高等土力學(xué)：有效應(yīng)力及土的壓縮性

高等土力學(xué)

-有效應(yīng)力及土的壓縮性-大綱有效應(yīng)力定義強(qiáng)度的有效應(yīng)力分析有效應(yīng)力路徑（重塑土）超固結(jié)及結(jié)構(gòu)性對有效應(yīng)力路徑的影響砂土及粘土的區(qū)別總結(jié)工程問題-1高速公路路基施工?？焖偈┕ぐ踩?，還是慢速施工安全？s1+Ds1s3(=const)慢速分層施工快速一次性施工工程問題-2軟土地層里基坑開挖，快速開挖安全，還是慢速開挖安全？s1(=const)s3-Ds3慢速施工快速施工1.有效應(yīng)力定義太沙基一維固結(jié)有效應(yīng)力模型Terzaghi,K.TheoreticalSoilMechanics,JohnWiely&Sons,NewYork,1943.飽和土的有效應(yīng)力飽和土中的有效應(yīng)力有效應(yīng)力：土中控制壓縮和抗剪強(qiáng)度的應(yīng)力K.太沙基飽和土的孔隙壓力非飽和土的有效應(yīng)力非飽和土中的有效應(yīng)力Bishop（1959）：凈應(yīng)力(netstress)：有效應(yīng)力參數(shù)：吸力非飽和土的有效應(yīng)力非飽和土中的強(qiáng)度公式Bishop（1959）：飽和土的有效內(nèi)摩擦角：飽和土的有效內(nèi)聚力Fredlund(1976)雙應(yīng)力變量理論：外荷載引起的內(nèi)摩擦角：內(nèi)部基質(zhì)吸力引起的內(nèi)摩擦角2.強(qiáng)度的有效應(yīng)力分析不同試驗(yàn)的差別在于固結(jié)、剪切過程中的排水條件的不同。即使圍壓相同，由于固結(jié)、剪切過程中的排水條件不同，得到的全應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)完全不同直剪試驗(yàn)Mohr-coulomb破壞準(zhǔn)則不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)（UU試驗(yàn)）不固結(jié)，在不排水條件下剪切。剪切速率很快（即使是滲透系數(shù)較低時）。

φu=0,cu=（σ1-σ3）max/2固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)（CU試驗(yàn)）先固結(jié)，然后在不排水條件下剪切。為了滿足孔壓均勻分布的條件，剪切速率較慢。固結(jié)排水三軸試驗(yàn)（CD試驗(yàn)）先固結(jié)，然后在排水條件下剪切。為了滿足孔壓完全消散的條件，剪切速率最慢。尤其當(dāng)滲透系數(shù)較低時，需數(shù)天才能完成。試驗(yàn)方法三軸試驗(yàn)UU試驗(yàn)不同圍壓，變化的只是孔壓，有效應(yīng)力是不變的φu=0,cu=（σ1-σ3）max/2CU&CD試驗(yàn)三軸試驗(yàn)中應(yīng)力狀態(tài)等向固結(jié)偏應(yīng)力剪切CU&CD試驗(yàn)固結(jié)CU&CD試驗(yàn)剪切CU&CD試驗(yàn)剪切CU&CD試驗(yàn)剪切CU&CD試驗(yàn)剪切CU&CD試驗(yàn)剪切CU&CD試驗(yàn)?zāi)枎靷惼茐臏?zhǔn)則Mohr-coulombfailurecriterionCU&CD試驗(yàn)?zāi)枎靷?Mohr-coulomb)破壞準(zhǔn)則（三主應(yīng)力表達(dá)）UU、CU、CD試驗(yàn)匯總圍壓相同，即使固結(jié)、剪切過程中的排水條件不同，得到的有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)都一樣思考題為什么UU和CU的有效應(yīng)力Mohr圓一樣？要帶著批判的精神讀教科書3.有效應(yīng)力路徑（重塑土）重塑粘土的有效應(yīng)力路徑正常固結(jié)粘土，排水剪切(Nakai,2005)重塑粘土的有效應(yīng)力路徑正常固結(jié)粘土，不排水剪切(Nakai,2005)排水條件影響排水條件對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響qpqfACBBC’C’C不排水排水排水為什么CU試驗(yàn)得到的初始剛度比CD試驗(yàn)的大？理論問題-1路徑為①及②的兩種試驗(yàn)的總應(yīng)力路徑是完全不同的，但它們的有效應(yīng)力路徑卻是相同的，都為③。①平均應(yīng)力sm的三軸壓縮試驗(yàn)總應(yīng)力路徑②最小應(yīng)力s3一定的壓縮試驗(yàn)總應(yīng)力路徑③①和②的有效應(yīng)力路徑q①②③3p1C.S.L.理論問題-2求證圖中三種應(yīng)力路徑的斜率分別為0，3和-3/2理論問題-3考慮非排水三軸壓縮試驗(yàn)的有效應(yīng)力路徑。土的參數(shù)為∶考慮任意2個平均主應(yīng)力,不排水三軸壓縮試驗(yàn)分別在初始有效應(yīng)力為P10及P20下進(jìn)行，則可證明它們的有效路徑是相似的。pP20P10P1qhC.S.LM*11P2M=1.XX(XX為學(xué)號后兩位)工程問題-1高速公路路基施工。快速施工安全，還是慢速施工安全？s1+Ds1s3(=const)慢速分層施工快速一次性施工工程問題-1用有效應(yīng)力路徑分析急速施工的有效應(yīng)力路徑慢速施工的有效應(yīng)力路徑總應(yīng)力路徑+u31工程問題-2軟土地層里基坑開挖，快速開挖安全，還是慢速開挖安全？s1(=const)s3-Ds3慢速施工快速施工工程問題-2用有效應(yīng)力路徑分析急速施工的有效應(yīng)力路徑慢速施工的有效應(yīng)力路徑假設(shè)總應(yīng)力路徑31-u32工程問題-3水中鋼板樁某近海地區(qū)用鋼板樁來圍海造田，鋼板樁內(nèi)側(cè)堆土，為了增加外側(cè)土體的抵抗力（被動土壓力），工程師決定在施工鋼板樁后在外側(cè)的海底堆拋石。但拋石后發(fā)現(xiàn)鋼板樁的水平位移遠(yuǎn)大于預(yù)測值，請問是什么機(jī)理。土壓力拋石：增加被動土壓力q=40kN/m25m厚粘土層（g’=6kN/m3,f=30o）砂土層4.超固結(jié)及結(jié)構(gòu)性對有效應(yīng)力路徑的影響超固結(jié)的定義？同樣壓力下，孔隙比正常固結(jié)重塑土小結(jié)構(gòu)性的定義？同樣壓力下，孔隙比正常固結(jié)重塑土大NCL超固結(jié)結(jié)構(gòu)性elogp超固結(jié)NCL(afterAsaokaetal.,2000)(afterPuch,1970)自然土的結(jié)構(gòu)性上海地層粘土：超固結(jié)的影響超固結(jié)土的力學(xué)特性：剪脹CD試驗(yàn)NakaiandHinokio(2004):asimpleelastoplasticmodelfornormallyandoverconsolidatedsoilswithunifiedmaterialparametersCD試驗(yàn)超固結(jié)土超固結(jié)土CU試驗(yàn)粘土：超固結(jié)的影響[1]正常固結(jié)[2]超固結(jié)超固結(jié)土的有效應(yīng)力路徑Residualstrength的Mohr圓表示CD試驗(yàn)Mohr圓CU試驗(yàn)總應(yīng)力Mohr圓CU試驗(yàn)有效應(yīng)力Mohr圓Duf-Duf粘土：結(jié)構(gòu)性的影響CD試驗(yàn)粘土：結(jié)構(gòu)性的影響CU試驗(yàn)粘土：結(jié)構(gòu)性&超固結(jié)的影響砂土的有效應(yīng)力路徑[1]:Loosesand[2]:Mediumloosesand[3]:Mediumdensesand[4]:Densesand[5]:Verydensesand

CU試驗(yàn)砂土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系CD試驗(yàn)軟化，硬化最根本的判斷：正常固結(jié)屈服面的擴(kuò)大（硬化），縮?。ㄜ浕㎝ediumdensesand,drainedcyclicloadingtest,(Hinokio,2000)Loosesand,drainedcyclicloadingtest,(Nakai,2005)Loosesand,undrainedcyclicloadingtest,(Nakai,2005)Mediumdensesand,undrainedcyclicloadingtest,(Nakai,2005)上海粘土動三軸f=0.02Hz，動應(yīng)力比0.3N=20經(jīng)歷循環(huán)荷載歷史后的砂土不排水剪切經(jīng)歷排水循環(huán)振動0次經(jīng)歷排水循環(huán)振動1次經(jīng)歷排水循環(huán)振動3次經(jīng)歷排水循環(huán)振動10次LambeandWhitman,1969,p1985.砂土及粘土的區(qū)別粘土與砂土的差異粘土與砂土的差異粘土Toyoura砂比重～1.6～2.0孔隙比0.615~0.988滲透系數(shù)10E-8m/s10E-5m/sToyourasandk=2.8e-4m/s(Dr=50%)含水率50%～≈20%壓縮性l=0.2,k=0.05l=0.07,k=0.0045Toyourasand善功企，1993，港空研報告日本標(biāo)準(zhǔn)砂：豐浦砂15元/公斤中國標(biāo)準(zhǔn)砂Ottawasand超固結(jié)粘土密砂結(jié)構(gòu)性粘土松砂結(jié)構(gòu)性超固結(jié)粘土中密砂有效應(yīng)力路徑分類Naturallydepositedsoil(overconsolidated&structured)Normallyconsolidated&nonstructuredStructured&almostnormallyconsolidatedsoilLessstructured&overconsolidatedsoilPlasticdeformationSandysoilClayeysoilevolutionofanisotropyisrapidlossofoverconsolidationisslowdecayofstructureisrapidevolutionofanisotropyisslowlossofoverconsolidationisrapiddecayofstructureisslowDifferencesbetweensand&clay（Asaokaetal.2002）Thedecayofstructure,thelossofoverconsolidationandtheevolutionofanisotropyarecontrolledbytheevolutionrules.粘土在剪切過程中，孔隙比的變化是先由超固結(jié)比的變化引起(剪脹)，然后才是結(jié)構(gòu)性破壞引起（剪縮）砂土則相反，先是由結(jié)構(gòu)性（顆粒排列，fabric）的破壞引起的，然后才是密度的變化引起(剪脹)粘土的結(jié)構(gòu)性比砂土的難破壞，但比砂土容易壓縮。粘土的結(jié)構(gòu)性是數(shù)千年數(shù)萬年沉積下來的，難破壞，所以mr*?。ㄋp慢）。砂土的密度難壓縮，所以mr小砂土的結(jié)構(gòu)性（structure）有時候被稱為組構(gòu)（fabric）。這兩個是很接近的概念，但fabric里還包含了各向異性（anisotropy）最近的本構(gòu)里，傾向于把a(bǔ)nisotropy和structure分開，所以把fabric和structure等同起來。anisotopy單獨(dú)分離。問題CriticalState(臨界狀態(tài))?CriticalStateLine?取樣粘土：（相對）容易取得原狀樣砂土：很難取得原狀樣。因此多依靠原位測試（CPT等）來獲得力學(xué)特性粘土與砂土的關(guān)注力學(xué)問題粘土：排水條件砂土：不排水條件為什么？滲透系數(shù)小，壓縮大，變形持續(xù)很長時間（包括所謂的次固結(jié)問題）滲透系數(shù)大，壓縮小，變形很快結(jié)束。但短時間的加載（地震等）引起超孔隙水壓問題顯著6.總結(jié)為什么有效應(yīng)力這么重要？實(shí)現(xiàn)了“統(tǒng)一”反思：工程應(yīng)用的現(xiàn)狀有效應(yīng)力路徑在工程中應(yīng)用很少，頂多是固結(jié)沉降地基承載力、土壓力、邊坡等極限問題中都不考慮原因：（1）孔壓不好測，（2）沒被工程人員掌握，（3）安全系數(shù)？有效應(yīng)力是現(xiàn)代土力學(xué)中最重要的概念各種試驗(yàn)得到不同的強(qiáng)度指