6.三轴压缩试验(砂土)
三轴压缩下砂土本构关系的归一化特性及数值建模方法
第27卷增1岩石力学与工程学报 V ol.27 Supp.12008年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June ,2008收稿日期:2006–12–26;修回日期:2007–05–05作者简介:李向东(1972–,男,硕士,1994年毕业于武汉工业大学非金属专业,现任工程师,主要从事土木工程质量检测方面的教学与研究工作。
E-mail :lxdlxp@三轴压缩下砂土本构关系的归一化特性及数值建模方法李向东1,张光永1,向平方2,王靖涛1,徐辉1(1. 华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉 430074;2. 湖北省水利水电勘测设计院,湖北武汉 430070摘要:通过研究中密砂三轴压缩的试验曲线,发现其应力–应变关系曲线在常规围压范围内具有归一化特性。
选择合适的归一化指标对砂土三轴试验数据进行归一化,以归一化的试验数据为训练样本进行神经网络训练,得到比较理想的砂土神经网络本构模型。
本构模型仿真值与试验值符合较好,表明所给出的建模方法是合理的。
所提出的建模方法可以在所有试验数据的基础上自动实现概率寻优,能有效降低噪声信号的干扰,并可减小试验数据的分散造成的影响。
关键词:土力学;砂土本构关系;归一化特征;神经网络;数值建模方法中图分类号:TU 43 文献标识码:A 文章编号:1000–6915(2008增1–3082–06NORMALIZATION CHARACTERISTIC OF SANDS UNDER TRIAXIALCOMPRESSION AND NUMERICAL MODELING METHODLI Xiangdong 1,ZHANG Guangyong 1,XIANG Pingfang 2,WANG Jingtao 1,XU Hui 1(School of Civil Engineering and Mechanics ,Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan ,Hubei 430074,China ;2. Hubei Institute of Water Conversation and Hydroelectric Engineering Exploration and Design ,Wuhan ,Hubei 430070,ChinaAbstract :Study shows that there is normalization characteristic about the stress-strain curves of mediate-dense sands in the range of routine confining pressure. The triaxial test data are normalized by choosing proper normalization parameters. The neural networks are trained by regarding the normalized data as training samples ,and then the constitutive model of sand described by neural networks is obtained. The emulation value of the neural networks agrees with well ,which shows that the proposed modeling method is reasonable. It can achieve probabilistic optimization automatically based on all test data by using the modeling method ,and can reduce the interference of noise signal ,and lower the influence caused by dispersive test data.Key words :soil mechanics ;constitutive relations of sand ;normalization characteristic ;neural networks ;numerical modeling method1 引言岩土本构关系是岩土介质的固有性质。
土力学填空题
1. 土中固体颗粒是岩石风化后的碎屑物质，简称土粒，土粒集合体构成土的骨架。
2．按照起因地基中应力可分为自重应力和附加应力，附加应力是产生地基变形的主要原因。
3. 松砂土受剪其体积减缩，在高的周围压力作用下，无论砂土的松紧如何，受剪时都将减缩。
4．土的固结过程就是土中水在压力作用下，而土中水占体积缩小的过程。
5. 土的压缩模量是指土体在侧限条件下竖向附加应力与应变的比值，该值愈大表明土的压缩性可能越低。
6．如果试样在三轴压缩试验过程中含水量始终不变，该试验方法可能是固结不排水试验，总应力破坏包线为一条水平直线，得到的结果是土的不排水抗剪强度。
7．地基极限承载力是指地基剪切破坏发展即将失稳时所能承受的极限荷载。
8．朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和墙背土中各点的极限平衡条件来求解主动、被动土压力的理论。
1、地基中某点的总应力等于自重应力与附加应力之和；2、工程上按塑性指数的大小对粘性土进行分类，将粘性土分为粘土和粉质粘土；3、无粘性土坡处于极限平衡状态时，坡角与土的内摩擦角的关系是αf=45°+ψ/2 ；4、根据有效应力原理，只要土中应力路径发生变化，土体强度就发生变化；5、在双层地基中，若上层坚硬、下层软弱，则附加应力将产生应力扩散现象；6、土的压缩模量越小，其压缩性越高，土的压缩系数越大，其压缩性越高；7、已知土中某点σ1=40 kPa，σ3=20 kPa，该点最大剪应力值为20Kpa ，最大剪应力面与大主应力作用面的夹角为45 ；40，由此可推得该8、取坚硬粘土进行无侧限抗压强度试验，土样破坏时的压力为60kPa，破裂面与铅垂方向的夹角为粘土的粘聚力为25.17 kPa。
1是指Z max= 1/4b 时所对应9、对浅基础地基而言，以塑性区的最大深度Z max=0所对应的荷载被称为临塑荷载，P4的荷载；10、对一定宽度的刚性基础，控制基础构造高度的指标是刚性角；11、天然土层中同一深度处竖直面上的抗剪强度在数值上要_小于_水平面上的抗剪强度；12、对烟囱、水塔等高耸结构而言，应控制的地基变形特征是倾斜，必要时应控制平均沉降量；13、在不排水条件下饱和粘性土的孔隙压力系数B＝1，意味着改变周围压力增量只能引起孔隙水压力的变化；14、从理论上可知，一般地基承载力由三部分组成，这三部分都随土的内摩擦角的增大而增大；15、地基破坏的过程通常分为压缩阶段、_剪切阶段_和隆起阶段；16、按桩的施工方法的不同，可分预制桩和灌注桩两大类。
三轴压缩实验(DOC)
实验四 三轴压缩实验（实验性质：综合性实验）一、概述1910年摩尔（Mohr ）提出材料的破坏是剪切破坏，并指出在破坏面上的剪应力τ是为该面上法向应力σ的函数，即()f f τσ=这个函数在f τσ-坐标中是一条曲线，称为摩尔包线，如图4-1实线所示。
摩尔包线表示材料受到不同应力作用达到极限状态时，滑动面上法向应力σ与剪应力f τ的关系。
土的摩尔包线通常可以近似地用直线表示，如图4-1虚线所示，该直线方程就是库仑定律所表示的方程（c tg τσϕ=+）。
由库仑公式表示摩尔包线的土体强度理论可称为摩尔－库仑强度理论。
图4-1 摩尔包线当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏，该点也即处于极限平衡状态。
根据材料力学，设某一土体单元上作用着的大、小主应力分别为1σ和3σ，则在土体内与大主应力1σ作用面成任意角α的平面a a -上的正应力σ和剪应力τ，可用τσ-坐标系中直径为13()σσ-的摩尔应力圆上的一点（逆时针旋转2α,如图4-2中之A 点）的坐标大小来表示，即13131311()()cos 2221()sin 22σσσσσατσσα=++-=-将抗剪强度包线与摩尔应力画在同一张坐标纸上，如图4-3所示。
它们之间的关系可以有三种情况：①整个摩尔应力圆位于抗剪强度包线的下方（圆Ⅰ），说明通过该点的任意平面上的剪应力都小于土的抗剪强度，因此不会发生剪切破坏；②摩尔压力圆与抗剪强度包线相割（圆Ⅲ），表明该点某些平面上的剪应力已超过了土的抗剪强度，事实上该应力圆所代表的应力状态是不存在的；③摩尔应力圆与抗剪强度包线相切（圆Ⅱ），切点为A 点，说明在A 点所代表的平面上，剪应力正好等于土的抗剪强度，即该点处于极限平衡状态，圆Ⅱ称为极限应力圆。
图4-2 用摩尔圆表示的土体中任意点的应力 图4-3 摩尔圆与抗剪强度包线之间的关系三轴压缩实验（亦称三轴剪切实验）是以摩尔－库仑强度理论为依据而设计的三轴向加压的剪力试验，试样在某一固定周围压力3σ下，逐渐增大轴向压力1σ，直至试样破坏，据此可作出一个极限应力圆。
三轴压缩试验—不固结不排水剪实施细则
土工作业指导书三轴压缩试验—不固结不排水剪实施细则文件编号：版本号：编制：批准：生效日期：三轴压缩试验—不固结不排水剪实施细则1. 目的为了规范标准固结试验中的各个环节，特制定本细则。
2. 适用范围本试验方法适用细粒土和粒径小于20mm的粗粒土。
3. 引用文件GB/T50123-1999 土工试验方法标准。
4. 检测设备4．1本试验所用的主要仪器设备，应符合下列规定：1、应变控制式三轴仪：由压力室、轴向加压设备、周围压力系统、反压力系统、孔隙水压力量测系统、轴向变形和体积变化量测系统组成。
2、附属设备：包括击样器、饱和器、切土器、原状土分样器、切土盘、承膜筒和对开圆膜。
3、天平：称量200g，最小分度值0.01g；称量1000g，最小分度值0.1g。
4、橡皮膜：应具有弹性的乳胶膜，对直径39.1和61.8mm的试样，厚度以0.1～0.2mm为宜，对直径101mm的试样，厚度以0.2～0.3mm为宜。
5、透水板：直径与试样直径相等，其渗透系数宜大于试样的渗透系数，使用前在水中煮沸并泡于水中。
4．2试验时的仪器，应符合下列规定：1、周围压力的测量准确度应为全量程的1%，根据试样的强度大小，选择不同量程的测力计，应使最大轴向压力的准确度不低于1%。
2、孔隙水压力最测系统内的气泡应完全排除。
系统内的气泡可用纯水冲出或施加压力使气泡溶解于水，并从试样底座溢出。
整个系统的体积变化因数应小于1.5×10-5cm3/kPa。
3、管路应畅通，各连接处应无漏水，压力室活塞杆在轴套内应能滑动。
4、橡皮膜在使用前应作仔细检查，其方法是扎紧两端，向膜内充气，在水中检查，应无气泡溢出，方可使用。
5．操作步骤进行：本试验采用的试样最小直径为φ35mm，最大直径为φ101mm，试样高度宜为试样直径的2～2.5倍，试样的允许最大粒径应符合下表规定，对于有裂缝、软弱面和构造面的试样，试样直径宜大于60mm。
5．1试样的制备：5．1．1原状土试样制备。
土力学
土力学及地基基础B第1次作业一、单项选择题(只有一个选项正确，共18道小题)1. 对粒径分布曲线来说，当某一段曲线很陡时，说明该范围粒径的颗粒（）(A) 含量很低(B) 含量很高(C) 含量比较适中(D) 不能反映其含量正确答案：B解答参考：2. 下列哪个是表示土的有效粒径（）(A) d10(B) d30(C) d50(D) d60正确答案：A解答参考：3. 在下列指标中，不可能大于1的指标是( )(A) 含水量(B) 孔隙比(C) 液性指数(D) 饱和度正确答案：D解答参考：4. 影响黏性土性质的土中水主要是（）(A) 弱结合水(B) 强结合水(C) 重力水(D) 毛细水正确答案：A解答参考：5. 根据达西定律，水在土中的渗流速度与（）成正比。
(A) 水力梯度的一次方(B) 水力梯度1/2次方(C) 孔隙率(D) 水头正确答案：A解答参考：6. 若土的级配曲线很平缓，则表示（）(A) 不均匀系数小(B) 粒径分布不均匀(C) 粒径分布较均匀(D) 级配良好正确答案：B解答参考：7. 以下不属于土的三相体系的是（）(A) 颗粒(B) 水(C) 矿物(D) 气体正确答案：C解答参考：8. 若土的级配曲线很平缓，则表示（）(A) 不均匀系数小(B) 粒径分布不均匀(C) 粒径分布较均匀(D) 级配良好正确答案：B解答参考：9. 在下列指标中，不可能大于1的指标是( )(A) 含水量(B) 孔隙比(C) 液性指数(D) 饱和度正确答案：D解答参考：10. 某黏性土的塑性指数I L=0.5，则该土的软硬状态为（）(A) 硬塑(B) 可塑(C) 软塑(D) 流塑正确答案：B解答参考：11. 根据达西定律，水在土中的渗流速度与（)成正比。
(A) 水力梯度的一次方(B) 水力梯度1/2次方(C) 孔隙率(D) 水头正确答案：A解答参考：12. ( )是土的重要力学性能指标之一(A) 剪切面上荷载产生的法向应力(B) 土的抗剪强度指标(C) 剪切试验土样(D) 试验的排水条件正确答案：B解答参考：13. 影响黏性土性质的土中水主是（）(A) 弱结合水(B) 强结合水(C) 重力水(D) 毛细水正确答案：A解答参考：14. 下列哪个是表示土的有效粒径（）(A) d10(B) d30(C) d50(D) d60正确答案：B解答参考：15. 若土中某个粒径范围的颗粒很少，则在粒径分布曲线上，对应于这一范围的曲线将( )(A) 基本呈线性(B) 基本铅垂(C) 很缓(D) 很陡正确答案：C解答参考：16. 已知土体：ds=2.8 e=1 则该土的临界水力梯度为（）(A) 1.8(B) 1.4(C) 0.9(D) 2.8正确答案：C解答参考：17. 关于孔隙比的说法正确的是（）(A) 孔隙比是土中孔隙体积与土总体积的比(B) 用符号标示为e=V V/V(C) 孔隙比变化范围很大，有的大于1.0,也可以小于1.0。
砂土抗剪强度的主要影响因素及其研究现状分析
砂土抗剪强度的主要影响因素及其研究现状分析高金翎(上海大学土木工程系上海200072)中图分类号：TU441文献标识码：A文章编号：1672-7894（2013）33-0110-07摘要砂土的抗剪强度是砂土的重要力学指标之一，研究砂土的抗剪强度对于工程实践具有重要的指导意义。
研究表明，影响砂土抗剪强度的主要因素有砂土的密实度、表面粗糙度、颗粒形状、颗粒级配以及试验条件的差异等。
本文从砂土抗剪强度理论出发，分析和总结了在上述各项因素作用下砂土抗剪强度的变化规律和研究现状，并提出了目前砂土抗剪强度研究中存在的一些问题，为进一步深入研究砂土的抗剪强度问题奠定了基础。
关键词砂土抗剪强度库伦公式现状发展Analysis of the Main Factors on the Shear Strength of Sandy Soil and the Current Research Situation//Gao Jin-lingAbstract Shear strength is one of the important mechanics in-dexes of the sandy soil,so the research on the shear strength of sandy soil plays an important role in engineering practice.Several studies show that compactness,the roughness of the surface,par-ticle shape,grain size distribution and test conditions and so on have an influence on the shear strength of sandy soil.Based on the theory on the shear strength of sandy soil,this paper analyzes and summarizes the change rules and the research status of the shear strength of sandy soil under the action of the above factors. At last,the author comes up with the problems existing in the current research on the shear strength of sandy soil and lays a foundation for further researches.Key words sandy soil;shear strength;Coulomb formula;current situation;development砂土是地基土中比较常见的一种土质类型。
砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究
流动结构、稳态线和准稳态等基本概念。
“稳态强度”是指土体在稳态变形状态下可以
动用的强度，其大小决定了土体在地震中和地震后
的稳定性和永久变形[6]。
到目前为止，人们普遍接受关于“稳态变形”
的定义是 Poulos 的定义[7，8]：对颗粒材料，“稳态
变形”是指土体在常体积、常法向有效压力、常剪
应力和常应变速率下的持续变形状态。在排水或不
1.728
F5 0.074 0.027 3.1 50.7 2.68 1.123
1.682
第 24 卷 第 22 期
魏 松等. 砂土的稳态强度固结不排水三轴试验研究
• 4153 •
累积百分比/%
100 90 80
70 60 50 40 30 20 10 0 10.000
F2 砂土 F5 砂土
1.000
saturated loose sand during CU triaxial shear test
3 试验方法简介
本试验所用 F2 和 F5 砂土样分别取自土坝的坝 基和坝体部位，为固结不排水三轴试验。砂土样的 物理性质指标及颗分曲线分别见表 1 和图 3。
试验步骤和方法：(1) 砂土样采用湿击样法制 备(根据文[14]，该法可以得到较大范围孔隙比的试 样)，试样直径 D = 3.91 cm、高 h = 8 cm，分 5 层击 实；(2) 采用试样在压力室内抽气饱和的方法[15]，
200
100
0
0
200
400
600
p′/%
(c) F2 砂土样(ρd= 1.40 g/cm3)
400 围压/kPa
100
300
200
300
400 200
三轴压缩实验
实验四 三轴压缩实验（实验性质：综合性实验）一、概述1910年摩尔（Mohr ）提出材料的破坏是剪切破坏，并指出在破坏面上的剪应力τ是为该面上法向应力σ的函数，即()f f τσ=这个函数在f τσ-坐标中是一条曲线，称为摩尔包线，如图4-1实线所示。
摩尔包线表示材料受到不同应力作用达到极限状态时，滑动面上法向应力σ与剪应力f τ的关系。
土的摩尔包线通常可以近似地用直线表示，如图4-1虚线所示，该直线方程就是库仑定律所表示的方程（c tg τσϕ=+）。
由库仑公式表示摩尔包线的土体强度理论可称为摩尔－库仑强度理论。
图4-1 摩尔包线当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏，该点也即处于极限平衡状态。
根据材料力学，设某一土体单元上作用着的大、小主应力分别为1σ和3σ，则在土体内与大主应力1σ作用面成任意角α的平面a a -上的正应力σ和剪应力τ，可用τσ-坐标系中直径为13()σσ-的摩尔应力圆上的一点（逆时针旋转2α,如图4-2中之A 点）的坐标大小来表示，即13131311()()cos 2221()sin 22σσσσσατσσα=++-=-将抗剪强度包线与摩尔应力画在同一张坐标纸上，如图4-3所示。
它们之间的关系可以有三种情况：①整个摩尔应力圆位于抗剪强度包线的下方（圆Ⅰ），说明通过该点的任意平面上的剪应力都小于土的抗剪强度，因此不会发生剪切破坏；②摩尔压力圆与抗剪强度包线相割（圆Ⅲ），表明该点某些平面上的剪应力已超过了土的抗剪强度，事实上该应力圆所代表的应力状态是不存在的；③摩尔应力圆与抗剪强度包线相切（圆Ⅱ），切点为A 点，说明在A 点所代表的平面上，剪应力正好等于土的抗剪强度，即该点处于极限平衡状态，圆Ⅱ称为极限应力圆。
图4-2 用摩尔圆表示的土体中任意点的应力 图4-3 摩尔圆与抗剪强度包线之间的关系三轴压缩实验（亦称三轴剪切实验）是以摩尔－库仑强度理论为依据而设计的三轴向加压的剪力试验，试样在某一固定周围压力3σ下，逐渐增大轴向压力1σ，直至试样破坏，据此可作出一个极限应力圆。
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六、三轴压缩实验
（一）实验目的
三轴压缩实验是测定土的抗剪强度的一种方法。
堤坝填方、路堑、岸坡等是否稳定，挡土墙和建筑物地基是否能承受一定的荷载，都与土的抗剪强度有密切的关系。
（二）实验原理
土的抗剪强度是土体抵抗破坏的极限能力，即土体在各向主应力的作用下，在某一应力面上的剪应力（τ）与法向应力（σ）之比达到某一比值，土体就将沿该面发生剪切破坏。
常规的三轴压缩实验是取4个圆柱体试样，分别在其四周施加不同的周围压力（即小主应力）σ3，随后逐渐增加轴向压力（即大主应力）σ1直至破坏为止。
根据破坏时的大主应力与小主应力分别绘制莫尔圆，莫尔圆的切线就是剪应力与法向应力的关系曲线。
三轴压缩实验适用于测定粘性土和砂性土的总抗剪强度参数和有效抗剪强度参数，可分为不固结不排水实验（UU ）；固结不排水实验（CU ）和固结排水实验（CD ）。
本演示实验进行干砂的固结不排水实验。
（三）实验设备
1．三轴仪：包括轴向加压系统、压力室、周围压力系统、孔隙压力测量系统和试样变形量测系统等。
（如附图1所示）
2．其它：击样器、承膜筒等。
（四）实验步骤
1．试样制备：将橡皮膜下端套在压力室的底座上，放置好成样模具，使橡皮膜紧贴模具内侧；称取一定质量的干砂（烘干冷却），使砂分批通过漏斗落入橡皮膜内，如需制备较密实的砂样，用木锤轻击土样至所需密度。
2．试样安装：装上土样帽，给试样施加一定的负压力，拆除成样模具；使传压活塞与土样帽接触。
3．固结实验：进行两个试样的实验，分别施加100、400Kpa 的周围压力，数据采集系统自动采集试样的体积变形数据。
4．剪切实验：采用应变控制方式进行剪切实验，剪切应变速率取每分钟0.1％～0.5％，实验过程数据采集系统自动采集轴向力和体积变形数据，直至轴向应变为10％时为止。
8．实验结束：停机并卸除周围压力，然后拆除试样，描述试样破坏时形状。
（五）实验注意事项
实验前，橡皮膜要检查是否有漏洞。
（六）计算与绘图
1．试样面积剪切时校正值：
01
1a A A ε=- 式中：
ε1—轴向应变（％）
2. 绘制每个实验的轴向应变－偏应力关系曲线，及轴向应变－体应变关系曲线。
3．绘制应力圆及强度包线
以法向应力σ为横坐标，剪应力τ为纵坐标。
在横坐标上以（σ1f +σ3f ）/2为圆心，（σ1f －σ3f ）/2为半径，绘制破坏应力圆，并确定砂土的内摩擦角'φ。
（七）讨论
已知两个实验中砂土的初始密度相同，讨论在不同围压下排水剪切实验中所表现出来的剪胀性是否相同？（土体的剪胀性是否只由密度决定？围压对砂土的剪胀性有何影响？）
图1、三轴仪。