测直接为土木工程服务。同时是数值计算的反算和实现信息化施工的依 据 所以,土力学的研究和土工实践从来不能脱离土工实验工作,它是人们深入认识土的性状和发 展完善理论和计算方法的正确途径 1.1室内试验 1.1.1直剪试验、单剪试验和环剪试验 早期的土力学研究及解决与土有关的工程问题是将土的强度问题和变形问题分开考虑的。相应 的试验仪器是直剪仪和侧限压缩仪 直剪仪是土力学中最古老的仪器之一,200多年前,库仑( Coulomb)就用它进行土的强度试 验,建立了土强度的库仑公式。其示意图见图1.11(a)。其试验设备和原理十分简单:试样放在剪 切盒中,它在一水平面上被分为上、下盒,一半固定,另一半或推或拉以产生水平位移。上部通过 刚性加载帽施加正的竖向荷载P。试验过程中竖向荷载一般不变,可量测水平向剪切荷载、水平位 初始状态 破坏时 (a)仪器简图 (b)剪切面处土应力状态变化
第一章 土工试验及测试 由于土的力学性质的复杂多变，土工试验是土力学中的基本内容，试验土力学成为土力学的一 个重要分支。另一方面，由于现场原状土的结构性，土工问题的诸多影响因素使现场原位测试和工 程原型监测成为工程实践中不可缺少的一部分。 广义的土工试验包括室内试验、原位测试、模型试验和原位监测等；从内容上又可分为物理性 质试验、力学性质试验和水力学性质试验；也可以从宏观和微观不同尺度进行试验和测试。本章侧 重于土的力学性质试验。 土工试验的不可替代的作用表现在： 1. 只有通过试验才能揭示土作为一种碎散多相的地质材料的一般的和特有的力学性质。 2. 只有对具体土样的试验，才能揭示不同类型、不同产地、不同状态土的不同力学性质，如： 非饱和土、区域性土、人工复合土等。 3. 试验是确定各种理论参数的基本手段。 4. 试验是验证各种理论的正确性及实用性的主要手段。 5. 足尺试验、模型试验可以验证土力学理论与数值计算结果的合理性；也是认识和解决实际 工程问题的重要手段。 6. 原位测试、原位监测直接为土木工程服务。同时是数值计算的反算和实现信息化施工的依 据。 所以，土力学的研究和土工实践从来不能脱离土工实验工作，它是人们深入认识土的性状和发 展完善理论和计算方法的正确途径。 1.1 室内试验 1.1.1 直剪试验、单剪试验和环剪试验 早期的土力学研究及解决与土有关的工程问题是将土的强度问题和变形问题分开考虑的。相应 的试验仪器是直剪仪和侧限压缩仪。 直剪仪是土力学中最古老的仪器之一，200 多年前，库仑（Coulomb）就用它进行土的强度试 验，建立了土强度的库仑公式。其示意图见图 1.1.1（a）。其试验设备和原理十分简单：试样放在剪 切盒中，它在一水平面上被分为上、下盒，一半固定，另一半或推或拉以产生水平位移。上部通过 刚性加载帽施加正的竖向荷载 P 。试验过程中竖向荷载一般不变，可量测水平向剪切荷载、水平位 （a） 仪器简图 （b）剪切面处土应力状态变化 图 1.1.1 直剪试验
第一章土工试验及测试 移和试样垂直变形。根据剪切面的面积,可计算出剪切面上的正应力σ、和剪应力r。从破坏时的σ, 与τ;间关系可确定土的强度包线 但这种试验的破坏面(即剪切面)是人为确定的,试样中的应力和应变不均匀且十分复杂,试样 内各点应力状态及应力路径不同。在剪切面附近土单元上的主应力大小是变化的,方向是旋转的。 在初始状态,剪切面土单元与试验中其它单元一样是K。应力状态,即03=Knov=K0o1。在剪切破 坏时,剪切面附近土单元主应力大小和方向决定于强度包线,其应力状态见图11.1(b)。由初始应 力莫尔圆i变化到破坏时与强度包线相切的莫尔圆∫,但破坏面上正应力a,=a1一直未变。 直剪仪直观、简便、经济,尤其对于砂土和渗透系数k<10cm/s的粘性土能很快得到试验结果 但也有上述缺点。针对其应力应变不均匀,边界上存在应力集中等问题,人们对它进行了一些改进 单剪仪( Simple shear apparatus)就是一种代表性仪器,见图1.1.2。它四周用一系列环形圈代替刚 性盒,因而没有明显的应力应变不均匀,试样内所加的应力被认为是纯剪。在图1.1.2(b)中,加 载过程中竖直应力σv和水平应力σh保持常数,τh(rh)不断增加。应力莫尔圆圆心不变,其直 径逐渐扩大,直至与强度包线相切。值得注意的是其水平面(ov,Thw)和竖直面(oh,τwh)都 不是破坏面,f'和′代表破坏面的应力大小和方向。这种仪器可以做动静剪切试验,有很多明显的 有优点。另一种室内剪切仪器是环剪仪( Torsional or ring shear apparatus),由于试样是环状的 所以剪切面的面积总不变,它特别适用于量测大应变后土的残余强度或终极强度,在这种情况下 它可以用一个试样完成几种正应力下的剪切试验。仪器简图见图11.3 破坏 (a)单剪试样 (b)应力状态 (a)单剪试样(b)应力状态 图112单剪试验
第一章 土工试验及测试 2 移和试样垂直变形。根据剪切面的面积，可计算出剪切面上的正应力σ v 和剪应力τ 。从破坏时的σ v 与 f τ 间关系可确定土的强度包线。 但这种试验的破坏面(即剪切面)是人为确定的，试样中的应力和应变不均匀且十分复杂，试样 内各点应力状态及应力路径不同。在剪切面附近土单元上的主应力大小是变化的，方向是旋转的。 在初始状态，剪切面土单元与试验中其它单元一样是 K0 应力状态，即σ3＝K0σv＝K0σ1。在剪切破 坏时，剪切面附近土单元主应力大小和方向决定于强度包线，其应力状态见图 1.1.1（b）。由初始应 力莫尔圆 i 变化到破坏时与强度包线相切的莫尔圆 f ，但破坏面上正应力σ v = σ 1i 一直未变。 直剪仪直观、简便、经济，尤其对于砂土和渗透系数 k<10‐7cm/s 的粘性土能很快得到试验结果， 但也有上述缺点。针对其应力应变不均匀，边界上存在应力集中等问题，人们对它进行了一些改进。 单剪仪（Simple shear apparatus）就是一种代表性仪器，见图 1.1.2。它四周用一系列环形圈代替刚 性盒，因而没有明显的应力应变不均匀，试样内所加的应力被认为是纯剪。在图 1.1.2（b）中，加 载过程中竖直应力σv和水平应力σh保持常数，τvh（τhv）不断增加。应力莫尔圆圆心不变，其直 径逐渐扩大，直至与强度包线相切。值得注意的是其水平面（σv，τhv）和竖直面（σh，τvh）都 不是破坏面，f’和 f’’代表破坏面的应力大小和方向。这种仪器可以做动静剪切试验，有很多明显的 有优点。另一种室内剪切仪器是环剪仪（Torsional or ring shear apparatus）,由于试样是环状的， 所以剪切面的面积总不变，它特别适用于量测大应变后土的残余强度或终极强度，在这种情况下， 它可以用一个试样完成几种正应力下的剪切试验。仪器简图见图 1.1.3。 (a)单剪试样 (b)应力状态 图 1.1.2 单剪试验
第一章土工试验及测试 板旋转 土试样 中 下板固定 图1.1.3环剪仪简图 这一类剪切试验也常被用来进行不同材料间的剪切特性。比如:土与混凝土或钢材;土与土工 合成材料及不同土料之间接触面特性的试验。用以研究接触面特性并确定有关强度和变形参数。 11.2侧限压缩试验 也称单向压缩试验,仪器简图见图114。它所确定的应力应变关系曲线一般表为曲线e-p,e 为孔隙比,P为施加的竖向压力(kPa)。由于试样应力状态总是oy/o1=Ka所以不会发生破坏。这 种试验的结果通常只需用一个参数(压缩模量Es或压缩系数a)就可表示。所以它用于建立在弹性理 论基础上的地基沉降计算的分层总和法。不能用以揭示土的应力一应变一强度关系的全过程及一般 的土体受力变形的特性。但它目前依然是土力学试验应用最多的试验之一。它的另一个用途是在固 结试验中确定试验压缩与时间关系,用以确定粘性土的固结系数c,。 1.1.3三轴试验 1930年卡蔭格兰德( A Casagrande)研究用圆柱形试样的压缩代替直剪仪以确定土的强度指 标,这就成了目前广泛使用的三轴仪和三轴试验。它可以完整地反映试样受力变形直到破坏的全过 透水石 土试样 图114侧限压缩试验 程。因而既可作强度试验:也可作应力应变关系试验。它可以模拟不同工况:也可很好地控制排水 条件;并且可以进行一些不同应力路径的试验。三轴试验中试样应力状态明确;应变量测简单可靠 可较容易判断试样的破坏;操作比较简单。这样,三轴仪成为土力学实验室中不可缺少的仪器。 后来,又发展了进行土的动力试验的动三轴仪;进行高应力水平的高压三轴仪;对粗颗粒土进 行试验的大型三轴仪以及进行非饱和土试验的非饱和土三轴仪等。另外,随着量测和控制方面传感
第一章 土工试验及测试 3 这一类剪切试验也常被用来进行不同材料间的剪切特性。比如：土与混凝土或钢材；土与土工 合成材料及不同土料之间接触面特性的试验。用以研究接触面特性并确定有关强度和变形参数。 1.1.2 侧限压缩试验 也称单向压缩试验，仪器简图见图 1.1.4。它所确定的应力应变关系曲线一般表为曲线e − p ，e 为孔隙比， p 为施加的竖向压力（kPa）。由于试样应力状态总是σ3/σ1=K0,所以不会发生破坏。这 种试验的结果通常只需用一个参数(压缩模量 Es 或压缩系数 a)就可表示。所以它用于建立在弹性理 论基础上的地基沉降计算的分层总和法。不能用以揭示土的应力－应变－强度关系的全过程及一般 的土体受力变形的特性。但它目前依然是土力学试验应用最多的试验之一。它的另一个用途是在固 结试验中确定试验压缩与时间关系，用以确定粘性土的固结系数 v c 。 1.1.3 三轴试验 1930 年卡蕯格兰德（A.Casagrande）研究用圆柱形试样的压缩代替直剪仪以确定土的强度指 标，这就成了目前广泛使用的三轴仪和三轴试验。它可以完整地反映试样受力变形直到破坏的全过 程。因而既可作强度试验；也可作应力应变关系试验。它可以模拟不同工况；也可很好地控制排水 条件；并且可以进行一些不同应力路径的试验。三轴试验中试样应力状态明确；应变量测简单可靠； 可较容易判断试样的破坏；操作比较简单。这样，三轴仪成为土力学实验室中不可缺少的仪器。 后来，又发展了进行土的动力试验的动三轴仪；进行高应力水平的高压三轴仪；对粗颗粒土进 行试验的大型三轴仪以及进行非饱和土试验的非饱和土三轴仪等。另外，随着量测和控制方面传感
第一章土工试验及测试 器的精度的提高,各种数据的自动采集,应力路径和应变路径的自动控制和对软岩和硬土试验的微 应变量测等各种试验技术及设备也在不断发展 1.三轴仪及几种不同应力路径的三轴试验 图1.15表示的是三轴仪及其试样的应力状态。试样被橡皮膜包裹放在压力室中的压力水中,对 于饱和试样,排水试验中可通过接通试样的排水管量测试样的体积变化:在不排水试验中可通过孔 压传感器量测试样中的孔隙水压力。当首先施加室压(围压)时,则试样为各向等压应力状态, 即G1=2=3=Ga;随后通过活塞施加轴压,则在轴向产生偏差应力a1-a3,设G1=aa,O 为总轴向应力 当轴向加载活塞与试样帽间有拉挂装置时,轴向应力可为小主应力,即a。=3”,1-03<0 0~03 土试样 橡皮膜 (a)三轴仪简图 (b)试样应力状态 图115三轴试验 按一定规律变化室压σ和轴向应力σ,用三轴仪可以完成不同应力路径的试验。通常有如图116 所示的几种应力路径,当然也有其它应力路径或上述各应力路径的组合。也有控制不同应变路径的 三轴试验。对于所有的三轴试验,试样受到的三个主应力总有两个是相等的。所以常用平均主应力P 和广义剪应力q表示。在图1.1:8中 P=1/3(oa+20c (1.1.1) (o a-oc) (1.12) 在一般应力状态下,为了表示中主应力的大小,常用另外两个参数表示: b (113) 402o 2b-1 (1.14) 3(a1-03)
第一章 土工试验及测试 4 器的精度的提高，各种数据的自动采集，应力路径和应变路径的自动控制和对软岩和硬土试验的微 应变量测等各种试验技术及设备也在不断发展。 1. 三轴仪及几种不同应力路径的三轴试验 图 1.1.5 表示的是三轴仪及其试样的应力状态。试样被橡皮膜包裹放在压力室中的压力水中，对 于饱和试样，排水试验中可通过接通试样的排水管量测试样的体积变化；在不排水试验中可通过孔 压传感器量测试样中的孔隙水压力。当首先施加室压（围压）σ c 时，则试样为各向等压应力状态， 即σ 1 = σ 2 = σ 3 = σ c ；随后通过活塞施加轴压，则在轴向产生偏差应力σ 1 −σ 3 ，设σ 1 = σ a ，σ a 为总轴向应力。 当轴向加载活塞与试样帽间有拉挂装置时，轴向应力可为小主应力，即σ a = σ 3 ，σ 1 −σ 3 < 0 。 按一定规律变化室压σ c 和轴向应力σ a ，用三轴仪可以完成不同应力路径的试验。通常有如图 1.1.6 所示的几种应力路径，当然也有其它应力路径或上述各应力路径的组合。也有控制不同应变路径的 三轴试验。对于所有的三轴试验，试样受到的三个主应力总有两个是相等的。所以常用平均主应力 p 和广义剪应力 q 表示。在图 1.1.8 中 p=1/3(σa+2σc) （1.1.1） q=（σa‐σc） （1.1.2） 在一般应力状态下，为了表示中主应力的大小，常用另外两个参数表示： ( )/( ) b = σ 2 −σ 3 σ 1 −σ 3 （1.1.3） 3 2 1 3( ) 2 1 3 2 1 3 − = − − − = b tg σ σ σ σ σ θ （1.1.4）
第一章土工试验及测试 q RTC RTE CTC CTE 图1.1.6几种三轴试验的应力路径 500 M59 图117中密承德砂在各向等压下 关系曲线
第一章 土工试验及测试 5