國內(nèi)外土工單元試驗經(jīng)驗分享課件

國內(nèi)外土工單元試驗經(jīng)驗分享俞翔

4/12/2024目錄物理特性試驗（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，相對密度（relativedensity,Dr）狀態(tài)參數(shù)（thestateparameter,Y）單元試驗（elementtests）固結(jié)試驗（consolidationtests）分級加載（incrementalloading）機械式PIDRowecell恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗解讀剪切試驗（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、動力解讀通過三軸試驗獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）運動場剪（stadiumsheartest）物理特性試驗（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，相對密度（relativedensity,Dr）狀態(tài)參數(shù)（thestateparameter,Y）物理特性試驗（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中國物理特性試驗（indextests）顆分/hydrometer（PSD,d10,d30,d50,d60）物理特性試驗（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，相對密度（relativedensity,Dr）狀態(tài)參數(shù)（thestateparameter,Y）物理特性試驗（indextests）滲透系數(shù)（permeability,k）常水頭滲透實驗常規(guī)三軸滲透變水頭滲透試驗頂反壓（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（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，相對密度（relativedensity,Dr）狀態(tài)參數(shù)（thestateparameter,Y）物理特性試驗（indextests）含水率（w,wL,wP,wop）界限含水率測定方法圓錐儀（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的一個方法：往干土中加少量水揉搓使水分均勻捏成土團用拇指按入土團中線，如能將其分成較為完整的兩塊，則此時含水率為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（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，相對密度（relativedensity,Dr）狀態(tài)參數(shù)（thestateparameter,Y）物理特性試驗（indextests）最大最小干密度，相對密度（relativedensity,Dr）最大、小干密度量筒法（wL,wP）振動錘擊法（wL）相對密度（Dr）Lunneetal.(2019)相對密度不是一個有效的描述顆粒狀態(tài)的指標！挪威巖土所德國標準美國標準丹麥標準英國標準輝固標準（荷蘭）中密疏松物理特性試驗（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)理論和模型試驗領(lǐng)域。平均有效應(yīng)力,p’孔隙比,e極限狀態(tài)線（CSL）當前孔隙比,e對應(yīng)相同

p’的孔隙比,ec物理特性試驗（indextests）單元試驗（elementtests）固結(jié)試驗（consolidationtests）分級加載（incrementalloading）機械式PID恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗解讀剪切試驗（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、動力解讀通過三軸試驗獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）運動場剪（stadiumsheartest）固結(jié)試驗（consolidationtests）分級加載（incrementalloading）機械式PIDRowecell恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗解讀剪切試驗（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、動力解讀通過三軸試驗獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）運動場剪（stadiumsheartest）單元試驗（elementtests）固結(jié)試驗

分級加載

機械式存在的問題：初級加載壓縮量大/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孔隙水壓力和固結(jié)系數(shù)難以施加s’v>1MPa,該壓力對獲得砂土的正常壓縮曲線（NCL）很重要單元試驗（elementtests）固結(jié)試驗

分級加載

PID解決的問題：初級加載壓縮量大/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孔隙水壓力和固結(jié)系數(shù)難以施加s’v>1MPa,該壓力對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（elementtests）固結(jié)試驗

分級加載

Rowecell解決的問題：初級加載壓縮量大/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孔隙水壓力和固結(jié)系數(shù)難以施加s’v>1MPa,該壓力對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?？紫端畨毫鞲衅?2cm燒結(jié)多孔銅板液壓系統(tǒng)單元試驗（elementtests）固結(jié)試驗

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

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（elementtests）固結(jié)試驗

試驗解讀壓縮系數(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（elementtests）固結(jié)試驗

試驗解讀：無黏性土NCL很難達到，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（elementtests）固結(jié)試驗

試驗解讀：黏性土固結(jié)系數(shù)Cv豎向應(yīng)力~應(yīng)變關(guān)系時間抵抗~時間關(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（elementtests）固結(jié)試驗（consolidationtests）分級加載（incrementalloading）機械式PIDRowecell恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗解讀剪切試驗（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、動力解讀通過三軸試驗獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）運動場剪（stadiumsheartest）單元試驗（elementtests）剪切試驗

直剪（directshear）豎向力施加水平力豎向位移（剪脹測量）測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松散密實松散峰值強度殘余強度剪脹角摩擦角

單元試驗（elementtests）剪切試驗

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；土體在最危險面破壞;理想排水狀況。Pottsetal.(1987)Finiteelementanalysisofthedirectshearboxtest單元試驗（elementtests）剪切試驗

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。對于黏性土，由于孔隙水壓力未知，這三種試驗都是部分排水！王洪緒等（2018）江蘇沿海飽和粉土三軸試驗的研究單元試驗（elementtests）固結(jié)試驗（consolidationtests）分級加載（incrementalloading）機械式PIDRowecell恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗解讀剪切試驗（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、動力解讀通過三軸試驗獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）空心扭剪試驗（hollowcylindertest）運動場剪（stadiumsheartest）單元試驗（elementtests）剪切試驗

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

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（elementtests）剪切試驗

單剪（directsimpleshear,DSS）Cambridgetype通過側(cè)面邊界來加載剪應(yīng)變。移動上下邊界，和上下邊界鉸接的側(cè)面邊界就會自動旋轉(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（elementtests）剪切試驗

單剪（directsimpleshear,DSS）典型試驗結(jié)果常用于研究土體在不排水條件下的動力特性，如海上風(fēng)機基礎(chǔ)/錨在風(fēng)/波浪荷載作用下的強度演化。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?。患魬?yīng)變幅值不斷增大；剪切剛度不斷減小；應(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（elementtests）固結(jié)試驗（consolidationtests）分級加載（incrementalloading）機械式PIDRowecell恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗解讀剪切試驗（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、動力解讀通過三軸試驗獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）空心扭剪試驗（hollowcylindertest）運動場剪（stadiumsheartest）單元試驗（elementtests）剪切試驗

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

∞=0對于深部巖土體（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（elementtests）固結(jié)試驗（consolidationtests）分級加載（incrementalloading）機械式PIDRowecell恒定速率加載（constantrateofstrain）三軸固結(jié)試驗解讀剪切試驗（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、動力解讀通過三軸試驗獲得極限狀態(tài)線參數(shù)（CSLparameters）環(huán)剪（ringsheartest）空心扭剪試驗（hollowcylindertest）運動場剪（stadiumsheartest）單元試驗（elementtests）剪切試驗

三軸剪（triaxialtest）可實現(xiàn)對土單元各向正應(yīng)力/應(yīng)變、體積應(yīng)變及孔隙水壓力的靜、動控制。真三軸三軸試驗偽三軸靜三軸動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（elementtests）剪切試驗

三軸剪（triaxialtest）真三軸位移傳感器壓力室加載機構(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（elementtests）剪切試驗

三軸剪（triaxialtest）試驗流程制樣飽和固結(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（elementtests）剪切試驗

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

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

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

三軸剪（triaxialtest）

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