第5.0 土的有效应力原理ppt课件.pptx
土的有效应力原理,南京工业大学 交通学院 孔玉侠,有效应力原理的基本概念饱和土中的应力形态饱和土的有效应力原理有效应力原理的意义饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算自重应力情况附加应力情况,5.1 土的有效应力原理,3,香港宝城滑坡,原因：山坡上残积土本身强度较低，加之雨水入渗导致强度进一步大大降低，使得土体滑动剪应力超过土的强度，于是山坡土体发生滑动。,5.1 土的有效应力原理,香港1900年建市，1977年成立土力工程署1972 Po Shan 滑坡 ( 20,000 m3) (67 死、20 伤),5.1 土的有效应力原理,地下水位下降导致地面沉降,美国Teton溃坝,5.1 土的有效应力原理,概况：土坝，高90m，长1000m，建于1972-75年，1976年6月失事损失：直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路,原因：渗透破坏水力劈裂,http:/,5.1 土的有效应力原理,地震液化,原因：孔隙水的压力增加，土的抗剪强度降低,5.1 土的有效应力原理,事故共同特点：和土中的水有关作用在土体上的总应力如何分担？土骨架和孔隙水分别发挥什么作用？,Karl Terzaghi（18831963）,太沙基与有效应力原理,5.1 土的有效应力原理,土力学之父太沙基1883年10月2日生于布拉格1904年和1912年先后获得格拉茨工业大学的学士和博士学位1923年太沙基发表了渗透固结理论，第一次科学地研究土体的固结过程，同时提出了土力学的一个基本原理，即有效应力原理1925年，他发表的世界上第一本土力学专著建立在土的物理学基础的土力学被公认为是进入现代土力学时代的标志,太沙基跌倒与有效应力原理的发现,Terzaghi（1923）有效应力原理固结理论,土力学成为独立的学科,一、有效应力原理的基本概念,5.1 土的有效应力原理,土,孔隙水,固体颗粒骨架,+,三相体系,孔隙气体,+,总应力,总应力由土骨架和孔隙流体共同承受土骨架和孔隙流体如何分担总应力？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,孔隙流体,5.1 土的有效应力原理,一. 有效应力原理的基本概念,11,1. 饱和土中的应力形态,PS,PSV,a,a,PS,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,有效应力,a-a断面竖向力平衡：,u：孔隙水压力,土骨架承担土骨架传递,5.1 土的有效应力原理,一. 有效应力原理的基本概念,土体固体颗粒骨架孔隙流体,5.1 土的有效应力原理,一. 有效应力原理的基本概念,平面上法向总应力有效法向应力孔隙水压力,三者之间:当总应力保持不变时,孔隙水压力与有效应力可以相互转化有效孔隙水压力减小等于有效应力的等量增加,13,孔隙水压力的作用 它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到等向压力，由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身压缩变形极小。因而孔隙水压力对变形也没有直接的影响，土体不会因为受到水压力的作用而变得密实； 对土颗粒间摩擦、凝聚力没有贡献，并且水不能承受剪应力，因而孔隙水压力对土的强度没有直接的影响。,变形的原因 颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动与 有关 接触点处应力过大而破碎与 有关 强度的成因 凝聚力和摩擦与有关,试想：海底与土粒间的接触压力哪一种情况下大？,1m,z=u=0.01MPa,104m,z=u=100MPa,5.1 土的有效应力原理,一. 有效应力原理的基本概念,2. 饱和土的有效应力原理,14,5.1 土的有效应力原理,一. 有效应力原理的基本概念,（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分和u，并且,（2）土的变形与强度都只取决于有效应力,一般地，,有效应力,总应力已知或易知,孔隙水压测定或算定,通常,2. 饱和土的有效应力原理,15,5.1 土的有效应力原理,一. 有效应力原理的基本概念,3.有效应力原理的意义,阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力-应变关系上的重大区别是土力学区别于其他力学的一个重要原理，是土力学成为一门独立学科的重要标志土力学的“拱心石（key stone）”J.K. Mitchell,二、饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,5.1 土的有效应力原理,17,1. 自重应力情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,(1) 静水条件,5.1 土的有效应力原理,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,三轴应力状态,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,5.1 土的有效应力原理,自重应力和附加应力的别？,人体比作土顶碗比作外荷载自重应力人体自重附加应力碗对人体产生的附加应力顶碗加重后，头部感觉重量增加明显，脚部感觉不明显应力扩散,19,1. 自重应力情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,5.1 土的有效应力原理,(1) 静水条件,地下水位,地下水位下降引起 增大的部分,=-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主要原因之一。,20,1.自重应力情况,水下土,(1) 静水条件,5.1 土的有效应力原理,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,wH1,wH1,=-u =wH1+satH2-wH =satH2-w(H-H1) =(sat-w)H2 =H2,21,毛细饱和区,(1) 静水条件,5.1 土的有效应力原理,1.自重应力情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,毛细饱和区,总应力,孔隙水压力,有效应力,+,-,22,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,5.1 土的有效应力原理,1.自重应力情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,向上渗流,向下渗流,23,土水整体分析,A,向上渗流:,向下渗流:,5.1 土的有效应力原理,1.自重应力情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,渗流压密,渗透压力:,24,取土骨架为隔离体,A,向上渗流:,向下渗流:,5.1 土的有效应力原理,1.自重应力情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,自重应力:,渗透力:,渗透力产生的应力:,25,?,2. 附加应力情况,几种简单的情形：,5.1 土的有效应力原理,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,外荷载,附加应力,土骨架：有效应力,(2) 三轴应力状态,(1) 侧限应力状态,孔隙水：孔隙水压力,超静孔隙水压力,26,(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,5.1 土的有效应力原理,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,不透水岩层,饱和压缩层,z=p,p,侧限应力状态,2.附加应力作用情况,27,(1) 侧限应力状态及一维渗流固结,2.附加应力作用情况,物理模型：,光滑钢筒 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,渗流固结过程,5.1 土的有效应力原理,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,p,一般方程,28,(1) 侧限应力状态及一维渗流固结,2.附加应力作用情况,5.1 土的有效应力原理,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,p,p,附加应力:z=p超静孔压: u = z=p有效应力:z=0,渗流固结过程,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,29,孔压系数：,5.1 土的有效应力原理,2.附加应力作用情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,(1) 侧限应力状态及一维渗流固结,渗流固结过程,产生超静孔隙水压力u,随时间在变化不排水条件下相当于t=0时刻:,30,2.附加应力作用情况,5.1 土的有效应力原理,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,三轴应力状态,=,+,等向压缩应力状态,偏差应力状态,封闭土样,31,2.附加应力作用情况,5.1 土的有效应力原理,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,土体的体积土骨架的体积土颗粒的体积孔隙流体的体积,有何关系？,土体的体积变化土骨架的体积变化土颗粒的体积变化孔隙流体的体积变化,有何关系？,32,(2) 等向压缩应力状态,孔隙流体产生了超静孔隙压力uB,土骨架的有效附加应力,孔隙流体的体积变化,孔隙流体的体积压缩系数为Cf ：单位孔隙压力作用引起的体应变,土骨架的体积变化,设土骨架的体积压缩系数为Cs,体积V,土骨架的体变等于孔隙流体的体变V1=V2,2.附加应力作用情况,5.1 土的有效应力原理,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,孔压系数B,土骨架为线弹性体,33,饱和土：干 土： 非饱和土：,B是一个反映土饱和程度的参数,5.1 土的有效应力原理,孔隙流体的体积压缩系数为Cf ，单位孔隙压力作用引起的体应变,设土骨架的体积压缩系数为Cs,2.附加应力作用情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,孔压系数B,(2) 等向压缩应力状态,34,孔隙流体产生了超静孔隙压力uA,有效附加应力,孔隙流体的体积变化,土骨架的体积变化,土骨架的体变等于孔隙流体的体变V1=V2,孔压系数A,5.1 土的有效应力原理,2.附加应力作用情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,(3) 偏差应力状态,体积V,暂时假定土骨架为线弹性体,轴向,侧向,总应力增量,应变增量,0,35,孔压系数A,对饱和土:,剪切作用引起的孔压响应,对于线弹性体:,A=1/3,A不是常数，随加载过程而变化,A1/3,A1/3,剪胀：,剪缩：,5.1 土的有效应力原理,2.附加应力作用情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,(3) 偏差应力状态,A 是一个反映土剪胀性强弱的参数，其大小与土性有关,剪胀性：剪应力引起土的体积变化的特性,36,1. 这一课中最重要的一点是什么？2. 关于有效应力原理你仍未理解的是什么？,5.1 土的有效应力原理,37,38,问题: 能否对孔压系数 A 作进一步的解释？,39,问题: 能否对孔压系数 A 作进一步的解释？,回答：,40,偏差应力状态,等向压缩应力状态,纯剪应力状态,纯剪应力状态,41,5.1 土的有效应力原理,三轴应力状态：,等向压缩应力状态：,偏差应力状态：,2.附加应力作用情况,二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,42,应力状态,自重应力的计算,附加应力的计算,基底压力计算,有效应力原理,5.1 土的有效应力原理,小结,地基中的应力状态,应力应变关系的假定,土力学中应力符号的规定,水平地基中的自重应力,因素：底面形状；荷载分布；计算点位置,影响因素,基底压力分布,实用简化计算,基本概念,饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算,43,
