原位测试与土力学(高大钊)

原位测试、现场试验与土力学同济大学高大钊原位测试与现场试验两者的相同点都是在现场进行的，与土体的原始物理状态、应力状态等有关。原位测试是在土体的局部施加荷载测定土的反应以估计土的指标，如强度指标、变形指标等。现场试验是在比较大的范围内施加荷载测读土的综合反应，用于检验设计计算的正确性，测定施工过程中地基土的反应，估计宏观的指标范围以校正原位测试或室内试验的结果。这两种试验与土力学的关系1.原位测试与现场试验的基本原理大部分基于土力学的理论2.原位测试与现场试验的分析计算为土力学的计算提供参数3.原位测试与现场试验的发展离不开土力学的支撑内容一、地面荷载作用下的变形与承载能力课题二、深层荷载作用下的变形与承载能力课题三、有效应力原理与渗透固结四、轴对称圆筒扩张课题五、现场试验的试验设计地面荷载作用下的变形与承载能力课题堆载试验与平板载荷试验都是施加地面荷载的试验；测定荷载与地面变形曲线，要求高的还应有深层的变形或应力的测定；用于测定地基的承载能力；用于测定地基的变形模量。模拟建筑物加载过程平板载荷试验与工程实际的差别1.压板面积的尺寸效应2.试验的影响深度3.层状土的问题4.时间效应5.埋深影响的问题6.堆载试验可在一定程度上解决尺寸效应带来的问题地面荷载作用下的土力学问题1.Boussinesq解的应用2.基础刚度对反力分布的影响3.变形模量与压缩模量的关系4.地基承载力的弹塑性分析5.地基承载力的刚塑性分析Boussinesq解的应用什么是Boussinesq课题？Boussinesq课题是荷载作用于弹性半无限体表面，研究半无限体内的应力与变形的分布规律。平板载荷试验的变形模量的计算公式就是在Boussinesq解的基础上得到的。集中荷载作用下的地表沉降rEQs2122yxr基础刚度对底面反力分布的影响实际基础与荷载的理想分布之间存在差别；实际基础具有一定的刚度，具有扩散、分布荷载的作用；基础越柔，基础底面反力的分布越与荷载的分布趋于一致；基础越刚，反力的分布越不均匀；在荷载增加的过程中，反力分布从马鞍形变为覆钟形。反力分布图的比较柔性基础和刚性基础比较如果基础上作用着均布荷载，绝对柔性基础的反力也是均布的；但各点的沉降是不相等的，中点最大，边缘次之，角点最小。绝对刚性基础各点的沉降是相等的，但反力分布是不均匀的；在弹性阶段，中点最小，边缘次之，角点最大。反力分布图的比较绝对柔性基础沉降矩形面积上的均布荷载：角点沉降角点沉降系数m为矩形面积的长宽比021bpEscc1ln11ln122mmmmmc绝对柔性基础中点沉降0020201214pbEpbEscc20绝对柔性基础的平均沉降021,pbEAdxdyyxssmAm绝对刚性基础的沉降基础底面保持平面在中心荷载作用下021pbEsr沉降系数表圆形方形矩形（l/b）1.01.52.03.04.05.010.0100c0.640.560.680.770.890.981.051.272.0001.001.121.361.531.781.962.102.534.00m0.850.951.151.301.531.701.832.253.69r0.790.881.081.221.441.611.722.123.40偏心荷载作用下刚性基础的倾斜圆形基础矩形基础3261tandPeE3281tanbPeKE变形模量用绝对刚性基础的沉降计算的公式系数取0.79（圆形板）0.88（方形板）称为泊松比即侧膨胀系数sbpE201两种极端的情况不可压缩的液体，其侧膨胀系数＝0.5；刚体的侧膨胀系数＝0；当＝0.5时，K0＝1；当＝0时，K0＝0；泊松比与侧压力系数的理论关系001KK10K静止侧压力系数的试验室测定静止侧压力系数测定装置的基本要求：a．满足土体无侧向变形的条件b．施加在试样上的竖向力和侧向力必须符合主应力的条件c．无滞后地反映土体中的应力、应变和孔隙水压力的变化原位试验测定静止侧压力系数静止侧压力系数还可以用原位试验测定，从原理上说，旁压试验和扁铲侧胀试验都可以测定静止侧压力系数，但预钻式的旁压仪由于孔壁的应力释放和缩径，已无法恢复到原来的状态；自钻式旁压仪可以用零侧向变位的方法来计算侧压力；根据扁铲侧胀试验的资料，可以用下式计算水平应力指数KD和扁胀指数ID由扁胀指数KD求侧压力系数:mDKK35.00泊松比的经验数值土的类别及状态泊松比碎石土0.15~0.20砂土0.20~0.25粉土0.25粉质粘土坚硬状态0.25可塑状态0.30软塑及流塑状态0.35粘土坚硬状态0.25可塑状态0.35软塑及流塑状态0.45关于变形模量计算公式的讨论1.承压板是刚性还是柔性的？2.荷载作用面的标高在地面还是在基础底面？3.压板底面压力的分布是均匀分布还是不均匀的？4.对层状土的试验如何分析？5.变形模量的应力应变条件是什么？变形模量是在什么条件下应力应变关系曲线的斜率变形模量是在单轴侧向自由膨胀条件下的应力～应变关系曲线的斜率。一个非常重要的概念载荷试验时，整个土体处于侧向有限膨胀的状态；但用弹性理论计算得到的变形模量的变形条件是单元体在侧向自由膨胀的条件，完全符合胡克定律的变形条件；上述两个似乎是完全矛盾的概念，其实是统一的。压缩试验的应力条件侧向由刚性环刀制约侧向不能自由膨胀存在侧向压力压缩模量与变形模量的比较压缩模量1.侧向不能膨胀2.侧向的压力等于竖向压力乘以侧压力系数3.轴对称应力状态4.一维的变形状态变形模量1.侧向自由膨胀2.侧向压力等于零3.一维应力状态4.轴对称的变形状态压缩模量的应力应变条件1.压缩试验土样的侧向不能膨胀2.压缩试验土样的周围作用着侧压力3.压缩模量表达式0yxzyxK0zzsE变形模量的应力应变条件1.单元体的侧向应力为零2.单元体的侧向应变为3.变形模量表达式0yxzyxzzE0三向应力条件的广义胡克定律假定土是各向同性的、均匀的，即各个方向的变形模量是相同的，在各个不同的点是相等的。在土的单元体上，X、Y、Z三个方向的垂直面上作用着法向应力x、y、z将胡克定律推广到三向应力条件。E广义胡克定律yxzzE01zyxxE01xzyyE01载荷试验的变形模量计算公式就是应用广义胡克定律的弹性理论得出的：sbpE2010EyyxxzzE0对压缩试验的分析压缩试验的土样处于三向应力条件用广义胡克定律分析压缩试验0yx010zyxxE将代入上式得zyxK010K001KK考察z由压缩试验令上两式相等12121120000EKEEzzyxzzszzE0021KEEzszsssEEKEE12121200105.00压缩模量和变形模量的比较在其他条件相同时，压缩模量与变形模量哪个大？压缩模量大于变形模量，为什么？实际上有压缩模量小于变形模量的情况，为什么？用载荷试验求地基承载力的理论支持载荷试验如何模拟地基的承载性能？在地面荷载作用下，地基中应力场和应变场的变化，以及极限平衡状态的产生条件，如何用地面作用荷载来描述地基的承载性能。确定地基承载力的理论方法地基承载力的弹塑性解：弹性理论的应力解和极限平衡理论的混合解：地基承载力的刚塑性解：假定滑动体，考虑力系平衡求解。地基承载力的弹塑性解用弹性理论的结果计算地基中的应力：根据极限平衡理论分析出现极限平衡点的位置：用限制塑性区范围的方法来确定地基容许承载力：其结果是临塑荷载或p1/4称为Пузаревский课题。Flamant应力解的极坐标表达式22112sin212sin21pz223122xzzxzx22112sin212sin21px122cos2cos2pxyxzxz22tan条形分布的荷载作用下，土中主应力分布的极坐标表示：为最大主应力的作用方向与竖直线之间的夹角212131sinp2121从M点到荷载宽度边缘连线的夹角称为视角：用视角表示的主应力表达式：凡视角2相等的点其主应力也相等，土中主应力的等值线是通过荷载分布宽度两个边缘点的园。2122sin2031p2sin2021p对土体自重应力的处理考虑土体重力的影响，竖向体积力水平向应力假定侧压力系数等于1.0，由土体自重产生的主应力各个方向都相等。zczzKcx0zDDp2sin231zDp2sin231以主应力表示的极限状态条件ctgc31312121sin将极坐标表示的主应力代入极限状态条件：求出现极限状态点的深度：ctgczDDpDp22sinsinDctgcDpzsin2sin通过求导计算最大深度01sin2cos2Dpddzsin2cos22荷载与塑性区最大深度的关系DctgcctgDpz2maxcctgctgDctgctgzctgp2222max令zmax=0，得临塑荷载cNDNpcq022ctgctgNq2ctgctgNc令zmax=1/4基础宽度，得p1/4cNDNBNpcq4/124ctgN临界荷载公式的性质临塑荷载公式和p1/4公式统称为临界荷载公式：按其性质是属于容许承载力。对于砂类土，求得的地基承载力偏小：地基基础设计规范中的公式是在p1/4公式的基础上经过经验修正的公式。对理论公式的经验修正关于埋深影响的讨论1.标准试验的处理无埋深影响，试坑宽度为压板宽度的3倍：2.有埋深的试验是非标准试验；3.对承载力系数的试验研究需要修正和如何修正；4.对公式的不正确使用用于对深层土的承载力评价方法。地基承载力的刚塑性解1.假定滑动面2.假定极限状态时产生整体滑动3.根据假定给出脱离体上的力系4.考虑力系的平衡求解未知的基础底面荷载Prandtl解无体积力，底面光滑，无摩擦条件下ctgucNctgtgecp1242Reissner的补充考虑基础两侧的超载影响qtguqNtgqep242Taylor的补充考虑土体自重的影响，滑动面的形状就不再是对数螺旋曲线了，理论上无法求解析解。将自重影响用有关换算粘聚力来表示：tgtccquNccqNp2421tgBt承载力计算公式的最终结果cqucNqNBNp21124242tgetgNtg刚塑性承载力公式的性