第一章土工试验及测试 图122土工离心机 1转轴2.转臂3吊篮4电动机及整流系统5转动轴 6.变速齿箱7平衡重8滑环9闭路电视10计算机数据采集系统 土工离心机己在岩土工程中得到广泛的应用。用以研究挡土墙和土与结构物间相互 作用问题、岩土髙边坡问题、堤坝路基等填方工程、地下结构和基坑开挖问题、浅基础 桩基础和深基础问题。目前已经可以模拟在运行中施工过程。比如在运行中打桩施工: 让密度接近于土的液体逐渐从模型基坑中流岀模拟基坑开挖过程等。最近,利用土工离 心机模拟地震、爆破等动力问题得到很大重视和很大发展。许多离心机上都装置了振动 台用以研究岩土工程的地震反应。另一个发展较快的领域是环境方面的课题研究。包括 介质扩散、热传播、污染问题、寒区冻土问题等。另一方面,土工离心机模型试验也广 泛用于渗透固结、应力应变关系、边坡稳定分析等岩土理论方面的研究。成为岩土工程 中最为重要的模型试验手段 土工离心机试验中的相似准则和比尺因素如表12所示
第一章 土工试验及测试 21 土工离心机已在岩土工程中得到广泛的应用。用以研究挡土墙和土与结构物间相互 作用问题、岩土高边坡问题、堤坝路基等填方工程、地下结构和基坑开挖问题、浅基础、 桩基础和深基础问题。目前已经可以模拟在运行中施工过程。比如在运行中打桩施工； 让密度接近于土的液体逐渐从模型基坑中流出模拟基坑开挖过程等。最近，利用土工离 心机模拟地震、爆破等动力问题得到很大重视和很大发展。许多离心机上都装置了振动 台用以研究岩土工程的地震反应。另一个发展较快的领域是环境方面的课题研究。包括 介质扩散、热传播、污染问题、寒区冻土问题等。另一方面，土工离心机模型试验也广 泛用于渗透固结、应力应变关系、边坡稳定分析等岩土理论方面的研究。成为岩土工程 中最为重要的模型试验手段。 土工离心机试验中的相似准则和比尺因素如表 1.2 所示
第一章土工试验及测试 表12土工离心试验中的比尺因素 序号变量符号无量纲数 模型率 比尺因素 加速度 模型长度 密度 N 孔隙比 7液体密度 8a表面张力 o (padl) N=NoN,NGNE 8b毛细管高度 N=NN NN= 1/n 粘滞性 滲透性 kn/(d pa) NkN NN,N= 10颗粒摩擦力 11颗粒强度 。NNN 12粘聚力 NeN.N,N NN12N12= 15时间:层流 tk/ 1/n 16时间:蠕变 N 但土工离心机模型试验也有其局限性。首先是试验材料的模拟问题。一般是原型和模型使用相 同材料,土料也是如此。但对于如堆石坝中的堆石料需要采用如图1.,1.11介绍的方法模拟。另外, 在制样中如何保证土料要求的密度和均匀性也是很难的技术,并且土料的密度对其性质影响很大 岩石材料一般就无法用天然岩石,而用石膏与胶凝等材料配置,模拟天然岩石的节理裂隙等。另外, 像土工合成材料,薄混凝土板材等如将原型按比例减少,一般无法制造。所以也是按一定刚度和强 度要求用其它材料代替。 另外,就是模拟原型的误差。土料本身的模拟困难很大,除了土的密度和均匀度以外对于天然 原状土的结构性也很难在模型中反映。另外的误差从则来自这种方法本身,如模型本身自重与模拟 的重力场方向不同;模型各点半径不同而使模拟的重力各点不同:尺寸效应使土的强度发生变化 小尺寸模型的比表面积大,周边摩擦影响也大。 最后,一个问题就是在同一个试验中,有些物理量的比尺因素在不同问题中不同。在表1.2中 可见同样是时间,在惯性力情况下比尺因素为1/n。对于渗流固结等问题为1/n2,对于蠕变为1。 如果这些问题同时发生,则很难正确模拟 2.渗水力模型试验
第一章 土工试验及测试 22 但土工离心机模型试验也有其局限性。首先是试验材料的模拟问题。一般是原型和模型使用相 同材料，土料也是如此。但对于如堆石坝中的堆石料需要采用如图 1.1.11 介绍的方法模拟。另外， 在制样中如何保证土料要求的密度和均匀性也是很难的技术，并且土料的密度对其性质影响很大。 岩石材料一般就无法用天然岩石，而用石膏与胶凝等材料配置，模拟天然岩石的节理裂隙等。另外， 像土工合成材料，薄混凝土板材等如将原型按比例减少，一般无法制造。所以也是按一定刚度和强 度要求用其它材料代替。 另外，就是模拟原型的误差。土料本身的模拟困难很大，除了土的密度和均匀度以外对于天然 原状土的结构性也很难在模型中反映。另外的误差从则来自这种方法本身，如模型本身自重与模拟 的重力场方向不同；模型各点半径不同而使模拟的重力各点不同；尺寸效应使土的强度发生变化； 小尺寸模型的比表面积大，周边摩擦影响也大。 最后，一个问题就是在同一个试验中，有些物理量的比尺因素在不同问题中不同。在表 1.2 中 可见同样是时间，在惯性力情况下比尺因素为1/ n 。对于渗流固结等问题为 2 1/ n ，对于蠕变为 1。 如果这些问题同时发生，则很难正确模拟。 2. 渗水力模型试验
第一章土工试验及测试 渗水力模型试验是另一种ng模型试验。它的原理是用水在土中向下的渗透力j=yi这一体积 力模拟重力。从而达到模型尺寸缩小n倍而土中应力应变与原型一致的目的。图123是这种试验设 备的简图。图124是其原理图 ①)量力环 位移计 活塞 接室压表 供压力水 mAum 模型 粉砂 尾水管 世水∥ 压力室 土样 接尾压量测系统 轴仪底座 图124渗水力模型试验原理图 图1.23渗水力模型试验设备简图 从图1.2.4可见,在向下的渗透力作用下,模型土体向下的重力为 (1.21) 如果y≈yn,则模型比为n=i+1 渗水力模型试验已经用于天然地基的浅基础、桩基础等问题的硏究。它的突出优点是它的设备 是静态的,所在ng条件下沉桩等比较方便。但它也有很明显的局限性:只能做饱和土体试验;地面 是水平的:土的渗透系数过大和过小都影响试验精度和造成操作困难。 1.3现场测试与原型观测 原状土的室内试验,首先必须现场取样,这样就会产生扰动:有的土(如砂土)取得原状土样 十分困难。所以现场测试土的有关参数是工程中常用的方法。同样,原型观测比模型试验更贴近真 实,得到的资料也更宝贵 13.1平板载荷试验 平板载荷试验是用一定尺寸的载荷板在指定土层上逐级加载,同时量测相应沉降。其加载简图 和典型曲线见图1.3.1。以得到的p-s曲线确定极限地基承载力p。变形模量通过下式计算: E= pb(1-u2) 其中,P为p-s曲线接近直线段(oa)上压强值(kPa),s为相应的沉降;b为荷载板宽度 U为土的泊松比:Ⅰ为反映荷载板形状和刚度的系数。可见从此公式不能同时确定E和U两个参数
第一章 土工试验及测试 23 渗水力模型试验是另一种 ng 模型试验。它的原理是用水在土中向下的渗透力 j i w = γ 这一体积 力模拟重力。从而达到模型尺寸缩小 n 倍而土中应力应变与原型一致的目的。图 1.2.3 是这种试验设 备的简图。图 1.2.4 是其原理图。 从图 1.2.4 可见，在向下的渗透力作用下，模型土体向下的重力为: ' ' γ = γ + γ w n i (1.2.1) 如果 w γ ≈ γ ' ，则模型比为 n = i +1。 渗水力模型试验已经用于天然地基的浅基础、桩基础等问题的研究。它的突出优点是它的设备 是静态的，所在 ng 条件下沉桩等比较方便。但它也有很明显的局限性：只能做饱和土体试验；地面 是水平的；土的渗透系数过大和过小都影响试验精度和造成操作困难。 1.3 现场测试与原型观测 原状土的室内试验，首先必须现场取样，这样就会产生扰动；有的土（如砂土）取得原状土样 十分困难。所以现场测试土的有关参数是工程中常用的方法。同样，原型观测比模型试验更贴近真 实，得到的资料也更宝贵。 1.3.1 平板载荷试验 平板载荷试验是用一定尺寸的载荷板在指定土层上逐级加载，同时量测相应沉降。其加载简图 和典型曲线见图 1.3.1。以得到的 p − s 曲线确定极限地基承载力 pu 。变形模量通过下式计算： I s pb E (1 ) 2 −υ = (1.3.1) 其中， p 为 p − s 曲线接近直线段（oa）上压强值（kPa），s 为相应的沉降；b 为荷载板宽度； υ 为土的泊松比；I 为反映荷载板形状和刚度的系数。可见从此公式不能同时确定 E 和υ 两个参数
第一章土工试验及测试 堆载 百分表 压力表 千斤顶 荷载板 (b)P~s曲线 (a)试验简图 图1.3.1平板载荷试验 1.3.2静力触探 静力触探是将金属探头用静力压入土中,测定探头所受到的阻力,通过以往试验资料和理论分 析,得到比贯入阻力与土的某些物理力学性质间的关系,定量地确定土的某些指标。如砂土的密实 度、粘土的不排水强度、土的压缩模量、地基承载力及单桩的侧阻力和端阻力等 静力触探形式很多,大型的必须在现场用机械操作。图1.3.2为在现场使用的单桥和双桥式探 头,前者只量测贯入过程锥头所受的总阻力Q,若锥底面积为A,则总比贯入阻力为: P3 (1.3.2) A 双桥探头能分别测定锥底的总阻力Q和侧壁摩阻力Q2,单位面积上锥头阻力和侧壁阻力分别 为 (1.34) 式中s为探头侧壁摩擦筒表面积。常用锥底面积A=15cm;侧壁表面积s=300cm的双桥 探头。近年来,静力触探的探头有很大改进,比如装置了孔压传感器及数据自动采集等
第一章 土工试验及测试 24 1.3.2 静力触探 静力触探是将金属探头用静力压入土中，测定探头所受到的阻力，通过以往试验资料和理论分 析，得到比贯入阻力与土的某些物理力学性质间的关系，定量地确定土的某些指标。如砂土的密实 度、粘土的不排水强度、土的压缩模量、地基承载力及单桩的侧阻力和端阻力等。 静力触探形式很多，大型的必须在现场用机械操作。图 1.3.2 为在现场使用的单桥和双桥式探 头，前者只量测贯入过程锥头所受的总阻力Q ,若锥底面积为 A ，则总比贯入阻力为： A Q ps = (1.3.2) 双桥探头能分别测定锥底的总阻力Qp 和侧壁摩阻力Qs ，单位面积上锥头阻力和侧壁阻力分别 为: A Q q p p = (1.3.3) s Q q s s = (1.3.4) 式中 s 为探头侧壁摩擦筒表面积。常用锥底面积 2 A = 15cm ；侧壁表面积 2 s = 300cm 的双桥 探头。近年来，静力触探的探头有很大改进，比如装置了孔压传感器及数据自动采集等
第一章土工试验及测试 空心柱 (f传感器) 顶柱 传感器竖侧摩擦套筒 空心柱 传感器 顶 传感器 (户传感器) 顶柱 图1.32野外静力触探探头 图13、3为两种袖珍静力触探仪,可在试样取样筒中直接测出饱和软粘土的不排水抗剪强度 也可以对室内试样进行量测。 粘土不排水 强度读数 《器 (a)叶轮式 (b)贯入式 图1.3.3两种袖珍触探设备 1.3.3动力触探 动力触探是用一定重量的击锤,从一定高度自由落下,击打插入土中的探头,测定使探头贯入 土中一定深度所需要的击数。以此击数确定被测土的物理力学性质。按使用土层不同可分为以下几 种动力触探试验
第一章 土工试验及测试 25 图 1.3.3 为两种袖珍静力触探仪，可在试样取样筒中直接测出饱和软粘土的不排水抗剪强度， 也可以对室内试样进行量测。 1.3.3 动力触探 动力触探是用一定重量的击锤，从一定高度自由落下，击打插入土中的探头，测定使探头贯入 土中一定深度所需要的击数。以此击数确定被测土的物理力学性质。按使用土层不同可分为以下几 种动力触探试验：