《有效应力原理》PPT课件.ppt

土的 有效应力原理,土,孔隙水,固体颗粒骨架,+,土是三相体系,对所受总应力，骨架和孔隙流体如何分担？,孔隙气体,+,总应力,总应力由土骨架和孔隙流体共同承受,它们如何传递和相互转化？,它们对土的变形和强度有何影响？,受外荷载作用,Terzaghi（1923） 有效应力原理 固结理论,土力学成为独立的学科,孔隙流体,粒间应力（interparticle stress）： 由骨架颗粒间接触点传递的应力。,一、太沙基饱和土有效应力原理,土体是由固体颗粒和孔隙水及空气组成的三相集合体。外荷在土体中产生的应力是通过颗粒间的接触来传递的。由颗粒间的点接触传递的应力会使土的颗粒产生变形，引起土体的变形和强度的变化，这种对土体变形和强度有效的粒间应力就称为有效应力。,1、有效应力：,2、孔隙水压力U： 如果土体中的孔隙是互相连通而又充满水，则孔隙中的水服从静水压力分布规律，这种由孔隙水传递的应力就称为孔隙水压力U。,由于孔隙水在土中一点的各方向产生的压力相等，它只能压缩土颗粒本身而不能使土颗粒产生位移，而土粒本身的压缩量是可以忽略不计的（当压力值达到600kpa时，土颗粒体积压缩5），所以不能直接引起土体变形和强度变化的孔隙水压力又称为中性压力。,3、总应力,a,a,A：,Aw：,As：,土单元的断面积,颗粒接触点的面积,孔隙水的断面积,a-a断面通过土颗粒的接触点,u：孔隙水压力,总应力等于该土体单元面积以上土、水自重和所施加的所有外荷之和。,4、饱和土中的应力形态：,PS,PSV,a,a,PS,a-a断面通过土颗粒的接触点,有效应力,u：孔隙水压力,（ As 0.03）,5、非饱和土中的应力形态：,a,a,有效应力,（ As 0.03）,Bishop（1960）等提出了修正的有效应力原理完整表达式：,对于饱和土：,对于干土：,1、X与土体饱和度成正比，也与土的类型、施加荷载的应力路线有关。 2、对粉土Sr4050，粘性土Sr85%时上式成立。 3、一般认为当土中孔隙体积的80%以上为水充满时，土中虽有少量气体存在，但大都是封闭气体，就可视为饱和土。,思考： 10米深河底和1000米深的大洋底表面一点哪一个的有效应力更大一些？,自重应力情况 （侧限应变条件）,三、饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,(1) 静水条件,地下水位,海洋土,毛细饱和区,(2) 稳定渗流条件,2. 附加应力情况,(1) 单向压缩应力状态,(2) 等向压缩应力状态,(3) 偏差应力状态,1. 自重应力情况,(1) 静水条件,地下水位,地下水位下降引起 增大的部分 (-)H2,=-u,u=wH2,u=wH2,=-u =H1+satH2-wH2 =H1+(sat-w)H2 =H1+H2,地下水位下降会引起增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因。,在静水压力以下的土层，有效应力正比于水下深度。,海洋土,(1)静水条件,wH1,wH1,=-u=wH1+satH2-wH =(sat-w)H2 =H2,在静水压力以下的土层，有效应力正比于水下深度，与其上水位高低无关,毛细饱和区,(1)静水条件,毛细饱和区,总应力,孔隙水压力,有效应力,+,-,H,h,砂层，承压水,粘土层 sat,H,h,砂层，排水,sat,(2) 稳定渗流条件,向上渗流,向下渗流,土水整体分析,A,向上渗流:,渗透压力:,土水整体分析,A,渗流压密,渗透压力:,思考题：水位骤降后，原水位到现水位之间的饱和土层用什么容重？,地下水位下降，会在土层中产生朝下的渗流，从而使有效应力增加，导致土层发生压密变形，称为渗流压密。这是引起地面沉降的又一个原因。实质上渗透力就是作用于土骨架上的有效应力。,取土骨架为隔离体,A,向上渗流:,向下渗流:,自重应力:,渗透力:,渗透力产生的应力:,渗透力产生有效应力,?,2. 附加应力情况,几种简单的情形：,外荷载,附加应力z,土骨架：有效应力,(2) 轴对称三维应力状态,(1) 侧限应力状态,孔隙水：孔隙水压力,超静孔隙水压力,(1) 侧限应力状态及一维渗流固结,实践背景：大面积均布荷载,p,不透水岩层,饱和压缩层,z=p,p,侧限应力状态,(1) 侧限应力状态及一维渗流固结,物理模型：,钢筒侧限条件 弹簧土骨架 水体孔隙水 带孔活塞排水顶面 活塞小孔渗透性大小,初始状态,边界条件,渗透固结过程,p,一般方程,p,p,附加应力:z=p 超静孔压: u = z=p 有效应力:z=0,渗透固结过程,附加应力:z=p 超静孔压: u 0,附加应力:z=p 超静孔压: u =0 有效应力:z=p,附加应力的分担作用模型：,特点： （1）侧向可变形，为轴对称三维应力状态 （2）可控制排水条件 （3） 可有多种加载路径,（2）轴对称三维应力状态,三轴试验,排水孔,滤纸,透水石,塑料顶盖,圆柱状土样,工作台,装样器,吸尔球,弹性薄膜 一些皮筋,压力杆,不固结不排水试验,固结排水试验,固结不排水试验,不固结不排水试验,从某一初始状态，阀门关闭，连接孔压传感器，施加围压不固结，量测超静孔隙水压力 u3 施加1 -时，阀门关闭，可连接孔压传感器，量测剪切过程中产生的超静孔隙水压力 u1,轴对称三维应力状态,=,+,等向压缩应力状态,偏差应力状态,封闭土样,斯开普顿解答：,等向压缩应力状态,孔隙中产生了超静孔隙水压力u3,土骨架的有效附加应力,体积V,线弹性体,当1233时,mc为土体的体积压缩系数(mpa-1),等向压缩应力状态,孔隙中流体的体积变化,孔隙流体的体积压缩系数为mn，单位孔隙水压力作用引起的体应变 对于干土： 对于饱和土：,体积V,土骨架的体变等于孔隙流体的体变V1=V2,孔隙水压力系数 B,饱和土： 干 土： 非饱和土：,B是一个反映土饱和程度的指标,孔压系数 B,孔隙流体产生了超静孔隙水压力uA,孔隙流体的体积变化,偏差应力状态,体积V,A：为偏应力作用下的孔隙水压力系数,考虑土的剪胀性，A.W.Skempton引入经验系数A代替1/3,A不是常数，随加载过程而变化,对饱和土:,剪切作用引起的孔压响应,对于线弹性体:,A=1/3,A1/3,A1/3,剪胀体：,剪缩体：,A 是一个反映土剪胀性强弱的指标，其大小与土性有关,说明：A和B并非常数，与应力增量呈非线性关系。测定A、B时设计的试验符合土体实际的受力历史。,例题： 某粘土试样进行三轴试验，在不排水的条件下施加围压29.43kpa，测得超静孔隙水压力29.43kpa，然后施加轴向压力至58.86kpa时，又测得超静孔隙水压力为44.15kpa，求A、B并判断粘土的饱和程度。,解： 329.43kpa，U329.43kpa 158.86kpa ， U44.15kpa U1= U U314.72kpa B= U3 329.4329.431 A U1(1 3)0.5,问题: 能否对孔