《高等土力学》第一章 土工试验及测试

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

第一章土工试验及测试 (1)各向等压(静水压缩)(HC, Hydrostatic compression)试验 在这种试验中,在三轴压力室中用静水压力通过橡皮膜向试样施加室压σ。这时试样应力状态 为σ1=σ2=σ3=σ。不断增加室压,同时量测试样的体积变化。在承德中密砂上进行的静水压 缩试验结果见图1.17 可见这种试验中随着围压σ。=P的增加,同样应力增量引起的体应变增量越来越小,这是由 于土逐渐被压密的结果,常被称为土的压硬性。在卸载时试样发生回弹,再加载的曲线并不完全与 卸载曲线重合,产生滞回圈。当进行不排水试验时,可量测试样孔压,试样孔压与施加室压之比 △G 就是孔压系数B,B的大小表示土的饱和程度 (2)常规三轴压缩(CTc: Conventional triaxial compression)试验 有时也简称为三轴试验。在这种试验中,一般试样是首先等向固结(HC)到一定围压σ_,然 后保持σ不变,增加轴向应力直至破坏。试验中b=0或=-30° (3)常规三轴伸长( CTE: Conventional Triaxial Extension)试验 在这种试验中,试样一般首先被等向固结,然后在保持轴向应力¤a不变的情况下,逐渐增加 室压使σ。=σ1=σ2,σa=σ3,试样被挤长,所以有时也被称为“挤长试验”。这种试验中,轴向加 载活塞与试样帽之间要有一定连接。尽管试样帽上部施加的是拉力,但试样帽下部受压,实际上σ 仍然是正值。在试验中,b=1.0或=30°。 (4)平均主应力P为常数的三轴压缩( TC: Triaxial compression)和三轴伸长(TE: Triaxial extension)试验。 由于保持平均主应力P=常数,所以在TC试验中轴向为大主应力G=O1,在O增加同时,围 压σ减少:Δσ。=-Δσa12。从而使P保持不变(见式1.1.1)。最后试样被压缩而破坏。在这种 试验中日=-30°或b=0 在TE试验中,轴向应力Ga=O3为小主应力,在减小轴向应力的同时,增加室压G。,使 Δσ,=-2Δσ,使P保持不变。试样被挤长,最后伸长破坏。试验中θ=30°或b=1.0。 (5)减压的三轴压缩(RTC: Reduced triaxial compression)试验 试样一般首先在一定应力状态下被固结。试验中轴向应力为大主应力σa=O1,并保持不变 围压σ逐渐减小,即△a2=△a3=△。<0。试样由于围压减小而被轴向压缩,对于粘土,当初 始σ_足够大时,试样可被压缩破坏。对于砂土则与初始围压大小无关,都会发生减压压缩破坏。试 验中日=-30°或b=0 6

第一章    土工试验及测试 6 (1)    各向等压（静水压缩）（HC，Hydrostatic compression）试验 在这种试验中，在三轴压力室中用静水压力通过橡皮膜向试样施加室压σ c 。这时试样应力状态 为σ 1 = σ 2 = σ 3 = σ c 。不断增加室压，同时量测试样的体积变化。在承德中密砂上进行的静水压 缩试验结果见图 1.1.7。 可见这种试验中随着围压σ c = p 的增加，同样应力增量引起的体应变增量越来越小，这是由 于土逐渐被压密的结果，常被称为土的压硬性。在卸载时试样发生回弹，再加载的曲线并不完全与 卸载曲线重合，产生滞回圈。当进行不排水试验时，可量测试样孔压，试样孔压与施加室压之比 c u ∆σ ∆ 就是孔压系数 B，B 的大小表示土的饱和程度。 (2)    常规三轴压缩（CTC:Conventional triaxial compression）试验 有时也简称为三轴试验。在这种试验中，一般试样是首先等向固结（HC）到一定围压σ c ，然 后保持σ c 不变，增加轴向应力直至破坏。试验中b = 0 或θ = −30°。 (3)    常规三轴伸长（CTE:Conventional Triaxial Extension）试验 在这种试验中，试样一般首先被等向固结，然后在保持轴向应力σ a 不变的情况下，逐渐增加 室压使σ c = σ 1 = σ 2 , σ a = σ 3 ,试样被挤长，所以有时也被称为“挤长试验”。这种试验中，轴向加 载活塞与试样帽之间要有一定连接。尽管试样帽上部施加的是拉力，但试样帽下部受压，实际上σ a 仍然是正值。在试验中，b=1.0 或 o θ = 30 。 (4)    平均主应力 p 为常数的三轴压缩（TC:Triaxial compression）和三轴伸长（TE:Triaxial extension）试验。 由于保持平均主应力 p=常数，所以在 TC 试验中轴向为大主应力σ a = σ 1 ,在σ a 增加同时，围 压σ c 减少： ∆σ c = −∆σ a / 2 。从而使 p 保持不变（见式 1.1.1）。最后试样被压缩而破坏。在这种 试验中 o θ = −30 或 b=0。 在 TE 试验中，轴向应力σ a = σ 3 为小主应力，在减小轴向应力的同时，增加室压σ c ，使 ∆σ a = −2∆σ c ，使 P 保持不变。试样被挤长，最后伸长破坏。试验中 o θ = 30 或 b=1.0。 (5)    减压的三轴压缩（RTC：Reduced triaxial compression）试验 试样一般首先在一定应力状态下被固结。试验中轴向应力为大主应力σ a = σ 1 ，并保持不变， 围压σ c 逐渐减小，即 ∆σ 2 = ∆σ 3 = ∆σ c < 0。试样由于围压减小而被轴向压缩，对于粘土，当初 始σ c 足够大时，试样可被压缩破坏。对于砂土则与初始围压大小无关，都会发生减压压缩破坏。试 验中 o θ = −30 或 b=0

第一章土工试验及测试 (6)减载的三轴伸长(RTE: Reduced triaxial extension)试验 试样首先在σ下等向压缩固结,然后保持室压G不变,轴向σ减小,即△a3= Δσ1=Δσ2=Δσ。=0,试样被轴向伸长,可达到破坏。由于室压不变,试样伸长,所以这种试验 也被称为三轴伸长试验。这时=30°或b=10。当σ30)和卸载回弹(△En<0)的 CTE CTC TE TC, TE. SS: p=136kpa CTC,CTE:0=81. 6kpa 图11.8不同应力路径三轴试验 各种三轴试验的应力路径见图118,各应力状态特性见表1-1。 7

第一章    土工试验及测试 7 (6)    减载的三轴伸长（RTE：Reduced triaxial extension）试验 试样首先在σ c 下等向压缩固结，然后保持室压σ c 不变，轴向σ a 减小，即 ∆σ 3 = ∆σ a 0 ）和卸载回弹（ ∆ε v < 0 ）的。      各种三轴试验的应力路径见图 1.1.8，各应力状态特性见表 1‐1

第一章土工试验及测试 表1-1不同应力路径的三轴试验应力特点(加载时 验 HC CTC CTE TC RTC RTE 名称|静水压缩常规三常规三轴三轴压缩|三轴伸长|减压三轴减压三轴三轴等比 (各向等)轴压缩伸长挤(p=e) 主要应三个主应围压不轴向应力平均主应平均主应轴向应力围压不变常应力比 力特点力相等 力不变力不变不变 o/o =k d。"ok △ △o/k b() 0°1(30°)0(-30°)|1630°0(30°)|130°0(309 2.三轴试验的一些问题 尽管三轴试验应力状态比较简单,边界影响也不是很严重,但仍存在一些问题。 (1)边界条件的影响 由于顶帽和底座与试样间的摩擦力,使试样两端存在剪应力,从而形成对试样的附加约束,这 样在压缩试验中试样破坏时呈鼓形而拉伸试验时试样呈腰鼓形(颈缩)。这使试样中应力、应变不均 匀,同时使周围压力σ变化。有人对此进行专门研究和采用滚珠、润滑来消除端部约束。改变顶帽 和底座形状消除变形不均匀。另一个约束来自于橡皮膜对试验的约束,它也等于增加了室压σ。另 外,当进行很小室压三轴试验时,试样与顶帽的自重,压力室静水压力加压活塞的自重及它与活塞 轴套间摩擦等因素的影响也都应考虑。像制样时过度拉伸橡皮膜,也可产生对试样的附加轴向应力 砂土制样施加真空增加有效围压。 (2)关于体应变及孔压量测 对于饱和土试样的排水试验,可通过与试样连通的量水管量测试样体积变化。而对于非饱和土, 可以通过量测压力室的体积变化(扣除加压活塞移动引起的体积变化)。这时,一般压力室分为内外 两室,充满相同压力的水,量测内筒内体积的变化可推算试样体积的变化 对于粗粒土,压力室的压力水会使橡皮膜嵌入试样表面,形成麻面,亦即膜嵌入的影响 ( Membrane penetration)对于均匀的粗粒土,在室压变化情况下,它对试验的体变量测影响很大 使量测的试样体积压缩量放大了。这一影响与试样的密度、颗粒尺寸和形状及土的级配有关;与膜 厚度和模量有关;也与室压σ的变化有关。人们力图用不同方法率定或消除这一影响。对于常规三

第一章    土工试验及测试 8 2. 三轴试验的一些问题 尽管三轴试验应力状态比较简单，边界影响也不是很严重，但仍存在一些问题。 (1)    边界条件的影响 由于顶帽和底座与试样间的摩擦力，使试样两端存在剪应力，从而形成对试样的附加约束，这 样在压缩试验中试样破坏时呈鼓形而拉伸试验时试样呈腰鼓形（颈缩）。这使试样中应力、应变不均 匀，同时使周围压力σ c 变化。有人对此进行专门研究和采用滚珠、润滑来消除端部约束。改变顶帽 和底座形状消除变形不均匀。另一个约束来自于橡皮膜对试验的约束，它也等于增加了室压σ c 。另 外，当进行很小室压三轴试验时，试样与顶帽的自重，压力室静水压力加压活塞的自重及它与活塞 轴套间摩擦等因素的影响也都应考虑。像制样时过度拉伸橡皮膜，也可产生对试样的附加轴向应力； 砂土制样施加真空增加有效围压。 (2)    关于体应变及孔压量测 对于饱和土试样的排水试验，可通过与试样连通的量水管量测试样体积变化。而对于非饱和土， 可以通过量测压力室的体积变化（扣除加压活塞移动引起的体积变化）。这时，一般压力室分为内外 两室，充满相同压力的水，量测内筒内体积的变化可推算试样体积的变化。 对于粗粒土，压力室的压力水会使橡皮膜嵌入试样表面，形成麻面，亦即膜嵌入的影响 （Membrane penetration）。对于均匀的粗粒土，在室压变化情况下，它对试验的体变量测影响很大， 使量测的试样体积压缩量放大了。这一影响与试样的密度、颗粒尺寸和形状及土的级配有关；与膜 厚度和模量有关；也与室压σ c 的变化有关。人们力图用不同方法率定或消除这一影响。对于常规三

第一章土工试验及测试 轴排水试验,由于室压a=G3是不变化的,所以它对剪切过程中试验体积量测影响不大。但对于 三轴不排水试验,因为其有效围压随孔压变化而变化,它对量测的孔压有较大影响。 图1.1.9(a)表示在试样固结之后情况,其中阴影的部分表示的是膜嵌入造成的附加的体积压缩 由于膜嵌入,使量测的体变比实际体变大。图1.1.9(b)则表示在施加偏差应力σ1-σ3之后,试样 内产生正孔压△,作用在膜上的有效围压为σ3'=σa-△,与图(a)相比,则膜嵌入深度减少了(即 膜向后回弹),这就意味着试样发生膨胀,骨架的这种膨胀趋势使量测的孔压Δu变小。所以膜嵌入 一般使量测的正孔压偏小。反之在试样发生较强烈剪胀性的情况,会使量测的负孔压加大(绝对值 减小)。 为减小三轴试验的误差,人们采用了各种措施来消除或者量测以率定以上的影响。 △u<0 图1.1.9膜嵌入对孔压量测的影响 3.动三轴试验 为了模拟循环加载情况下土的动力特性,人们在常规静三轴仪基础上,在轴向増加激振系统 其激振方式有电磁力、气(液)压力、惯性力等。后来发展可以在轴压和室压两向分别激振。动三 轴试样的应力状态和典型试验曲线见图1.1.10。用这种试验可从确定土的动模量、阻尼比、动强度 和确定饱和土的抗液化剪应力等。 9

第一章    土工试验及测试 9 轴排水试验，由于室压 ' σ c = σ 3 是不变化的，所以它对剪切过程中试验体积量测影响不大。但对于 三轴不排水试验，因为其有效围压随孔压变化而变化，它对量测的孔压有较大影响。 图 1.1.9(a)表示在试样固结之后情况，其中阴影的部分表示的是膜嵌入造成的附加的体积压缩。 由于膜嵌入，使量测的体变比实际体变大。图 1.1.9（b）则表示在施加偏差应力σ 1 −σ 3 之后，试样 内产生正孔压 ∆u ，作用在膜上的有效围压为σ 3 '= σ c − ∆u ，与图(a)相比，则膜嵌入深度减少了（即 膜向后回弹），这就意味着试样发生膨胀，骨架的这种膨胀趋势使量测的孔压 ∆u 变小。所以膜嵌入 一般使量测的正孔压偏小。反之在试样发生较强烈剪胀性的情况，会使量测的负孔压加大（绝对值 减小）。 为减小三轴试验的误差，人们采用了各种措施来消除或者量测以率定以上的影响。 3. 动三轴试验 为了模拟循环加载情况下土的动力特性，人们在常规静三轴仪基础上，在轴向增加激振系统。 其激振方式有电磁力、气（液）压力、惯性力等。后来发展可以在轴压和室压两向分别激振。动三 轴试样的应力状态和典型试验曲线见图 1.1.10。用这种试验可从确定土的动模量、阻尼比、动强度 和确定饱和土的抗液化剪应力等

第一章土工试验及测试 d^A∽ 骨干曲线 0 样 饱和、不排水条件 m 回曲线 (a)试样应力状态 图1110动三轴试验 4.大型高压三轴仪 近年来在深覆盖层上的高土石坝发展很快,尤其大型混凝土面板堆石坝应用广泛。这种坝型对 于坝体的变形十分敏感,其数值计算需要用三轴试验确定堆石料的模型参数。这种坝料最大粒径可 达一米以上,并且由于最大坝高可为200米或更高,因而需要大型高压的三轴仪。根据研究三轴试 样的直径应大于最大粒径4-6倍。即dm=(-)D,D为试样直径。这样需要试样直径达几米 的三轴仪。目前这么大三轴仪是不现实的。我国的大型三轴仪试样直径有300mm、600mm和700mn 最大室压a3达到几MPa 这种三轴试验的关键问题是如何模拟原型料。通常采用的方法有: 1.相似模拟。它是将原型粒的每一粒组按固定的比例缩小若干倍,保持与原型料几何相似 使最大粒径为试样直径的1/5左右。其缺点是常会将堆石料变成砂砾料,甚至将粗粒土变 成细粒土。 2.剔除法。是将大于dm部分的土料剔除掉。而把剩余的部分作为试验材料。一般只有超过 dm的粒径所占比例很小时(小于10%)才使用此法。 3.替代法。亦称等量替代法。它是以dα以下的一定范围的粒组按比例等量替代超过d-的 部分。它保持了细粒土的含量不变 4.混合法。可将以上方法混合使用 图1.1.11是对某种原型料用三种方法进行模拟得到的级配曲线。用不同方法模拟的土料一般较 难达到堆石坝的现场密度。常需用相对密度来模拟

第一章    土工试验及测试 10 4. 大型高压三轴仪 近年来在深覆盖层上的高土石坝发展很快，尤其大型混凝土面板堆石坝应用广泛。这种坝型对 于坝体的变形十分敏感，其数值计算需要用三轴试验确定堆石料的模型参数。这种坝料最大粒径可 达一米以上，并且由于最大坝高可为 200 米或更高，因而需要大型高压的三轴仪。根据研究三轴试 样的直径应大于最大粒径 4－6 倍。即 d )D 6 1 4 1 ( max = − ，D 为试样直径。这样需要试样直径达几米 的三轴仪。目前这么大三轴仪是不现实的。我国的大型三轴仪试样直径有300mm、600mm和700mm。 最大室压σ 3达到几 MPa。 这种三轴试验的关键问题是如何模拟原型料。通常采用的方法有： 1. 相似模拟。它是将原型粒的每一粒组按固定的比例缩小若干倍，保持与原型料几何相似。 使最大粒径为试样直径的 1/5 左右。其缺点是常会将堆石料变成砂砾料，甚至将粗粒土变 成细粒土。 2. 剔除法。是将大于 dmax 部分的土料剔除掉。而把剩余的部分作为试验材料。一般只有超过 dmax 的粒径所占比例很小时（小于 10%）才使用此法。 3. 替代法。亦称等量替代法。它是以 dmax 以下的一定范围的粒组按比例等量替代超过 dmax 的 部分。它保持了细粒土的含量不变。 4. 混合法。可将以上方法混合使用。 图 1.1.11 是对某种原型料用三种方法进行模拟得到的级配曲线。用不同方法模拟的土料一般较 难达到堆石坝的现场密度。常需用相对密度来模拟