第一章土工试验及测试 O orson (b)试样应力状态 (a)仪器简图 图1118空心圆柱扭剪仪试验 这种仪器也有一些缺点。首先是空心圆柱试样沿径向其应力是不均匀的,只有试样的厚度与直 径相比很薄时,这种不均匀性才可以忽略。在两端施加扭矩时,为了不使试样帽与试样间滑动,常 需要有一些齿嵌入试样,所以试样沿长度方向的剪应力r9也不易均匀分布。因而试样的长度要合 适。另外,由于这种试样的内外表面都覆盖橡皮膜,膜嵌入对试样体积的量测有很大影响。为了使 比表面积不小于三轴试样,其试样的尺寸一般比较大。常用的试样是内径200mm,外径250mm 高250mm。这样的试样重量很大,不易搬动。其制样程序比较复杂,量测的精度也不易保证 另一种可进行主应力方向旋转的仪器是方向剪切仪( Directional shear cel)。它是在一个方向 (常常是竖向)保持平面应变状态。另外两个方向上可同时施加正应力和剪应力,从而实现主应力 在水平面上的旋转,这对于研究应力引起的各向异性是很有用的。其原理见图1.1.19
第一章 土工试验及测试 16 这种仪器也有一些缺点。首先是空心圆柱试样沿径向其应力是不均匀的，只有试样的厚度与直 径相比很薄时，这种不均匀性才可以忽略。在两端施加扭矩时，为了不使试样帽与试样间滑动，常 需要有一些齿嵌入试样，所以试样沿长度方向的剪应力 ϑ τ z 也不易均匀分布。因而试样的长度要合 适。另外，由于这种试样的内外表面都覆盖橡皮膜，膜嵌入对试样体积的量测有很大影响。为了使 比表面积不小于三轴试样，其试样的尺寸一般比较大。常用的试样是内径 200mm，外径 250mm， 高 250mm。这样的试样重量很大，不易搬动。其制样程序比较复杂，量测的精度也不易保证。 另一种可进行主应力方向旋转的仪器是方向剪切仪（Directional shear cell）。它是在一个方向 （常常是竖向）保持平面应变状态。另外两个方向上可同时施加正应力和剪应力，从而实现主应力 在水平面上的旋转，这对于研究应力引起的各向异性是很有用的。其原理见图 1.1.19
第一章土工试验及测试 体应变Ey 0o1 0O1 b=28 空心圆柱 b=66 立方体 立方体 轴向应变ez 轴向应变 4]轴向应力a2与轴向应变Ez间试验曲线 (b)体应变cv与轴向应变2间试验曲线 b=常数的真三轴试验与空心圆柱试验的比较 Ox 可以伸长的 橡皮拉条 图11.19方向剪切仪 1.1.6共振柱试验 研究土的动力特性除了上述的动单剪试验、动三轴试验以外,共振柱试验也是一个重要手段。 共振柱试验的原理是通过激振系统,使试样发生振动,调节激振频率,直至试样发生共振。从而确 定弹性波在试样中传播的速度,计算试样的弹性模量、剪切模量和阻尼比 共振柱试验的试样可以是圆柱形的,也可以是空心圆柱形的。试样可以是一端固定,一端自由 或者一端固定,另一端为弹簧和阻尼器支承。试样在压力室中可能是各向等压应力状态;也可以是 轴向与侧向压力不等的应力状态。如图1.1.20所示
第一章 土工试验及测试 17 1.1.6 共振柱试验 研究土的动力特性除了上述的动单剪试验、动三轴试验以外，共振柱试验也是一个重要手段。 共振柱试验的原理是通过激振系统，使试样发生振动，调节激振频率，直至试样发生共振。从而确 定弹性波在试样中传播的速度，计算试样的弹性模量、剪切模量和阻尼比。 共振柱试验的试样可以是圆柱形的，也可以是空心圆柱形的。试样可以是一端固定，一端自由； 或者一端固定，另一端为弹簧和阻尼器支承。试样在压力室中可能是各向等压应力状态；也可以是 轴向与侧向压力不等的应力状态。如图 1.1.20 所示
第一章土工试验及测试 轴向荷载 气缸 气压 激振器 垂直荷载传感器 转动固定上下自由 「H 旋转轴 加速度 激振器加速度计 计 固定圆筒 上下可动的圆盘 「压力室 压力室 试样 水 空心试样 气压 排水孔 气压 (a) 排水孔 (a)各向等压共振柱(b)轴向与侧向不等压共振柱 图1120共振柱试验装置 激振可以是轴向激振,也可以是扭剪激振。在确定阻尼比时,可用自由振动和稳态激振达到试 样共振频率时,切断激振器电源使试样发生自由衰减振动从其振幅和振次关系曲线确定土的对数递 减率和阻尼比 1.2模型试验 模型试验一直是岩土工程中一种重要手段,它既用来检验各种理论分析和数值计算;也用于指 导实际工程的设计和施工。近年来陆续兴建了许多重大的岩土工程,人们对岩土工程问题的认识逐 渐深入。各种模型试验受到越来越多的重视,得到了很大的发展。 1211g下的模型试验 在通常的重力场中,在一定的边界条件下对土工建筑物或地基进行模拟,量测有关应力变形数 据,通过一定的理论计算或数据计算来检验理论计算结果,也是土的应力应变关系研究的一种手段 这种试验分为小比尺试验和足尺试验 小比尺的试验是将土工建筑物或地基及基础缩小n倍,同样自重和荷载也缩小n倍。由于土并 不是线弹性材料,在1g下小尺寸模型中(g为重力加速度)土中的应力水平很低。而在很低的围压
第一章 土工试验及测试 18 激振可以是轴向激振，也可以是扭剪激振。在确定阻尼比时，可用自由振动和稳态激振达到试 样共振频率时，切断激振器电源使试样发生自由衰减振动从其振幅和振次关系曲线确定土的对数递 减率和阻尼比。 1.2 模型试验 模型试验一直是岩土工程中一种重要手段，它既用来检验各种理论分析和数值计算；也用于指 导实际工程的设计和施工。近年来陆续兴建了许多重大的岩土工程，人们对岩土工程问题的认识逐 渐深入。各种模型试验受到越来越多的重视，得到了很大的发展。 1.2.1 1g 下的模型试验 在通常的重力场中，在一定的边界条件下对土工建筑物或地基进行模拟，量测有关应力变形数 据，通过一定的理论计算或数据计算来检验理论计算结果，也是土的应力应变关系研究的一种手段。 这种试验分为小比尺试验和足尺试验。 小比尺的试验是将土工建筑物或地基及基础缩小 n 倍，同样自重和荷载也缩小 n 倍。由于土并 不是线弹性材料，在 1g 下小尺寸模型中（g 为重力加速度）土中的应力水平很低。而在很低的围压
第一章土工试验及测试 下,土的应力、应变、强度性状与常规围压下有很大不同。比如很多土在很低围压下表现出强烈的 剪胀和应变软化特性,尤以粗粒土为甚,而在一般围压下则应力应变性质明显不同。在很低围压下 土的强度指标(如内摩擦角φ)有明显的提高,亦即强度的非线性。对于粘性土其摩擦强度与围压 大体上有线性关系,而粘聚强度则不受围压影响,小尺寸的模型无法正确的按比例缩小粘聚强度。 所以18下的小比尺试验一般意义不大。 对这种小比尺下1g试验结果如果进行数值分析,则需要进行很低围压下的试验以确定参数 这种试验难度很大,这并不容易得到准确结果 另一种1g下模型试验是足尺试验,即基本上按原型尺度模拟进行试验。这种试验可信度高, 资料十分宝贵,可直接用以指导工程设计,但造价昂贵,投资巨大。比如美国、日本都对土工合成 材料加筋构造物进行过足尺试验。在施工期间、加载期间和随后运行的很长一段时间,监测得到很 多数据,对于人们认识加筋土构造物的特性、对于检验有关本构模型和数值计算方法、对于加筋土 建筑物的设计有重大意义。图1.2.1是在美国科罗拉多( Colorado)大学进行的足尺加筋土挡土墙, 也称为丹佛墙( Denver wall)的施工情况。该墙高305m,宽1.22m,长2.08m:在一个大型模型 槽内进行试验,铺设了12层长1.68m的热粘无纺织物为筋材。墙顶用气囊加压。分别对粘性土 和砂土填料进行试验,然后曾征集到15个不同国家的大学和研究所对试验的结果进行预测,与试验 结果进行了比较 气囊 图1.21加筋挡土墙的足尺试验 Denver wall) 德国的柏林大学对浅基础进行了大量系统的足尺试验研究。对于单桩的足尺试验也比较普遍 近年来,日本和美国都在酝酿建立长宽各为十几米到二十几米的大型足尺的振动台,模拟岩土工程
第一章 土工试验及测试 19 下，土的应力、应变、强度性状与常规围压下有很大不同。比如很多土在很低围压下表现出强烈的 剪胀和应变软化特性，尤以粗粒土为甚，而在一般围压下则应力应变性质明显不同。在很低围压下 土的强度指标（如内摩擦角ϕ ）有明显的提高，亦即强度的非线性。对于粘性土其摩擦强度与围压 大体上有线性关系，而粘聚强度则不受围压影响，小尺寸的模型无法正确的按比例缩小粘聚强度。 所以 1g 下的小比尺试验一般意义不大。 对这种小比尺下 1g 试验结果如果进行数值分析，则需要进行很低围压下的试验以确定参数。 这种试验难度很大，这并不容易得到准确结果。 另一种 1g 下模型试验是足尺试验，即基本上按原型尺度模拟进行试验。这种试验可信度高， 资料十分宝贵，可直接用以指导工程设计，但造价昂贵，投资巨大。比如美国、日本都对土工合成 材料加筋构造物进行过足尺试验。在施工期间、加载期间和随后运行的很长一段时间，监测得到很 多数据，对于人们认识加筋土构造物的特性、对于检验有关本构模型和数值计算方法、对于加筋土 建筑物的设计有重大意义。图 1.2.1 是在美国科罗拉多（Clorado）大学进行的足尺加筋土挡土墙， 也称为丹佛墙（Denver wall）的施工情况。该墙高 3.05m，宽 1.22m，长 2.08m；在一个大型模型 槽内进行试验，铺设了 12 层长 1.68m 的 热粘无纺织物为筋材。墙顶用气囊加压。分别对粘性土 和砂土填料进行试验，然后曾征集到 15 个不同国家的大学和研究所对试验的结果进行预测，与试验 结果进行了比较。 德国的柏林大学对浅基础进行了大量系统的足尺试验研究。对于单桩的足尺试验也比较普遍。 近年来，日本和美国都在酝酿建立长宽各为十几米到二十几米的大型足尺的振动台，模拟岩土工程
第一章土工试验及测试 及结构工程的地震反应,拟投资上亿美元。另外,海洋钻井平台的足尺试验及大比尺试验也是不少 见的。这种不惜巨资投入进行足尺及原型试验表明了人们对于岩土工程的认识和对理论分析及数值 计算的信赖还有很大不足 12.2ng的模型试验 所谓ng模型试验就是将土工建筑物或地基与基础尺寸缩小n倍,一般采用原型材料作模型, 土的密度相同。这样可使模型与原型的应力、应变相同:破坏机理相同,变形相似。对于以重力荷 载为主的情况,尤为适用。目前有土工离心机和渗水力模型试验两种,土工离心机模型试验应用最 广泛 1.土工离心机模型试验 法国人菲利普斯( E. Phillips)早在1869年就提出使用离心机做模型试验的设想,推导了有关 相似关系。用离心机研究岩土工程问题始于20世纪30年代初。60年代以后,英国、美国和日本等 国家采用先进的技术建造了专门用于土工模型试验的离心机。到了80年代,世界上许多国家先后发 展了大型土工离心机,建立离心模型实验室,使数据采集及控制系统更加先进。我国80年代以来也 先后建成多个土工离心机实验室。其中南京水科院土工离心机容量为400g-t;北京水科院的容量达 450gt 离心机模拟法是利用离心力场提高模型的体积力,形成人工重力。当原型尺寸与模型尺寸之比 为n时(n>1),使离心机加速度a为 (12.1) 其中L为原型尺寸,L为模型尺寸,g为重力加速度。这样在保证原型与模型几何相似的前 提下,可保持它们的力学特性相似:应力应变相同:破坏机理相同;变形相似。这对于以重力为主 要荷载的岩土工程问题是十分适用的。 图1.2.2为土工离心机模型试验的示意图。试验时将模型箱放在吊篮中,通过水平旋转产生离 心力。试验中量测元件信号通过滑环输出为数据采集系统接收,输入计算机进行数据处理,也可通 过计算机系统控制试验过程。同时也可以通过闭路电视系统进行观察
第一章 土工试验及测试 20 及结构工程的地震反应，拟投资上亿美元。另外，海洋钻井平台的足尺试验及大比尺试验也是不少 见的。这种不惜巨资投入进行足尺及原型试验表明了人们对于岩土工程的认识和对理论分析及数值 计算的信赖还有很大不足。 1.2.2 ng 的模型试验 所谓 ng 模型试验就是将土工建筑物或地基与基础尺寸缩小 n 倍，一般采用原型材料作模型， 土的密度相同。这样可使模型与原型的应力、应变相同；破坏机理相同，变形相似。对于以重力荷 载为主的情况，尤为适用。目前有土工离心机和渗水力模型试验两种，土工离心机模型试验应用最 广泛。 1. 土工离心机模型试验 法国人菲利普斯（E.Phillips）早在 1869 年就提出使用离心机做模型试验的设想，推导了有关 相似关系。用离心机研究岩土工程问题始于 20 世纪 30 年代初。60 年代以后，英国、美国和日本等 国家采用先进的技术建造了专门用于土工模型试验的离心机。到了 80 年代，世界上许多国家先后发 展了大型土工离心机，建立离心模型实验室，使数据采集及控制系统更加先进。我国 80 年代以来也 先后建成多个土工离心机实验室。其中南京水科院土工离心机容量为 400g‐t；北京水科院的容量达 450g‐t。 离心机模拟法是利用离心力场提高模型的体积力，形成人工重力。当原型尺寸与模型尺寸之比 为 n 时（n>1），使离心机加速度 am 为： g ng L L a m p m = = （1.2.1） 其中 Lp 为原型尺寸， Lm 为模型尺寸， g 为重力加速度。这样在保证原型与模型几何相似的前 提下，可保持它们的力学特性相似；应力应变相同；破坏机理相同；变形相似。这对于以重力为主 要荷载的岩土工程问题是十分适用的。 图 1.2.2 为土工离心机模型试验的示意图。试验时将模型箱放在吊篮中，通过水平旋转产生离 心力。试验中量测元件信号通过滑环输出为数据采集系统接收，输入计算机进行数据处理，也可通 过计算机系统控制试验过程。同时也可以通过闭路电视系统进行观察