高等土力学-土工试验详解.ppt

* * * 模型试验一直是岩土工程中的一种重要手段，它既用来检验各种理论分析和数值计算；也用于直接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。 总体讲，模型试验分为1g模型试验和ng模型试验 1g模型试验是指在通常的重力场中，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。 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，同时重力加速度为ng。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为广泛。 * 小比尺的试验是将土工建筑物或地基及基础缩小n倍，同样自重和荷载及应力水平也缩小n倍。由于土并不是线弹性材料，在1g下小尺寸模型中土中的应力水平很低。而在很低的围压下，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）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，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。 这张图是在美国科罗拉多（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的试验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 。 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，模拟岩土工程及结构工程的地震反应，拟投资上亿美元。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任还很不足 。 * 法国人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。所谓g－t，是试样（包括模型箱、吊篮）的总质量（t，吨）与模型的重力加速度（ng）之积。它反映了离心机的功率。 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，使离心机加速度为ng。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。 * 这张图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。 * * 土工离心机试验中的相似准则和比尺因素如表所示。 土工离心机已在岩土工程中得到了广泛的应用。用以研究挡土墙和土或者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，或者用机器人开挖。 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、