土力学1-第三章91658.ppt
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1、第三章:土和地基中的应力及分布第三章:土和地基中的应力及分布3.1 3.1 土中土中应力状态及应力平衡方程应力状态及应力平衡方程3.2 3.2 饱和土有效应力和孔隙水压力饱和土有效应力和孔隙水压力3.3 3.3 非非饱和土有效应力和孔隙水压力(自学)饱和土有效应力和孔隙水压力(自学)3.43.4 孔隙压力系数(自学)孔隙压力系数(自学)3.5 3.5 在简单受力条件下地基中的应力分布在简单受力条件下地基中的应力分布3.6 3.6 地基的接触应力地基的接触应力3.7 3.7 刚性基础基底压力简化算法刚性基础基底压力简化算法3.8 3.8 弹性半无限体内的应力分布弹性半无限体内的应力分布一、土力学
2、中应力符号的规定一、土力学中应力符号的规定 n 材料力学材料力学+-正应力正应力剪应力剪应力拉为正拉为正压为负压为负顺时针为正顺时针为正逆时针为负逆时针为负+-n 土力学土力学压为正压为正拉为负拉为负逆时针为正逆时针为正顺时针为负顺时针为负3.1 3.1 土中土中应力状态及应力平衡方程应力状态及应力平衡方程n 三维应力状态(三维应力状态(一般应力状态)一般应力状态)二、地基中的应力状态二、地基中的应力状态 y yz xy zx x zyxozn 三维应力状态(三轴三维应力状态(三轴应力状态)应力状态)试试样样水压水压力力 c轴向力轴向力F 应变条件应变条件 应力条件应力条件 独立变量独立变量n
3、 二维应力状态(平面应变状态)二维应力状态(平面应变状态)y yz xy zx x zyxoz zx z xz xl 垂直于垂直于y y轴断面的几何形状与应力状态相同轴断面的几何形状与应力状态相同l 沿沿y y方向有足够长度,方向有足够长度,L/B10L/B10l 在在x,zx,z平面内可以变形,但在平面内可以变形,但在y y方向没有变形方向没有变形n 二维应力状态(平面应变状态)二维应力状态(平面应变状态)应变条件应变条件 应力条件应力条件 独立变量独立变量n 侧限应力状态:指侧向应变为零的一种应力状态侧限应力状态:指侧向应变为零的一种应力状态yxoz水平地基水平地基半无限空间体半无限空间体
4、半无限弹性地基内的自重半无限弹性地基内的自重应力只与应力只与Z Z有关有关土质点或土单元不可能有土质点或土单元不可能有侧向位移侧向位移侧限应变条件侧限应变条件任何竖直面都是对称面任何竖直面都是对称面应变条件应变条件n 侧限应力状态:侧向应变为零的一种应力状态侧限应力状态:侧向应变为零的一种应力状态 应变条件应变条件 应力条件应力条件 独立变量独立变量侧压力系数侧压力系数E E、与位置和方向无关与位置和方向无关n 理论:弹性力学解理论:弹性力学解求解求解“弹性弹性”土体中的应力土体中的应力n 方法:解析方法方法:解析方法优点:简单,易于绘成图表等优点:简单,易于绘成图表等碎散体碎散体非线性非线性
5、弹塑性弹塑性成层土成层土各向异性各向异性三、应力计算时的基本假定三、应力计算时的基本假定 p pe e加载加载卸载卸载线弹性线弹性连续介质连续介质(宏观平均)(宏观平均)线弹性体线弹性体(应力较小时)(应力较小时)均质各向同性体均质各向同性体(土层性质变化不大)(土层性质变化不大)第三章:土和地基中的应力及分布第三章:土和地基中的应力及分布3.1 3.1 土中土中应力状态及应力平衡方程应力状态及应力平衡方程3.2 3.2 饱和土有效应力和孔隙水压力饱和土有效应力和孔隙水压力3.3 3.3 非非饱和土有效应力和孔隙水压力(自学)饱和土有效应力和孔隙水压力(自学)3.43.4 孔隙压力系数(自学)
6、孔隙压力系数(自学)3.5 3.5 在简单受力条件下地基中的应力分布在简单受力条件下地基中的应力分布3.6 3.6 地基的接触应力地基的接触应力3.7 3.7 刚性基础基底压力简化算法刚性基础基底压力简化算法3.8 3.8 弹性半无限体内的应力分布弹性半无限体内的应力分布对所受总应力,骨架和孔隙对所受总应力,骨架和孔隙流体如何分担?流体如何分担?它们如何传递和相互转化?它们如何传递和相互转化?它们对土的变形和强度有何它们对土的变形和强度有何影响?影响?外荷载外荷载 总应力总应力 n土体是由固体颗粒骨架、孔隙流土体是由固体颗粒骨架、孔隙流体(水和气)三相构成的碎散材体(水和气)三相构成的碎散材料
7、,受外力作用后,料,受外力作用后,总应力由土总应力由土骨架和孔隙流体共同承受骨架和孔隙流体共同承受Terzaghi的有效应力原理和固结理论的有效应力原理和固结理论3.2 3.2 饱和土有效应力和孔隙水压力饱和土有效应力和孔隙水压力外荷载外荷载 总应力总应力 一、饱和土中的应力形态一、饱和土中的应力形态n饱和土是由固体颗粒骨架和充满饱和土是由固体颗粒骨架和充满其间的水组成的两相体。受外力其间的水组成的两相体。受外力后,后,总应力分为两部分承担:总应力分为两部分承担:F由土骨架承担,并通过颗粒之间由土骨架承担,并通过颗粒之间的接触面进行应力的传递,称之的接触面进行应力的传递,称之为为粒间应力粒间应
8、力F由孔隙水来承担,通过连通的孔由孔隙水来承担,通过连通的孔隙水传递,称之为隙水传递,称之为孔隙水压力孔隙水压力。孔隙水不能承担剪应力,但能承孔隙水不能承担剪应力,但能承受法向应力受法向应力外荷载外荷载 总应力总应力 AaaPsv接触点接触点PsA A:A Aw w:A As s:土单元的断面积土单元的断面积颗粒接触点的面积颗粒接触点的面积孔隙水的断面积孔隙水的断面积a-aa-a断面竖向力平衡:断面竖向力平衡:有效应力有效应力 1二、饱和土有效应力原理二、饱和土有效应力原理F饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分 和和u u,并且:,并且:F土
9、的变形与强度都只取决于有效应力土的变形与强度都只取决于有效应力一般地,一般地,有效应力有效应力总应力已知或易知总应力已知或易知孔隙水压测定或计算孔隙水压测定或计算三、有效应力原理的讨论三、有效应力原理的讨论 孔隙水压孔隙水压力的作用力的作用有效应力有效应力的作用的作用讨论讨论它在各个方向相等,只能使土颗粒它在各个方向相等,只能使土颗粒本身受到等向压力,不会使土颗粒本身受到等向压力,不会使土颗粒移动,导致孔隙体积发生变化。由移动,导致孔隙体积发生变化。由于颗粒本身压缩模量很大,故土粒于颗粒本身压缩模量很大,故土粒本身压缩变形极小本身压缩变形极小水不能承受剪应力,对土颗粒间摩水不能承受剪应力,对土
10、颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献擦、土粒的破碎没有贡献因而孔隙水压力对变形强度没有直因而孔隙水压力对变形强度没有直接影响,称为中性应力接影响,称为中性应力 孔隙水压孔隙水压力的作用力的作用有效应力有效应力的作用的作用讨论讨论是土体发生变形的原因:是土体发生变形的原因:颗粒间克服摩擦相对滑移、颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动以及在接触点处由于滚动以及在接触点处由于应力过大而破碎均与应力过大而破碎均与有有关关是土体强度的成因:土的是土体强度的成因:土的凝聚力和粒间摩擦力均与凝聚力和粒间摩擦力均与有关有关 孔隙水压孔隙水压力的作用力的作用有效应力有效应力的作用的作用讨论讨论讨论:讨论:海底与土粒间的接触压
11、力海底与土粒间的接触压力哪一种情况下大?哪一种情况下大?1mz=u=0.01MPa104mz=u=100MPan 稳定渗流条件:稳定渗流条件:向上渗流向上渗流AHh砂层砂层(承压水承压水)satsat向上渗流向上渗流土水整体分析土水整体分析总应力:单位土柱总应力:单位土柱和水柱的总重量和水柱的总重量=satH 孔隙水压力:净水压强孔隙水压力:净水压强u=w(H+h)有效应力:有效应力:=-u =satH-wH-w h =H-w h渗透压力,向上渗流使得有效应力减小渗透压力,向上渗流使得有效应力减小四、饱和土孔压和有效应力计算四、饱和土孔压和有效应力计算 n 稳定渗流条件:稳定渗流条件:向下渗流
12、向下渗流A土水整体分析土水整体分析总应力:总应力:=satH 孔隙水压力:孔隙水压力:u=w(H-h)有效应力:有效应力:=-u =satH-wH+w h =H+w hHh satsat向下渗流向下渗流砂层(排水)砂层(排水)渗透压力,向下渗流使得有效应力增加渗透压力,向下渗流使得有效应力增加可导致土层发生压密变形,称渗流压密可导致土层发生压密变形,称渗流压密仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水第三章:土和地基中的应力及分布第三章:土和地基中的应力及分布3.1 3.1 土中土中应力状态及应力平衡方程应力状态及应力平衡方程3.2 3.2 饱和土有效应力和孔隙水压力饱和土有效应力和孔隙水压力3.3
13、3.3 非非饱和土有效应力和孔隙水压力(自学)饱和土有效应力和孔隙水压力(自学)3.43.4 孔隙压力系数(自学)孔隙压力系数(自学)3.5 3.5 在简单受力条件下地基中的应力分布在简单受力条件下地基中的应力分布3.6 3.6 地基的接触应力地基的接触应力3.7 3.7 刚性基础基底压力简化算法刚性基础基底压力简化算法3.8 3.8 弹性半无限体内的应力分布弹性半无限体内的应力分布3.5 3.5 在简单受力条件下地基中的应力分布在简单受力条件下地基中的应力分布n 假定:假定:水平地基水平地基 半无限空间体半无限空间体 半无限弹性体半无限弹性体 有侧限应变条件有侧限应变条件 一维问题一维问题n
14、 定义:定义:在修建建筑物以前,地基中由土体本身在修建建筑物以前,地基中由土体本身的有效重量而产生的应力的有效重量而产生的应力n 目的:目的:确定土体的初始应力状态确定土体的初始应力状态n 计算计算:地下水位以上用天然容重地下水位以上用天然容重 地下水位以下用浮容重地下水位以下用浮容重n竖直向自重应力:竖直向自重应力:土体中无剪应力存在,故地基中土体中无剪应力存在,故地基中Z深深度处的竖直向自重应力等于单位面积上的土柱重量度处的竖直向自重应力等于单位面积上的土柱重量 均质地基:均质地基:成层地基:成层地基:n水平向自重应力:水平向自重应力:F 容重:容重:地下水位以上用天然容重地下水位以上用天
15、然容重 地下水位以下用浮容重地下水位以下用浮容重 1 H12 H23 H3zszsxsy地面地面地下水地下水n 分布规律分布规律F分布线的斜率是容重分布线的斜率是容重F在等容重地基中随深度呈直线分布在等容重地基中随深度呈直线分布F自重应力在成层地基中呈折线分布自重应力在成层地基中呈折线分布F在土层分界面处和地下水位处发生转折或突变在土层分界面处和地下水位处发生转折或突变1 H12 H22 H3zszsxsy地面地面地下水地下水sz1H12H22H3zH H1 1H H2 2地面地面地下水位地下水位n 静水条件:静水条件:地下水位地下水位总应力:单位土柱总应力:单位土柱和水柱的总重量和水柱的总重
16、量=H1+satH2 孔隙水压力:净水压强孔隙水压力:净水压强u=wH2有效应力:有效应力:=-u =H1+(sat-w)H2 =H1+H2=-u uu=u=w wH H2 2u=u=w wH H2 2 H H1 1A(-)H H1 1地面地面A地下水位地下水位n 静水条件:静水条件:水位下降水位下降 总应力:总应力:=H1+satH 2 孔隙水压力:孔隙水压力:u=wH 2 有效应力:有效应力:=-u 地下水位下降会引起地下水位下降会引起 增大,土会产生压缩增大,土会产生压缩,这是城市抽水引起地,这是城市抽水引起地面沉降的一个主要原因面沉降的一个主要原因H H1 1H H 2 2u=u=w
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