3.2 高等土力学模型试验

土力学模型试验研究土力学是研究土体力学性质和变形规律的科学，其研究内容包括土体的强度、变形、稳定性、渗透等。

为了更好地研究土力学的本质，我们需要进行土力学模型试验。

土力学模型试验是基于土工学理论和土力学性质，通过模拟实际土体，建立合适的模型试验系统，对土体进行有针对性地试验研究。

模型试验可分为物理模型试验和数值模型试验两种。

其中物理模型试验指利用真实的土样或减小比例制作的模型样品进行试验，包括夯实试验、三轴压缩试验、剪切试验等。

数值模型试验则是利用计算机等数值模拟软件对土体进行数值模拟分析，包括有限元法、离散元法等。

本文主要探讨物理模型试验在土力学研究中的应用。

首先，物理模型试验具有直观性。

不同于数值模型试验需要结合计算机等设备进行模拟分析，物理模型试验将真实的土体直观地呈现在研究者面前，使其更加具有感性的认知。

同时，由于物理模型试验采用真实的土样或模型样品，其实验结果更加可靠，是研究土力学性质和变形规律的重要手段。

其次，物理模型试验对土力学实际工程应用具有重要意义。

在土力学实际工程中，如何处理不同土体的力学性质和变形规律长期以来都是研究者们需要面对的问题。

模型试验通过对土体的模拟实验，使研究者能更好地了解土体在不同应力下的力学性质和变形规律，为土工学领域的工程实践提供有力的理论支撑。

最后，物理模型试验还可用于对土体改良技术的验证。

如现在常用的土钉加固改良，就需要对其在实际工程中的加固效果进行验证。

通过物理模型试验，研究者可以模拟不同种类的土体，在不同条件下进行土钉加固，对其加固效果进行全面的研究评估。

这有助于选择更加科学合理的土体加固方法，提高土工学实际工程应用的成功率。

综上所述，物理模型试验在土力学研究中具有极其重要的意义。

通过模拟实际土体，建立合适的模型试验系统，进行有针对性的试验研究，可以更好地解决土力学领域的问题。

相信通过不断的研究探讨，物理模型试验在土力学研究中将发挥更大的作用，为我国土工学领域的进步发展提供有力的支持和保障。

1修正剑桥模型介绍土体本构理论是岩土工程学科的重要基础理论。

随着对土体力学特性的不断深入，塑性理论逐渐被应用于土体本构关系的研究中来。

Roscoe 于1963 年提出著名的剑桥粘土模型，是应用塑性理论的代表，被看做现代土力学的开端，在本构理论研究发展过程中, 各种建模思想不断涌现，出现了各种不同形式的土体本构模型，但弹塑性模型中得到公认的还只有剑桥模型。

现在国际岩土本构的一大发展趋势是又回到剑桥模型，在剑桥模型基础上进行改进和修正，修正剑桥模型是由罗斯科（Roscoe）和伯兰特（Burland）于1968年对剑桥模型作了修正后提出的一个土的弹塑性模型。

主要是对剑桥模型的弹头形屈服面形状作了修正，认为屈服面轨迹应为椭圆。

修正后的模型通常称为修正剑桥模型。

随后又修正了剑桥模型认为在完全状态边界面内土体变形是完全弹性的观点。

认为在完全状态边界面内，当剪应力增加时，虽不产生塑性体积变形，但产生塑性剪切变形。

这可认为是对修正剑桥模型的再次修正。

剑桥模型是英国剑桥大学的Roscoe和Burland根据正常固结粘土和弱超固结粘土的三轴试验，采用状态边界面的概念，由塑性理论的流动法则和塑性势理论，采用简单曲线配合法，建立塑性与硬化定律的函数。

它考虑了静水压力屈服特性、压硬性、剪缩性，但破坏面有尖角，该点的塑性应变方向不易确定。

其假定的弹性墙内加载仍会产生塑性变形。

原始的剑桥模型中存在一个缺点，即p'轴上各向同性压缩的屈服点p'的屈服面正交方x向（塑性流动方向）与水平坐标轴方向不一致。

这会导致各向同性加载（初始固结）所产生的塑性（体积）应变增量方向（它应该与水平坐标p'轴的方向一致）与屈服面的正交方向（塑性流动方向）不一致，如图1所示，图中虚线为原始剑桥模型的屈服面。

这是原始剑桥模型的屈服面与试验结果不一致的地方，也是该屈服面不足的地方。

图1 原始剑桥模型和修正剑桥模型在点处的流动情况纵观剑桥模型40 多年的发展，总结其局限性主要有：（1）受制于经典塑性理论，采用Drucker公设和相关联的流动法则，在很多情况下与岩土工程实际状态不符；破坏面有尖角，该点的塑性应变方向不易确定。

高等土力学Advanced Soil Mechanics§1 土工试验及测试一、土工试验的目的和意义（1）揭示土的一般的或特有的物理力学性质；（2）针对具体土样的试验，揭示区域性土、特殊土、人工复合土的物理力学性质；（3）确定理论计算和工程设计参数；（4）验证计算理论的正确性及实用性；（5）原位测试、原型监测直接为土木工程服务，也是分析和实现信息化施工的手段。

二、土工试验的分类土工试验包括：①室内试验：如容重试验、含水量试验、直剪试验、无侧限压缩试验等。

②原型测试：平板荷载试验、静力触探、十字板剪切试验等③模型试验（模拟试验）：足尺试验，加筋挡土墙的足尺试验等④原型监测：深基坑开挖工程监测、隧道施工监测、软土上路堤沉降监测等§1.1 室内试验§1.1.1 直剪试验大小是变化的，方向是旋转的。

⑵多环单剪仪单剪仪中，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。

静三轴试验（三轴压缩试验）是测定土的抗剪强度的一种方法。

它通常用3-4个圆柱形试样，分别在不同的恒定周围压力（σ3）下，施加轴向压力，即主应力差（σ1-σ3），进行剪切直到破坏；然后根据摩尔-库伦理论，求得抗剪强度参数。

适用于测定细粒土及砂类土的总抗剪强度参数及有效抗剪强度参数。

试验主题词：周围压力；轴向压力；不固结不排水剪；固结不排水剪；固结排水剪。

优点：①可以完整地反映试样受力变形直到破坏的全过程；②可以模拟不同工况，进行一些不同应力路径的试验；③可以很好地控制排水条件；④不排水条件下还可以量测试样的超静孔隙水压力。

主要缺点：两个主应力σ2，σ3总是相等。

静三轴试验试样的应力状态§1.1.4 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。

土力学试验总结土力学试验是土壤工程学中的一项重要内容，通过试验可以获取土壤的一些基本力学性质参数，为土力学分析和工程设计提供依据。

本文将对土力学试验的目的和意义、试验方法与步骤、试验结果的处理和分析以及试验中存在的问题进行总结。

一、目的和意义1.1 目的土力学试验的目的是通过一定的试验手段获取土壤的一些基本力学参数，包括土体的力学性质（如抗压强度、弹性模量等）和变形特性（如压缩性、剪切性等），为土力学分析和工程设计提供依据。

1.2 意义土力学试验的意义主要体现在以下几个方面：（1）为工程设计和施工提供依据。

通过土力学试验可以了解土体的力学性质和变形特性，为工程设计和施工提供可靠的参数和数据，减少工程风险。

（2）为土体力学模型的建立和验证提供依据。

土力学试验可以对土体力学性质进行研究和分析，为建立土体力学模型和验证模型的正确性提供准确的参数和数据。

（3）为土力学理论的研究提供依据。

通过土力学试验可以获取大量的实验数据，为土力学理论的研究和发展提供实验依据和参考。

二、试验方法与步骤2.1 试验方法土力学试验主要包括压缩试验、剪切试验和抗拉试验等。

压缩试验是研究土体的压缩性和变形特性的一种试验方法；剪切试验是研究土体的剪切性和抗剪强度的一种试验方法；抗拉试验是研究土体的拉伸性能和抗拉强度的一种试验方法。

2.2 试验步骤土力学试验的一般步骤包括试验前的试样制备、试验操作和数据采集、试验后的数据处理与分析等。

试验前的试样制备：根据需要，按照规定的尺寸和要求制备试样，通常采用土样取自现场或人工制备试样。

试验操作和数据采集：将试样放入试验仪器中，施加加载或位移，记录试验仪器显示的加载或位移数值，同时记录相应的载荷或位移读数。

试验后的数据处理与分析：对试验所得的数据进行整理、统计和分析，得到试验结果。

根据试验结果，可以计算土体的力学性质参数，并进行力学性质分析和变形特性研究。

三、试验结果的处理与分析根据试验所得的数据，我们可以进行试验结果的处理和分析，主要包括力学性质参数的计算和土体力学性质的分析。

土木工程中的土体力学试验与模拟在土木工程中，土体力学试验与模拟是非常重要的一项工作。

通过试验与模拟，我们可以了解土体的力学性质，为工程设计和施工提供有效的依据。

本文将介绍土体力学试验与模拟的基本概念、方法和应用。

一、土体力学试验的基本概念与方法1.1 土体力学试验的概念土体力学试验是指通过对土体进行一系列负载和变形观测，获取土体力学性质及变形特征的试验研究。

通过试验可以得到土体的强度、变形模量、压缩性能、剪切特性等重要参数，为工程设计和施工提供可靠的基础数据。

1.2 土体力学试验的方法（1）直剪试验：用于测定土体的抗剪强度和剪切特性。

试验过程中，将土样分为两块，一块固定，另一块施加水平力，通过测量土样的应变和剪切力，计算土体的剪切强度。

（2）压缩试验：用于测定土体的压缩性能和压缩模量。

试验过程中，施加垂直应力，测量土样的应变和应力，通过绘制应力-应变曲线，计算土体的压缩模量和极限压缩强度。

（3）三轴试验：用于模拟土体在不同应力状态下的力学行为。

通过施加压力和剪切力，观测土样的应变和应力，计算土体的各向异性、抗剪强度和变形特征。

二、土体力学试验的应用2.1 工程设计中的应用土体力学试验结果可以为工程设计提供可靠依据。

通过试验可以确定土体在不同荷载作用下的变形特征和稳定性，指导工程设计师进行结构设计和承载力评估。

2.2 施工过程中的应用土体力学试验可以帮助施工人员了解土体的工程性质，制定合理的施工方案。

通过试验结果，可以选择适当的施工方法，避免土体失稳和变形过大的风险，确保工程的安全可靠。

2.3 土体改良中的应用土体力学试验可以评估土体改良效果，指导土体改良工程的方案选择和施工方法。

通过试验可以确定改良材料的影响效果和合理使用比例，提高土体的力学性能和工程可利用性。

三、土体力学模拟的基本概念与方法3.1 土体力学模拟的概念土体力学模拟是通过数值模拟软件对土体力学问题进行仿真研究。

通过构建数学模型和边界条件，模拟土体在不同荷载和环境作用下的力学响应，从而预测工程行为及其影响。

《土力学》试验指导书重庆交心二００八年七月目录前言 (2)实验一土工参数测试综合试验 (3)(一)、土样制备 (3)(二)、含水量试验 (4)(三)、密度试验 (5)(四)、比重试验 (6)(五)、固结试验 (7)(六)、直接剪切试验 (9)实验二颗粒分析试验 (12)实验三液限和塑限试验 (14)3.1搓条法及平衡锥法 (14)3.2液限塑限联合测定法 (16)实验四滲透试验 (18)实验五载荷试验 (20)实验六击实试验 (22)实验七三轴试验 (23)前言本试验指导书适用于土木工程、港口航道与海岸工程、水利水电等专业的本科生、研究生使用。

本试验是《土力学》课程的重要实践教学环节。

该试验指导书包括以下内容：土工参数测试综合试验、颗粒分析试验、液限和塑限试验、滲透试验、击实试验、载荷试验、三轴试验等试验项目，通过上述试验可以让学生熟悉各种仪器设备在试验项目中的使用方法，锻炼学生的试验基本技能，掌握试验内容和试验的基本方法，培养学生的动手能力及综合分析问题和解决问题的能力，使学生知道为什么要做这些试验，试验参数在工程设计和施工中如何应用，为今后的实际工程设计、施工和研究工作奠定了坚实的基础。

本指导书主要依据中华人民共和国行业标准《公路土工试验规程》JTJ051-93和ＪＴＧＥ４０－２００７，中华人民共和国国家标准《岩土工程勘察规范》GB50021-2001、中华人民共和国行业标准《公路工程地质勘察规范》JTJ 064-98等国家和行业标准，并结合工程实践经验及教材特点编制而成。

由于编者水平有限，若有不当之处，请批评指正。

二00八年七月实验一土工参数测试综合试验(一)、土样制备1.概述土样的制备是获得正确的试验成果的前提，为保证试验成果的可靠性以及试验数据的可比性，应严格按照规程要求的程序进行制备。

土样制备可分为原状土和扰动土的制备。

本试验主要讲扰动土的制备。

扰动土的制备程序则主要包括取样、风干、碾散、过筛、制备等程序，这些程序步骤的正确与否，都会直接影响到试验成果的可靠性，土样的制备都融合在今后的每个试验项目中。

土工试验包括室内试验、原位测试、模型试验和原位监测直剪试验(剪切面上主应力是旋转的，剪切面是人为确定的，试样应力和应变不均匀，试样内各点应力状态及应力路径不同，边界上存在应力集中，不能控制排水)单剪试验(可测排水与排水，剪应变均匀)环剪试验(剪切面积不变，适合量测大变形后土的残余强度或终极强度)3围压增加,应力增量引起体积应变增量越来越小,土被压密，称压硬性，膜嵌入：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, 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；也与室压的变化有关,常规三轴排水室压不变化,对体积量测影响不大,但对于三轴不排水试验，因为其有效围压随孔压变化对量测的孔压有较大影响。

大型高压三轴, 相似模拟, 剔除法, 替代法,混合法，模型试验在通常的重力场中，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，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。

另一种是足尺试验，按原型尺度模拟进行试验。

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，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. 罗德角是主应力空间主应力和偏应力分量(八面体剪应力或偏应力第二不变量)夹角。

第一章土工试验及测试1.1室内试验1.2模型试验1.3原位测试与现场观测1.4 试验的检验与验证第一章土工试验及测试 1.2模型试验)1g的试验：•小比尺模型试验•足尺试验（n=1))n g的模型试验：•离心机模型试验•渗水力模型试验土工模型试验亿美元振动台离心力模拟重力，使模型内的应力和应变条件同现场一致ng 土工模型试验土工离心机模型试验（Centrifuge ）)优点：应力应变相等；变形相似；破坏机理及现象相同)缺点：应力场不均匀；材料模拟：土颗粒、薄板片；比尺的不一致；有时边界条件难以模拟)发展：固结、入桩、冻土、基坑开挖、坝体填筑、地震、降雨、喷锚….平衡重吊篮转臂转轴滑环闭路电视计算机数采系统ng 土工模型试验清华大学50gT土工离心机和振动台ng土工模型试验土工离心机试验中的比尺因素土的限制，地面齐平，饱和土ng 土工模型试验渗水力模型试验第一章土工试验及测试 1.2 模型试验-ng 模型试验突出优点是它的设备是静态的，ng 条件下沉桩等比较方便。

明显的局限性：只能做饱和土体试验；地面是水平的；土的渗透系数过大和过小都影响试验精度和造成操作困难。

原位测试与现场观测)平板载荷试验)静力触探)动力触探)十字板剪切试验)旁压试验)螺旋载荷板（SPC ）与钻孔剪切仪（BST ）)物探试验)原型观测spb E 1(−=oa 段：平板载荷试验糯扎渡现场碾压平板载荷试验静力触探Static Sounding （Static Cone Penetration Test)将金属探头用静力压入土中，通过测定探头所受阻力，分析确定土的某些定量指标。

如砂土的密实度、粘土的不排水强度等 单桥探头：测定总阻力双桥探头：分别测定锥底和侧壁阻力动力触探Dynamic Penetration Test动力触探是用一定重量的击锤，从规定高度自由落下，击打插入土中的探头，测定使探头贯入土中一定深度所需要的击数。

以此确定被测土的物理力学性质。

《高等土力学》考试大纲100分满分
课程名称：高等土力学
一、考试的总体要求
本门课程的主要考察学生对土力学的基本概念、基本原理和基本技术方法的掌握程度。

要求学生掌握土工试验及测试技术，熟悉土的本构关系；掌握土的强度理论以及地基应力与建筑物沉降，熟悉土的渗透特性。

二、考试的内容及比例
1.土工试验及测试（1～15％）
（1）掌握直剪、单剪、侧限压缩试验原理与方法
（2）熟悉三轴试验原理与方法
（3）熟悉模型试验原理与方法
（4）熟悉现场测试类型与方法
2.土的本构关系（1～20％）
（1）掌握土的应力应变特性
（2）熟悉邓肯—张(Duncan—Chang)双曲线模型参数确定与方法
（3）熟悉土的弹塑性模型的一般原理
（4）了解剑桥模型(Cam-Clay)
（5）了解土的结构性及土的损伤模型
3.土的强度（1～25％）
（1）掌握土的抗剪强度的机理
（2）熟悉土的强度与土的物理性质
（3）熟悉影响土的强度外部条件
（4）掌握土的排水与不排水强度
（5）了解土的强度理论
4.土中水与土的渗透及其计算（1～15％）
（1）熟悉渗流的工程意义
（2）熟悉土中水的形态及其对土性的影响
（3）掌握土的渗透性
（4）熟悉渗透力与渗透变形及其防治、渗流条件下土坡的稳定5.土的压缩与固结（1～25％）
（1）掌握土的压缩及其主要影响因素
（2）掌握地基沉降的原因和类型
（3）熟悉瞬时沉降和次固结沉降
（4）熟悉地基沉降计算
（5）熟悉单向固结的普遍方程与太沙基固结理论。