岩土力学课件--第五节有效应力

第五节有效应力原理本节要求1.掌握饱和土有效应力原理的基本概念;2.理解非饱和土有效应力原理;3.掌握渗流稳定条件下土体中的有效应力计算4.本节难点为轴对称三维应力状态孔压系数的概念及其计算方法 土的有效应力原理是土力学理论中最重要的概念之一，无论是研究土的强度或变形，有效应力的概念是贯穿始终的。由于土是一种三相材料，其性质与连续固体材料有着显著的不同。可以说有效应力原理的提出和应用阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力关系上的重大区别，是使土力学成为一门独立学科的重要标志。 饱和土是由固体颗粒构成的骨架和充满其间的水组成的两相体，受外力后由两种应力形式承担:粒间应力：土骨架承担，由颗粒之间的接触传递孔隙水压力：孔隙水承担，由连通的孔隙水传递一.有效应力原理的基本概念(一)饱和土中的两种应力形态 孔隙水压力包括两类:静孔隙水压力静水条件和稳定渗流条件这两种情况都是水位不随时间发生变化，所以有（2）超静孔隙水压力由外荷载引起的超静孔隙水压力随随时间发生变化，所以有光盘中动画2-1反映孔隙水压力与有效应力的关系（工程应用：地基处理方法排水固结法） 有效应力原理基本公式推导图3-42中横截面a-a，面积为A，孔隙被水所充满，由于孔隙是连续的，所以孔隙水也是连续的，并且与地下水自由连通。当上部作用应力时，在a-a截面上应有孔隙水压力和固体颗粒之间的接触应力与之平衡。在颗粒接触点，存在粒间力，Ps，Ps的大小和方向是随机的，故可将其分解为竖向和水平向两个分力，竖向分力为PsvPsvAaa (3-38)颗粒间点接触，面积As0.3AAw/A1而Psv/A代表全面积A上的平均竖向力间应力，定义为有效应力，习惯上用/来表示。式（3-38）可写为：(3-39)此（3-39）即为饱和土有效应力原理的表达式。本公式适用条件：（1）饱和土（2）粘性土由a-a面竖向平衡条件得： （二）有效应力原理要点1.饱和土太沙基首次将有效应力原理内容归纳为两点:(1)饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为有效应力和孔隙水压力两部分,其间关系满足:式中,作用在土中任意面上的总应力(自重应力与附加应力)/有效应力,作用于同一平面的土骨架上，也称粒间力u作用于同一平面的孔隙水上，性质与普通静水压力相同 (2)土的变形（压缩）与强度的变化都取决于有效应力的变化孔隙水压力本身并不能使土发生变形和强度的变化：水压各向相等，不会使土颗粒发生移动，导致孔隙体积变化；水除了使土颗粒受到浮力外，只能使土颗粒本身产生压缩，而固体颗粒的压缩模量E很大，本身的压缩可以忽略；水不能承受剪力，因此，孔隙水压力的变化也不会引起土的抗剪强度的变化。（有关土的抗剪强度将在第五章阐述）结论:总应力保持不变时，孔压u发生变化将直接引起有效应力/发生变化，从而使土的体积和强度发生变化 为帮助理解使土颗粒受压变密的并不是作用于其上的总应力这一概念，考察海底的一粒砂。水深H=1000米，海底面砂上的总应力海底z=wH为帮助理解使土颗粒受压变密的并不是作用于其上的总应力这一概念，考察海底的一粒砂。水深H=1000米，海底面砂上的总应力事实上，砂粒并未压入海底土层，因为砂粒上实际作用力为重力与浮力之间的差值约0.9×10-5NHH实例分析 2.非饱和土（1-6）非饱和土中既有水也有空气,孔隙压力将由孔隙水压力uw和孔隙气压力ua两部分组成。根据物理学概念，在毛细管周壁，水膜与空气的分界处存在着表面张力T，由于表面张力使水受张拉作用，使ua>uw，两者的差值（ua-uw）就等于式（1-6）所示的毛细水压力土粒孔隙气孔隙水毛细管中的负静水压力hcuc自由水面毛细水中张力分布TT 设气及水的接触面为aa,aw,若忽略土粒间的接触面，则所以代入有效应力公式（3-39）得毕肖甫等提出用一个参数来代替aw,即写成（3-40）讨论：（1）当=1，式（3-40）与式（3-39）相同；（2）当=0，式（3-40）变为 近来的研究表明：粉土饱和度在40~50%以上，粘土饱和度在85%以上，公式（3-40）才能使用。对非饱和土的研究可归纳为三种途经（1）单应力变量理论，即把三个应力变量，折算成单一的应力变量理论，也称为有效应力理论，如上述毕肖普公式即属此种理论；（2）双应力变量理论，它视外加应力和为两个独立的应力变量，建立非饱和土的非线性、弹塑性体模型；（3）视土骨架为损伤力学模型的应力和含水量双变量理论。已有专门的《非饱和土力学》研究有关问题 （1）自重应力情况静水位条件下A点的总应力A点的孔隙水压力A点处的有效应力AH11sathH2地面1：土的湿容重；sat土的饱和容重；H1：地下水位深度；/：浮容重二、饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 由此可见：/就是A点的自重应力，所以自重应力是指有效应力。实例分析“城市抽取地下水后使地面下沉的原因之一”设地下水位面下降了，A点总应力为：A点孔隙水压力A点有效应力 水位下降前后的有效应力之差即，水位下降后的有效应力增加了，从而引起土体压缩，导致地面下沉。2.毛细带的有效应力问题根据毛细水上升的原理，毛细水上升区中的孔隙水的应力为负值，即受拉，亦称为毛细吸力。 B点上总应力孔隙水压力有效应力B点下总应力孔隙水压力有效应力C点总应力孔隙水压力有效应力D点总应力毛细上升时孔隙水压力土中有效应力有效应力注意：B、C点孔隙水压力的计算1sath1hch3ABD毛细上升时土中有效应力CD A点的总应力（3-42a）孔隙水压力(3-42b)有效应力(3-42c)显然，与静水条件下的/相比减少了wh(渗透压力)当/=0时，则土处于悬浮状态，也就是第二章中所说的流土条件。由（3-42c）有即或此即第二章中的临界水力坡降公式（2-50）。 B.向下渗流时A点的总应力不变（3-43a）孔隙水压力(3-43b)有效应力(3-43c)显然，与静水条件下的/相比增加了wh，导致土层压缩，故称渗流压密，这是抽吸地下水引起地面下沉的又一个原因。 (2)取土骨架为隔离体（A）向上渗流时A点孔隙水压力(3-44a)A点的有效应力为(3-44b)JA为A点以上土柱所受的总渗透力，方向向上。式中j为单位渗透力；i为水力坡度。所以 故A点的总应力为(3-44c)比较（3-42）和（3-44）可见，取土骨架为隔离体与取土—水整体为隔离体结果完全一致。(B）向下渗流时A点孔隙水压力（3-45a）有效应力为 JA为A点以上土柱所受的总渗透力，方向竖直向上。故（3-45b）A点的总应力为(3-45c)比较（3-43）和（3-45）可见，取土骨架为隔离体与取土—水整体为隔离体结果完全一致。 以上讨论的静水条件和稳定渗流条件两种情况都是水位不随时间发生变化，所以算出的孔隙水压力u亦不随时间而变化，通常称之为静孔隙水压力，它区别于下面将要讲到的在外荷载引起的超静孔隙水压力。 当饱和土受到外力作用时，同样将由孔隙水压力和有效应力所平衡。由外荷载引起的孔隙水压力，称超静孔隙水压力。超静孔隙水压力将会随时间的增加而逐渐消散，从而使有效应力随时间逐渐增加，所以超静孔隙水压力和有效应力都是时间的函数u=f(t),/=g(t)。（二）附加应力情况—孔压系数概念 孔压系数是指土体在不排水和不排气的条件下，由外荷载引起的孔隙水压力与应力增量（用总应力表示）的比值。1.侧限应力状态z=p图3-50大片均布荷载在地基中引起的z分布zhz=ph=K0ppzhz=pz=p 除了前面讲的自重应力属于侧限应力状态外，如果地面上作用有大面积连布，而土层厚度又相对较薄时，在土层中引起的附加应力z也属于侧限应力状态（见图3-50）为了求出这种荷载条件下，土层中各点在任意时刻t的孔隙水压力u和有效应力/，需要首先知道t=0时的初始孔隙水压力u0。知道了u0以后即可根据后面第四章所述的一维渗流固结理论求出任意时刻的孔隙水压力u和有效应力/。饱和土层的表面作用一均布荷载时，孔隙水压力u和有效应力/的变化可用动画2-1中的渗流固结模型（见光盘）加以说明 显然，根据平衡条件应有：上式的物理意义是土的孔隙水压力u与粒间有效应力对外荷载的分担作用。在加荷瞬间加荷后加荷终了以上过程即为土体的渗流固结过程，归结为：（1）整个渗流固结过程中，u=f(t),/=g(t),渗流固结的物理实质就是土中两种不同应力形态的转化过程。 (2）饱和土层中任意时刻的总孔隙水压力应是静孔隙水压力与超静孔隙水压力之和；（3）侧限条件下，t=0u0=，习惯上用增量表示，写成加载瞬间，孔压系数应为轴对称三维应力状态轴对称三维应力状态是指的状态，当求外荷载在土体中引起的超静孔隙水压力时，土体中的应力是在自重应力的基础上增加一个附加应力，常用增量表示。见光盘图2-3。（1）等向压缩应力状态—孔压系数B 设一立方体的体积V，孔隙率n。设各向均匀压力作用下产生的孔隙水压力为，则作用在骨架上的有效应力为假设土体骨架为弹性体时，由弹性理论可知式中1,2,3为三个方向骨架线应变且1=2=3，（3-46）(3-46a）于是 式中为土骨架的压缩系数；E为土的变形模量；为土的泊松比。与上式相对应，孔隙流体（空气和水）在压力增加发生的体积压缩应为式中Cf为孔隙流体的体积压缩系数，代表单位孔隙压力作用下，单位体积的孔隙流体的体积变化。（3-48）（3-47）土中矿物颗粒的压缩性很小，可忽略，于是在不排气、不排水的条件下，必然有 即所以令则式中B为孔压系数，对饱和土，Cw《Cs,所以B=1。干土，Cf/Cs,B=0;非饱和土，B介于0~1之间。（3-49）（3-50） 设单元受到偏差应力的作用，产生的孔隙水压力为，则轴向及側向有效应力为：由虎克定律知B）偏差应力状态—孔压系数A 因为代入上式土体积为V的骨架体积压缩量为(3-55)(3-56) 孔隙流体（空气和水）在压力增加发生的体积压为(3-57)同理,即土不是弹性体，A.W.Skempton将式中1/3用系数A来表示(3-59） 式中A为孔压系数，对于饱和土，因为B=1，故（3-60）所以，孔压系数是饱和土体在单位偏差应力增量作用下产生的孔隙水压力增量，它可以反映土体剪切过程中的胀缩特性，是土的一个很重要的力学指标。A<1/3属剪胀土；A>1/3属剪缩土。将（3-50），（3-58）相加得到轴对称三维应力状态下的孔隙水压力（3-61） 因此，只要知道了土体中任意一点的大小主应力变化，就可以根据在三轴不排水试验中测出的孔压系数A，B，利用（3-61）计算出相应的初始孔隙水压力，从而计算出有效应力。如果不是轴对称三维应力状态，而是一般三维应力状态，则主应力增量为这种情况下，亨开尔（Henkel）等提出了一个确定饱和土孔隙压力的修正公式为(3-62) 式中a称为亨开尔孔压系数。一般认为式（3-62）定义的孔压系数除了能反映中主应力影响外，更能反映剪应力所产生的孔隙压力变化的本质，具有更普遍的适用性。