高等土力学－李广信-清华版

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1、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

2、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

3、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

4、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τ。从破坏时的σvv与τ间关系可确定土的强度包线。f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σ3＝K0σv＝K0σ1。在剪切破0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

5、的莫尔圆f，但破坏面上正应力σ=σ一直未变。v1i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（Simpleshearapparatus）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

6、，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（Torsionalorringshearapparatus）,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2第一章土工试验及测试这一类剪切试验也常被用来

7、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

8、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。v1.1.3三轴试验1930年卡蕯格兰德（A.Casagrande）研究用圆柱形试样的