绪论岩土工程测试技术.pptx

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1、会计学1绪论岩土工程测试技术绪论岩土工程测试技术参参 考考 教教 材材vv 徐徐徐徐 超主编超主编超主编超主编岩土工程测试技术岩土工程测试技术岩土工程测试技术岩土工程测试技术 同济大学出版社，同济大学出版社，同济大学出版社，同济大学出版社，20052005年年年年5 5月月月月vv 石石石石林珂，孙文怀等编林珂，孙文怀等编林珂，孙文怀等编林珂，孙文怀等编岩土工程原位测试岩土工程原位测试岩土工程原位测试岩土工程原位测试 郑州大学出版社，郑州大学出版社，郑州大学出版社，郑州大学出版社，20032003年年年年9 9月月月月vv 南京水利科学研究院土工研究所编著南京水利科学研究院土工研究所编著南京水

2、利科学研究院土工研究所编著南京水利科学研究院土工研究所编著土工试验技术手册土工试验技术手册土工试验技术手册土工试验技术手册 人民交通出版社，人民交通出版社，人民交通出版社，人民交通出版社，20032003年年年年4 4月月月月vv 夏才初，李永盛编著夏才初，李永盛编著夏才初，李永盛编著夏才初，李永盛编著地下工程测试理论与监测技术地下工程测试理论与监测技术地下工程测试理论与监测技术地下工程测试理论与监测技术 同济大学出版社，同济大学出版社，同济大学出版社，同济大学出版社，19991999年年年年8 8月月月月第1页/共38页 绪绪绪绪 论论论论 第一部分第一部分第一部分第一部分 室内测试室内测试

3、室内测试室内测试 第二部分第二部分第二部分第二部分 原位测试原位测试原位测试原位测试 第三部分第三部分第三部分第三部分 模型试验模型试验模型试验模型试验 第四部分第四部分第四部分第四部分 原型试验与现场监测原型试验与现场监测原型试验与现场监测原型试验与现场监测 目目 录录第2页/共38页绪绪 论论 第一节第一节第一节第一节 概述概述概述概述 第二节第二节第二节第二节 岩土测试分类岩土测试分类岩土测试分类岩土测试分类 第三节第三节第三节第三节 室内试验简介室内试验简介室内试验简介室内试验简介 第四节第四节第四节第四节 原位测试简介原位测试简介原位测试简介原位测试简介 第五节第五节第五节第五节 模

4、型试验简介模型试验简介模型试验简介模型试验简介 第六节第六节第六节第六节 原型试验与现场监测简介原型试验与现场监测简介原型试验与现场监测简介原型试验与现场监测简介 第3页/共38页1.1.岩土测试目的及意义岩土测试目的及意义岩土测试目的及意义岩土测试目的及意义 近30年来，为了解决建筑物的地基、斜坡路基、堤坝挡墙、铁路桥隧、地下工程、港口码头等各类工程的岩土问题，提出了一系列新的理论和新的设计方法。然而，新的岩土力学模型要变成工程实践，相应的测试方法也应有新的发展。如果各项岩土参数测试不正确，那么不管设计理论和方法如何先进、合理，工程的精度仍然得不到保证，所以岩土测试是从根本上保证岩土工程设计

5、安全性与经济性的重要手段。第第一一节节 概概 述述 第4页/共38页2.2.岩土测试与岩土力学的关系岩土测试与岩土力学的关系岩土测试与岩土力学的关系岩土测试与岩土力学的关系 在整个岩土工程中，岩土测试与理论计算、施工检验是相辅相成的三个环节。试验是工程规划和设计的前期工作。该项工作不仅在实践中非常重要，而且在学科理论的研究和发展中也起着决定性作用。例如早期的岩土本构模型（摩尔库仑强度理论）、渗透定律（达西定理）、压实理论等土力学理论几乎都是基于试验测试的结果。第5页/共38页 又如土的非线性应力又如土的非线性应力应变关系及应力路径的描述，使岩应变关系及应力路径的描述，使岩土工程性状的分析工作提

6、高到新的水平，它也是通过试验建立起土工程性状的分析工作提高到新的水平，它也是通过试验建立起来的。来的。因此，岩土测试在工程实践中是以岩土力学为指导的，而岩因此，岩土测试在工程实践中是以岩土力学为指导的，而岩土力学理论又要以岩土测试为依据。由此看来，岩土测试无论是土力学理论又要以岩土测试为依据。由此看来，岩土测试无论是对岩土工程还是对岩土力学的发展均占有相当重要的作用。对岩土工程还是对岩土力学的发展均占有相当重要的作用。第6页/共38页3.3.岩土测试的要求岩土测试的要求岩土测试的要求岩土测试的要求 分为三个方面：介质要求：岩石和土是天然形成的复杂材料，其性质受到很多因素的影响，如密度、含水量、

7、粒度大小、孔隙水、化学成分等。当岩土体与建筑物共同作用时，其力学性质又因受力状态、应力历史、加载速率和排水条件的不同而变得更加复杂。试验时，若考虑所有因素的影响是有一定困难的，因此，必须抓住主要因素给以简化，并以此建立试验模型。第7页/共38页方法要求：方法要求：根据试验原理，设计试验方法时，所预想的情况也是多种根据试验原理，设计试验方法时，所预想的情况也是多种多样的。例如土的强度试验，如何选定试验方法，包括剪切类多样的。例如土的强度试验，如何选定试验方法，包括剪切类型（不固结不排水剪、固结不排水剪、固结排水剪）、试验方型（不固结不排水剪、固结不排水剪、固结排水剪）、试验方法（直剪、单剪、三轴

8、）、控制形式（应力控制、应变控制）法（直剪、单剪、三轴）、控制形式（应力控制、应变控制）等。等。在在通通常常的的技技术术条条件件下下，要要进进行行适适合合各各种种情情况况的的土土工工试试验验是是有有困困难难或或者者是是不不经经济济的的，为为此此，应应将将试试验验方方法法标标准准化化。一一般般来来说说，岩岩土土的的各各种种试试验验参参数数，均均是是在在高高度度简简化化条条件件下下测测定定的的，试试验人员和设计人员对此应有充分的认识。验人员和设计人员对此应有充分的认识。第8页/共38页人员要求：人员要求：土工试验成果因试验方法和试验技巧的熟练程度不同，会有土工试验成果因试验方法和试验技巧的熟练程度

9、不同，会有较大差异。为了使土工试验能够较正确的反映实际土的性质，较大差异。为了使土工试验能够较正确的反映实际土的性质，试验人员必须掌握土工试验基本理论、基本知识和基本技能，试验人员必须掌握土工试验基本理论、基本知识和基本技能，并要经过正规培训才能上岗。并要经过正规培训才能上岗。第9页/共38页 从大的方面来说，岩土工程测试包括现场原位试验、室内土工试验、物理模型试验、原型观测技术等，在解决工程问题时，它们的内容是相互联系、相互印证的。岩土材料是最为古老而应用广泛的工程建筑材料，也是性质最复杂、多样的工程建筑材料。在实际工程中，土工试验与岩土力学研究、与工程建设的关系及其作用如图0-1所示。第第

10、二二节节 岩岩土土测测试试分分类类 1.1.试验分类及其作用试验分类及其作用试验分类及其作用试验分类及其作用 第10页/共38页图0-1 土工试验与岩土力学研究、与工程建设的关系 第11页/共38页（1）钻孔取土进行室内土工试验是工程中常用的方法，它提供了设计、研究所需要的基本物理力学性质参数；（2）原位试验方法是最有发展前途的试验方法，它可以减少或避免由于取样而带来的扰动干扰；（3）离心模型试验是一项土工整体模型试验的新技术，也是研究工程机理、检验计算理论、比选优化设计的有效方法；（4）应用原型观测技术对工程的施工及运行过程进行监测，一方面用来指导施工过程、评价工程的安全性，另一方面也是检验

11、设计计算理论、积累对工程的认知经验的必要步骤。第12页/共38页 由于岩土介质的复杂多样性，目前的岩土力学理论还不能完善的解决所有复杂的工程问题。采用原位测试与室内试验相结合，离心模型试验与数值计算相结合，原型观测和理论分析相结合的研究方法，是解决岩土工程问题的必由之路。第13页/共38页2.2.应用上的偏差与不足应用上的偏差与不足应用上的偏差与不足应用上的偏差与不足 土工试验的各项内容都是围绕一个共同的最终目的：为工程的安全性服务，为工程的经济性服务。应该说，上述原则已为越来越多的人所接受，但在实践中仍存在一些认识上的偏差，如：（1）对原位测试结果的重视程度远不及钻探取土的室内试验，在设计中

12、考虑不足。（2）对室内试验认识不充分，参数选用错误，导致工程出险。（3）对离心模型试验的认识不足，把整体模型试验与单元特性试验混为一谈，实际上将理论计算与模型试验相结合，才是作出安全节省设计的好方法。第14页/共38页（4）一些工程的监测工作，在没有深入了解工程设计意图及受力工作性能的情况下，盲目设置观测项目，没有发挥应有的作用（检验理论、完善设计、监测运行、确保安全）。（5）不能正确分析评价观测数据，以致工程失事后才发现测量数据已显示出工程处于临界状态而未及时发现。第15页/共38页1.1.室内试验的优缺点室内试验的优缺点室内试验的优缺点室内试验的优缺点 岩土的室内试验历史较长，经验也较丰富

13、。其主要优点是：（1）试验时的边界条件和排水条件清楚明了，容易控制。（2）试验中的应力路径可事先选定。（3）试样内应变场较均匀，可以控制应变速率。缺点是：（1）试验需取样，样品小，受扰动，代表性差；（2）物理力学性质指标严重“失真”；（3）一般来说，费时费力，周期长，效率第。第第三三节节 室室内内试试验验简简介介 第16页/共38页2.2.室内试验项目室内试验项目室内试验项目室内试验项目 室内试验就试验对象来说，有土工试验和岩石试验；就属性来说有物理性质试验和力学性质试验。两者的试验项目及其成果应用列于表0-1和表0-2中。第17页/共38页表0-1 室内土工试验项目一览表 第18页/共38页

14、续表0-1 室内土工试验项目一览表 第19页/共38页表0-2 室内岩石试验项目一览表 第20页/共38页1.1.定义定义定义定义 原位测试（in Suit Test），指在被测对象的原始位置，在不破坏、不扰动或少扰动岩土层的情况下，通过试验手段测定特定的物理量及岩土层的相关指标，进而根据理论分析或经验公式评定岩土的工程性能和状态。这里的岩土层包括粘性土、粉土、砂土、碎石土、软弱岩层及各种岩体。原位测试技术是岩土工程中的一个重要分支，它不仅是岩土工程勘察的重要组成部分和获得岩土体设计参数的重要手段，而且是岩土工程施工质量检验的手段，并可用于施工过程中岩土体物理力学性质及状态变化的监测。第第四四

15、节节 原原位位测测试试简简介介 第21页/共38页2.2.原位测试技术在我国的发展及现状原位测试技术在我国的发展及现状原位测试技术在我国的发展及现状原位测试技术在我国的发展及现状 工程设计中的土工计算成果的可靠性，主要取决于所选计算参数的准确性，所选参数精度的重要性远比所选用的计算方法重要得多，而在测试方法中，以原位测试最为可靠，测试成果精度最高。在大型工程勘察中，它是不可缺少的测试手段，只有这样才能进行可靠的工程设计，既不过于保守而浪费大量资金，又不过于冒险而造成安全问题。所以原位测试在我国受到越来越大的重视。第22页/共38页 以全国性勘察规范和地基基础设计规范为例。1974年，工业与民用

16、建筑地基基础设计规范(TJ774)，只在附录中列进了触探试验与单桩静载试验要点。1978年，工业与民用建筑工程地质勘察规范(TJ2177)，在正文中列进了触探、载荷和十字板试验。1990年，建筑地基基础设计规范(GBJ789)，在附录中增设了地基土载荷试验要点、岩基载荷试验要点和标准灌入与轻便触探试验要点。1995年，岩土工程勘察规范(GB50021-94)，第一次将原位测试单独列为一章，计有荷载试验、静力触探试验、圆锥动力触探试验、标准灌入试验、十字板剪切试验、旁压试验、现场剪切试验、波速测试、岩体原位应力测试及块体基础震动测试。第23页/共38页 2002年，岩土工程勘察规范（GB5002

17、1-2002），其中原位测试仍单独作为一章，内容进一步更新。此外，上世纪80年代后期以来，各行业也相应出了本行业的原位测试技术规程、行业标准。如原水电部水工试验规程（SDI2886）第二分册（原位测试部分），铁道部静力触探技术规则（TBJ37-93），建设部PY型预钻式旁压试验规程（JCJ6990）。从以上资料可看出，原位测试技术的重要性在我国正在逐渐被广泛承认，测试技术日趋成熟，相应法规日趋完善，原位测试技术将发挥越来越重要的作用。第24页/共38页3.3.常用的原位测试方法常用的原位测试方法常用的原位测试方法常用的原位测试方法 经几十年的努力，国际上已成功的发展出多种原位测试方法：（1）载

18、荷试验：包括平板载荷试验和螺旋板载荷试验，用于测定岩土的承载能力和变形特性。（2）触探试验：包括静力触探、孔压静力触探、圆锥动力触探、标准灌入试验，通过岩土体对探头的反应（阻力），间接测定和评价土的工程力学性能参数。（3）剪切试验：包括十字板剪切试验和直接剪切试验，十字板剪切主要用于测定饱和软粘土的不排水剪强度和灵敏度，直接剪切试验用于测定岩土体本身的抗剪强度或沿软弱结构面、与其他材料接触面的抗剪强度。第25页/共38页（4）侧胀试验：包括旁压试验和扁铲侧胀试验，主要用于评定土体的侧向变形性能，如静止侧压力系数、侧向基床系数等。（5）岩体原位应力测试：主要用于量测地应力场。（6）动力参数测试：

19、包括声波及弹性波波速测试和激振法测试，主要用于测定岩土体的弹性参数、动力参数和动力特性。第26页/共38页第第五五节节 模模型型试试验验简简介介1.1.模型试验的意义模型试验的意义模型试验的意义模型试验的意义 关于模型的意义，我国著名数学家华罗庚、宋健有非常经典的论述：我们把一切客观存在的事物及其运动形态统称之为实体。在自然科学中，定量研究实体特征的普遍而有成效的方法是模型法。在经典力学、量子力学、化学和近代物理学中历来如此，罕有例外。近年来，人们用模型法去研究社会领域中的一些现象，在政治、经济、军事、生态、人口等方面都有成功的范例。模型是对实体的特征和变化规律的一种定量的抽象，而且是对那些所

20、要研究的特定的特征的定量的抽象。模型能在所要研究的主题范围内更普遍、更集中、更深刻地描述实体的特征。通过建立模型而达到的抽象反映了人们对实体认识的深化，是认识论的一个飞跃。第27页/共38页 然而，模型不是实体本身，不能等同于实体任何实体都有数不清的特征，无穷尽的层次，模型不可能描述一切。能反映实体一切特征和运动规律的东西不是模型，而是实体本身 有人责备模型不能完全表达实体的一切特征，因而否定模型的价值。这些人不懂得模型的作用不在于也不可能表达实体的一切特征，而在于表达它的主要特征，特别是表达我们最需要知道的那些特征。从这个意义上讲，模型又优于实体，因为模型能更深刻和更集中地反映客观事物的主要

21、特征和规律。在科学实践的过程中，人们只能逐步地、愈来愈多地从真理的长河中获取知识，通过一二次的实践不可能完成全部认识过程，我们只能在实践中逐步改善模型，而不能苛求每个模型都必须准确地表达实体，否则，将使科学工作者寸步难行。在定量研究客观事物时，科学工作者的责任首先是建立模型以抽象实体的主要特征，其次是逐步改进模型使其能愈来愈准确地描述实体 第28页/共38页 不懂理论的人常常以为模型就等于实体，或者能完全描述实体，不懂得实践的人往往以为模型可以一次建成，或者可以一劳永逸地照顾所有可以想象到的因素去无穷逼近实体 实体与模型不吻合处正是科学工作者的用武之地。以上的论述，对模型与实体(原型)的概念、

22、特点，相互区别与相互关系，以及模型的意义进行了高度概括，富有哲理，对模型模拟科学工作有很强的指导意义。土工离心模型试验技术是近二三十年迅速发展起来的一项崭新的岩土力学和岩土工程物理模型技术，通过施加在模型上的离心惯性力使模型的容重变大，从而使模型的应力与原型一致，这样就可以用模型反映、表示原型。离心模型是各类物理模型中相似性最好的模型。我国岩土力学研究的开拓者黄文熙先生称“离心模型是土工模型试验技术发展的里程碑”。第29页/共38页 离心模型试验近年来在国内外受到广泛的重视，模型试验技术也有了飞速的发展与进步，试验的研究内容涉及了几乎所有的岩土工程研究领域，它在岩土工程、岩土力学研究中的作用与

23、意义主要表现为以下几个方面：(1)新现象的研究：研究自然现象和复杂工程结构物的工作机理和破坏机理，为建立解释这些复杂现象的理论提供定性依据；(2)模拟原型：研究实际工程问题，比选验证优化设计方案，了解工程运行状况、预测未来的运行安全性与可靠性；(3)参数研究：针对某些理论和工程设计中的关键技术参数，用离心模型可以提供非常有用的数据资料，解决工程技术难题；(4)验证新理论和新方法：用模型试验的结果验证理论与计算方法，检验数学模型。到目前为止，许多复杂的岩土工程问题，如非饱和土问题、污染介质的迁移问题、非线性破坏过程、地震反应问题等，运用计算机数值计算仍有不少困难，用模型试验却可以得到直观、清晰的

24、结果。第30页/共38页2.2.离心模型试验的发展离心模型试验的发展离心模型试验的发展离心模型试验的发展 （1）初创与探索阶段。1931年美国哥伦比亚大学的Philip Bucky发表了用离心模型试验方法研究矿山工程问题的论文。而与此同时，前苏联也进行了更大规模的离心模型试验研究。主要研究土石坝和土坡问题。从1932年之后约20年，前苏联先后建设完成了十多台离心机，研究领域涉及了土坝、土坡稳定、隧洞土压力、运河工程、沼泽软土、矿山工程、挡土墙振动土压力以及土木工程的许多领域。1950年前苏联建成了有效半径2.5m，模型尺寸80cm 50cm 40cm、最大加速度250g的土工大型离心机，可能是

25、那个时期规模最大的离心机。这个时期，前苏联在离心模型试验技术研究方面，从研究的规模、深度、广度等方面部处于世界领先水平。但由于语言以及冷战等方面的原因，世界上多数国家对前苏联的研究成果不很了解。第31页/共38页（2）发展的第二个重要阶段是从20世纪60年代中期开始的。1965年日本大阪市立大学三笠正人教授开始使用半径为1.0m的土工离心机研究软粘土在自重条件下固结特性、地基的承载能力、边坡的稳定性。在此同时英国剑桥大学的RNSchofield教授在一台小离心机上，进行了水位骤降时土坡的稳定性问题研究。1969年，第七届国际土力学与基础工程学术会议在墨西哥举行，在会上来自英国、前苏联、日本的学

26、者提交了关于离心模型试验方面的研究论文，研究内容基本上都是土边坡稳定问题。1985年国际土力学与基础工程学会在美国旧金山举办了第一次关于离心模型试验技术的专题学术研讨会，会议出版了离心模型在土力学中应用的第一本论文集。这次会议极大地推动了离心模型试验技术研究的发展，成为离心模型试验技术发展的一个新的起点。第32页/共38页（3）1985年以后，离心模型试验技术进入了一个新的大发展阶段。这个新的大发展是在前两次发展的基础上、在当代高科技新技术飞速发展的条件下形成的。主要有以下几个特点：a.离心机的建设向着大尺寸、大型化的方向发展。20世纪90年代初，我国建成了南京水利科学研究院400gt、中国水

27、利水电科学研究院450gt的大型土工离心机，1998年美国陆军工程兵师团建成了容量1256gt的超大型土工离心机，2000年日本建成了容量700gt超大型土工离心机和目前最大规模的离心机振动台。b.微电子等高新技术的发展，提供了重要的技术支撑。早期的离心模型试验只有简单的测量，获得表面变形等少量试验结果、远不能满足试验要求。20世纪80年代以后，微型传感器等大量微电子新技术成果在离心模型试验中得到应用，通过微型传感器可以获得较为可靠的位移、土压力、孔隙水压力、加速度等结果，通过激光传感器获得结构物的变形，还可以通过x光来探测模型内部土体的变形。第33页/共38页c.大量采用自动机器人、自动机器

28、手等高科技技术。出于高重力场的作用，在离心模型中采用自动机器人的技术难度很大。进入20世纪90年代以后，能模拟各种工程结构的作用力与自然作用力的自动化试验辅助装置，成为离心模型试验技术研究的热点。现在已经可以在离心模型试验中模拟土工建筑物所受到的主要作用，如地震与波浪等循环动力，通过离心机振动台可以研究地震条件下砂土地基的液化、孔隙水压力的变化规律，模拟路堤、大坝对软弱基础的施工加荷过程。还可以模拟施工过程。d.计算机技术的应用为离心模型试验技术的发展插上了翅膀。计算机技术的应用很好地解决了试验数据采集信号通过集流环传输的瓶颈问题，同时也解决了试验数据信号传输过程中容易受到干扰的技术难题。此外

29、离心机的运转过程控制、离心机振动台、各种自动机器人机器手的控制、模型变形图象的数字化处理都应用了计算机技术。第34页/共38页第第六六节节 原原型型试试验验与与现现场场监监测测简简介介 有些岩土工程由于地质条件复杂、或结构条件与荷载条件复杂，难以用理论计算方法对土体中的应力应变的变化作出精确的预计，也难以在室内模拟现场地层条件和现场载荷条件进行试验。这时可以通过原型试验为设计提供可靠的依据。原型试验就是以实际结构物为对象在现场地质条件按初步设计的荷载条件进行试验。例如软弱地基上的基础和路堤、桩基以及锚杆等，都可依据原型试验作出符合实际的正确评价。现场监测就是以实际工程作为原型试验。在施工期以及

30、施工完成后运营过程中，对整个岩土体及其上的建筑物或结构物进行位移（变形）观测、土体中的应力应变、孔隙水压力等方面的监测工作。1.1.基本概念基本概念基本概念基本概念 第35页/共38页 通过原型试验和现场监测，可以进一步检验工程勘察资料的可靠性，验证设计理论的正确性，提供施工对工程的影响、土体对建筑物影响的有关信息，观察可能发生危险的先兆，分析事故发生的原因，积累地区性的实践经验等。因此，原型试验和现场监测是岩土测试技术中重要的组成部分。（1）控制施工过程，确保施工安全；（2）为地基设计提供经验参数；（3）发现工程隐患，为修改设计方案提供依据；（4）监测工程运行情况，为安全运行提供决策依据。2.2.意义意义意义意义 第36页/共38页原型试验与现场监测按其研究对象分：1)桩基试验;2)锚杆试验；3)位移或变形的量测；4)土压力(包括支挡力)的量测；5)孔隙水压力的量测。对现场监测工作，应按其目的性，合理布置测点。否则尽管布置了众多的测点，但在不需要的点上布置了测点，而在能取得重要信息的点上却又未布置测点，这样就会大大降低监测的价值，达不到预期的目的。3.3.内容内容内容内容 第37页/共38页