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1、土力学1-第三章 土体中的应力计算 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望n 10月29日习题讨论课范围：第一、二章范围：第一、二章 内容：内容：小测验小测验 习题讨论、方法讨论习题讨论、方法讨论 难点讨论、其它讨论难点讨论、其它讨论n 答疑时间：时间：1010月月1717日晚日晚8 8：00 1000 10：0000地点：新水利馆地点：新水利馆227227 （从正门进，上（从正门进，上2 2楼，两个左拐，右手）楼，两个左拐，右手）本章提要本章提要 学习要
2、点学习要点第三章：土体中的应力计算第三章：土体中的应力计算 土体中的应力计算土体中的应力计算 土体中的孔隙水压力计算土体中的孔隙水压力计算 有效应力原理与固结模型有效应力原理与固结模型 土体应力计算土体应力计算-弹性理论弹性理论 有效应力原理与固结有效应力原理与固结 -土水两相相互作用土水两相相互作用强度问题强度问题变形问题变形问题应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系自重应力自重应力附加应力附加应力基底压力计算基底压力计算有效应力原理有效应力原理建筑物修建以前，地建筑物修建以前，地基中由土体本身重量基中由土体本身重量所产生的应力所产生的应力建筑物重量等外荷载建筑物重量等外荷载在地基中引
3、起的应力在地基中引起的应力增量增量土体中的应力计算土体中的应力计算3-23-23-33-33-43-43-13-13-63-63-73-73-3-10(1)(2)(3)10(1)(2)(3)本章作业本章作业 本课程中所有计算均可取本课程中所有计算均可取 g=10m/sg=10m/s2 2第三章：土体中的应力计算第三章：土体中的应力计算3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系3.2 3.2 自重应力自重应力3.3 3.3 附加应力附加应力3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验仁者乐山仁者
4、乐山 智者乐水智者乐水3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 土力学中应力符号的规定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仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水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）地基中的应力状态（地基中的应力状态（1 1）y yz xy zx x zyxoz3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水n
5、三维应力状态（三轴三维应力状态（三轴应力状态）应力状态）地基中的应力状态（地基中的应力状态（1 1）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3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水地基中的应力状态（地基中的应力状态（2 2）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）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
6、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3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水地基中的应力状态（地基中的应力状态（2 2）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3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水地基中的应力状态（地基中的应力状态（3 3）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
7、体半无限空间体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3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水地基中的应力状态（地基中的应力状态（3 3）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3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 仁者乐山仁者
8、乐山 智者乐水智者乐水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弹塑性弹塑性成层土成层土各向异性各向异性应力计算时的基本假定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）3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 仁者乐山仁者乐
9、山 智者乐水智者乐水3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 F土力学中应力土力学中应力符号的规定符号的规定F地基中常见的地基中常见的应力状态应力状态F应力计算时的应力计算时的基本假定基本假定 三维应力状态三维应力状态 三轴应力状态三轴应力状态 平面应变状态平面应变状态 侧限应力状态侧限应力状态 连续连续 弹性弹性 均质各向同性均质各向同性小小 结结第三章：土体中的应力计算第三章：土体中的应力计算水平地基中的水平地基中的自重应力自重应力土石坝的自重土石坝的自重应力（自学）应力（自学）3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 3.2 3.2 自重应力自重应
10、力 3.3 3.3 附加应力附加应力 3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.2 3.2 自重自重应力应力 土体的自重应力土体的自重应力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 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：
11、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仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.2 3.2 自重自重应力应力 土体的自重应力土体的自重应力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
12、下水仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.2 3.2 自重自重应力应力 土体的自重应力土体的自重应力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（水平应力）在土层分界面处和地下水位处发生转折或突变（水平应力）1 H12 H22 H3zszsxsy地面地面地下水地下水sz1H12H22H3z第三章：土体中的应力计算第三章：土体中的应力计算3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 3.2 3.2 自重
13、应力自重应力 3.3 3.3 附加应力附加应力 3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3.3 附加附加应力应力 地基中的附加应力地基中的附加应力n附加应力是由于修建建筑物之后再地基内新增加的附加应力是由于修建建筑物之后再地基内新增加的应力，它是使地基发生变形从而引起建筑物沉降的应力，它是使地基发生变形从而引起建筑物沉降的主要原因主要原因集中荷载作用下的附加应力集中荷载作用下的附加应力矩形分布荷载作用下的附加应力矩形分布荷载作用下的附加应力条形分布荷载作用下的附
14、加应力条形分布荷载作用下的附加应力圆形分布荷载作用下的附加应力圆形分布荷载作用下的附加应力影响应力分布的因素影响应力分布的因素基本解基本解叠加原理叠加原理仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3.3 附加附加应力应力 集中荷载的附加应力集中荷载的附加应力（P；x,y,z；R,)n 竖直集中力布辛内斯克课题竖直集中力布辛内斯克课题 y yz xy zx x zPyzMzRxxorM y仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3.3 附加附加应力应力 F法国数学家布辛内斯克（法国数学家布辛内斯克（J.Boussinesq）1885年年推出了该问题的理论解，包括六个应力分量和三推出了该问题的理
15、论解，包括六个应力分量和三个方向位移的表达式个方向位移的表达式教材教材P7071页页集中荷载的附加应力集中荷载的附加应力n 竖直集中力布辛内斯克课题竖直集中力布辛内斯克课题F其中，竖向应力其中，竖向应力 z：集中力作用下的集中力作用下的应力分布系数应力分布系数 查表查表31 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3.3 附加附加应力应力 P集中荷载的附加应力集中荷载的附加应力FP作用线上作用线上F在某一水平面上在某一水平面上F在在r00的竖直线上的竖直线上F z z等值线等值线-应力泡应力泡0.1P0.1P0.05P0.05P0.02P0.02P0.01P0.01P应力泡应力泡n 竖直集中
16、力布辛内斯克课题竖直集中力布辛内斯克课题z z与与无关，呈轴无关，呈轴对称分布对称分布仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3.3 附加附加应力应力 集中荷载的附加应力集中荷载的附加应力n 水平集中力西罗提课题水平集中力西罗提课题 y yz xy zx x zyzxoPMxyzrRM 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3.3 附加附加应力应力 p pM M矩形分布荷载的附加应力矩形分布荷载的附加应力n 矩形面积竖直均布荷载矩形面积竖直均布荷载F 角点下角点下的垂直附加应力：的垂直附加应力：B B氏解的应用氏解的应用P74P74页（页（3 31111）m=L/B,n=z/Bm=L/B
17、,n=z/B矩形竖直向均布荷载角点下的应力分布系数矩形竖直向均布荷载角点下的应力分布系数Ks：表表3-2仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 矩形内：矩形内：矩形外：矩形外：荷载与应荷载与应力间满足力间满足线性关系线性关系 叠加原理叠加原理 角点计算公式角点计算公式任意点的计算公式任意点的计算公式矩形分布荷载的附加应力矩形分布荷载的附加应力n 矩形面积竖直均布荷载矩形面积竖直均布荷载F 任意点任意点的垂直附加应力的垂直附加应力角点法角点法B AC Da bABC Dc d3.3 3.3 附加附加应力应力 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3.3 附加附加应力应力 矩形分布荷载的附加应力矩
18、形分布荷载的附加应力n 矩形面积竖直三角形分布荷载矩形面积竖直三角形分布荷载p pt tM M矩形面积竖直三角分布荷载角点下的矩形面积竖直三角分布荷载角点下的应力分布系数：表应力分布系数：表3-3o仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3.3 附加附加应力应力 角点下的垂直附加应力：角点下的垂直附加应力：C C氏解的应用氏解的应用p ph h矩形分布荷载的附加应力矩形分布荷载的附加应力n 矩形面积水平均布荷载矩形面积水平均布荷载矩形面积作用水平均布荷载时角矩形面积作用水平均布荷载时角点下的应力分布系数：表点下的应力分布系数：表3-3-4 4ZLB仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3
19、.3 附加附加应力应力 条形分布荷载的附加应力条形分布荷载的附加应力n 竖直线布荷载竖直线布荷载-弗拉曼解弗拉曼解-B-B氏解的应用氏解的应用M M仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3.3 附加附加应力应力 任意点的附加应力：任意点的附加应力：F F氏解的应用氏解的应用条形分布荷载的附加应力条形分布荷载的附加应力n 条形面积竖直均布荷载条形面积竖直均布荷载条形面积竖直均布荷载作用时条形面积竖直均布荷载作用时的应力分布系数：表的应力分布系数：表3-5M Mxyzp仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3.3 附加附加应力应力 其它荷载的附加应力其它荷载的附加应力n 条形面积其它分布荷
20、载条形面积其它分布荷载P85页：页：表表36n 圆形面积均布荷载作用圆形面积均布荷载作用 圆心下的附加应力计算圆心下的附加应力计算P88页：页：表表39仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3.3 附加附加应力应力 K 竖直集中荷载作用下竖直集中荷载作用下 (表表3-1)Ks 矩形面积竖直均布荷载作用角点下矩形面积竖直均布荷载作用角点下 (表表3-2)Kt 矩形面积三角形分布荷载作用角点下矩形面积三角形分布荷载作用角点下 (表表3-3)Kh 矩形面积水平均布荷载作用角点下矩形面积水平均布荷载作用角点下 (表表3-4)Kzs条形面积竖直均布荷载作用时条形面积竖直均布荷载作用时 (表表3-5)
21、Kzt条形面积三角形分布荷载作用时条形面积三角形分布荷载作用时 (表表3-7)Kzh条形面积水平均布荷载作用时条形面积水平均布荷载作用时 (表表3-8)K0 圆形面积均布荷载作用时园心点下圆形面积均布荷载作用时园心点下 (表表3-9)KzL条形面积梯形分布荷载作用时条形面积梯形分布荷载作用时 (图图3-26)小小 结结底面形状底面形状荷载分布荷载分布计算点位置计算点位置K 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3.3 附加附加应力应力 F 上层软弱，下层坚硬上层软弱，下层坚硬n 非均匀性非均匀性-成层地基成层地基 轴线附近应力集中，轴线附近应力集中，z增大增大 应力集中程度与土层刚度比有关
22、应力集中程度与土层刚度比有关 随随H/BH/B增大，应力集中减弱增大，应力集中减弱F上层坚硬，下层软弱上层坚硬，下层软弱 轴线附近应力扩散，轴线附近应力扩散，z z减小减小 应力扩散程度与土层刚度比有关应力扩散程度与土层刚度比有关 随随H/BH/B的增大，应力扩散增强的增大，应力扩散增强HE1硬层硬层 E2E1成层成层均匀均匀H硬层硬层E1E2E1成层成层均匀均匀影响土中应力分布的因素影响土中应力分布的因素仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.3 3.3 附加附加应力应力 n 非线性和弹塑性非线性和弹塑性影响土中应力分布的因素影响土中应力分布的因素 对竖直应力计算值的影响不大对竖直应力计算值的
23、影响不大 对水平应力有显著影响对水平应力有显著影响n 变形模量随深度增大的地基变形模量随深度增大的地基 是一种连续非均质现象，在砂土地基中尤为常见是一种连续非均质现象，在砂土地基中尤为常见 使应力向应力的作用线附近集中使应力向应力的作用线附近集中 Ex/Ez1 时，时，Ex相对较大，有利于应力扩散相对较大，有利于应力扩散 应力扩散应力扩散n 各向异性地基各向异性地基仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水矩形面积水平均布荷载矩形面积水平均布荷载条形面积竖直均布荷载条形面积竖直均布荷载竖竖直直集集中中力力面积分面积分线积分：线积分：竖直线布荷载竖直线布荷载矩形面积竖直三角形荷载矩形面积竖直三角形荷载圆
24、形面积竖直均布荷载圆形面积竖直均布荷载矩形面积竖直均布荷载矩形面积竖直均布荷载宽度积分宽度积分L/B 10水水平平集集中中力力面积分面积分满足叠加原理，可对各种特殊荷载和面满足叠加原理，可对各种特殊荷载和面积进行分解和组合，利用已知解和求解积进行分解和组合，利用已知解和求解小小 结结3.3 3.3 附加附加应力应力 第三章：土体中的应力计算第三章：土体中的应力计算 影响因素影响因素 计算方法计算方法 分布规律分布规律3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 3.2 3.2 自重应力自重应力 3.3 3.3 附加应力附加应力 3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 3.5
25、3.5 有效应力原理有效应力原理 3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 F基底压力基底压力：基础底面传递给地基表面的压力，基础底面传递给地基表面的压力，也称也称基底接触压力。基底接触压力。F基底压力既是计算地基中附加应力的外荷载，基底压力既是计算地基中附加应力的外荷载，也是计算基础结构内力的外荷载，也是计算基础结构内力的外荷载，上部结上部结构自重及荷载通过基础传到地基之中构自重及荷载通过基础传到地基之中基底压力计算基底压力计算上部上部结构结构基础基础地基地基建筑物建筑物设计设计基础结构基础结构的外荷载的外荷载
26、基底反力基底反力基底压力基底压力附加应力附加应力地基沉降变形地基沉降变形仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 基底压力的基底压力的影响因素影响因素 刚度刚度 形状形状 大小大小 埋深埋深大小大小方向方向分布分布 土类土类 密度密度 土层结构等土层结构等n基底压力是地基和基底压力是地基和基础在上部荷载作基础在上部荷载作用下相互作用的结用下相互作用的结果，受荷载条件、果，受荷载条件、基础条件和地基条基础条件和地基条件的影响件的影响荷载条件：荷载条件：基础条件基础条件:地基条件：地基条件：暂不考虑上部结构的影暂不考虑上部结构的影响，用荷载代替上部结响，用荷载代替
27、上部结构，使问题得以简化构，使问题得以简化仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 抗弯刚度抗弯刚度EIEI=M M0 0基础只能保持平面下沉不能弯曲基础只能保持平面下沉不能弯曲分布分布:中间小中间小,两端无穷大两端无穷大基础抗弯刚度基础抗弯刚度EIEI=0 =0 M=0M=0基础变形能完全适应地基表面的变形基础变形能完全适应地基表面的变形基础上下压力分布必须完全相同，若基础上下压力分布必须完全相同，若不同将会产生弯矩不同将会产生弯矩条形基础，竖直均布荷载条形基础，竖直均布荷载基底压力的分布基底压力的分布n 弹性地基，完全柔性基础弹性地基，完全柔性基础n 弹性
28、地基，绝对刚性基础弹性地基，绝对刚性基础仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 荷载较小荷载较小 荷载较大荷载较大 荷载很大荷载很大基底压力的分布基底压力的分布n 弹塑性地基，有限刚度基础弹塑性地基，有限刚度基础砂性土地基砂性土地基 粘性土地基粘性土地基接近弹性解接近弹性解马鞍型马鞍型倒钟型倒钟型仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 简化计算方法：简化计算方法：假定假定基底压力按基底压力按直线分布的材料力学方法直线分布的材料力学方法基底压力的简化计算基底压力的简化计算基底压力的基底压力的分布形式十分布形式十分复杂分复杂圣
29、维南原理：圣维南原理：基底压力分布的影响仅限于一定深基底压力分布的影响仅限于一定深度范围，之外的地基附加应力只取度范围，之外的地基附加应力只取决于荷载合力的大小、方向和位置决于荷载合力的大小、方向和位置仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 BLPBP BLPBLPo ox xy yBP BP 基础形状与荷载条件的组合基础形状与荷载条件的组合矩矩形形 条条形形竖直中心竖直中心 竖直偏心竖直偏心 倾斜偏心倾斜偏心P:单位长度上的荷单位长度上的荷载载仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 矩形基础上的集中荷载矩形基础上的集中荷
30、载e ex xx xy ye ey yB BL LP矩形面积偏心荷载矩形面积偏心荷载B BL Lx xy yP矩形面积中心荷载矩形面积中心荷载单项偏心，偏心距单项偏心，偏心距e仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 eB/6:eB/6:eB/6:出现拉应力区出现拉应力区e ex xy yB BL LK KPK=B/2-eK=B/2-e矩形面积单向偏心荷载矩形面积单向偏心荷载出现拉力时，出现拉力时，应进行压力调应进行压力调整，原则：基整，原则：基底压力合力与底压力合力与总荷载相等总荷载相等3K3K仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.4 3.4 基底压力计算基
31、底压力计算 B Be ePPPvPh倾斜偏心荷载倾斜偏心荷载条形基础竖直偏心荷载条形基础竖直偏心荷载分解为竖直向和水平向荷分解为竖直向和水平向荷载，水平荷载引起的基底载，水平荷载引起的基底水平应力视为均匀分布水平应力视为均匀分布其它荷载其它荷载仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 F基底压力分布的基底压力分布的影响因素影响因素F基底压力的分布基底压力的分布形式形式F简化计算方法简化计算方法 荷载条件荷载条件 基础条件基础条件 地基条件地基条件 弹性地基弹性地基 弹塑性地基弹塑性地基假定基底压力按直线假定基底压力按直线分布的材料力学方法分布的材料力学方法小小
32、 结结第三章：土体中的应力计算第三章：土体中的应力计算 有效应力原理有效应力原理 有效应力计算有效应力计算 孔压系数孔压系数3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 3.2 3.2 自重应力自重应力 3.3 3.3 附加应力附加应力 3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 3.6 3.6 常规常规三轴压缩试验三轴压缩试验仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水太沙基太沙基（Karl Terzaghi)(1883-1963)太沙基 土力学的奠基人1921-1923年提出土的有年提出土的有效应力原理和土的固结理效应力原理和土的固结理论，论，
33、1925年出版经典著作年出版经典著作土力学土力学，首次将各种，首次将各种土工问题归纳成为系统的土工问题归纳成为系统的有科学依据的计算理论，有科学依据的计算理论，奠定了他作为土力学创始奠定了他作为土力学创始人的地位人的地位3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 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
34、、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，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有效应力原理有效应力原理仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 外荷载外荷载 总应力总应力 饱和土中的应力形态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
35、，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力F有由孔隙水来承担，通过连通的有由孔隙水来承担，通过连通的孔隙水传递，称之为孔隙水传递，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仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 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
36、 1饱和土有效应力原理饱和土有效应力原理仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 饱和土的有效应力原理饱和土的有效应力原理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仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 有效应力原理的讨论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
37、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，称为中性应力仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 3.5 3.5 有效应力原
38、理有效应力原理 有效应力原理的讨论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仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 有效应力原理的讨论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
39、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=100MPa仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 n自重应力情况自重应力情况 （侧限应变条件）（侧限应变条件）饱和土孔压和有效应力计算饱和土孔压和有效应力计算 静水条件静水条件 稳定渗流条件稳定渗流条件地下水位地下水位海洋土海洋土毛细饱和区毛细饱和区n 附加应力情况附加应力情况 单向压缩应力状态单向压缩应力状态等向压缩应力状态等向压缩应力状态偏差应力状态偏差应力状态仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5
40、3.5 有效应力原理有效应力原理 H H1 1H H2 2地面地面地下水位地下水位自重应力情况自重应力情况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（-)仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 H H1 1地面地面A地下水位地下水位自重应力情况自重应力情况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
41、 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 wH H 2 2=-u u(-)u=u=w wH H 2 2地下水位下降引地下水位下降引起起 增大的部分增大的部分3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水自重应力情况自重应力情况n 静水条件：静水条件：海洋土海洋土总应力：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=wH1+satH2 孔隙
42、水压力：净水压强孔隙水压力：净水压强u=w(H1+H2)有效应力：有效应力：=-u =H2H H1 1H H2 2=-uu=u=w w(H(H1 1+H+H2 2)地面地面水位水位 w wH H1 1Au=u=w w(H(H1 1+H+H2 2)(-)3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 自重应力情况自重应力情况n 静水条件：静水条件：毛细饱和区毛细饱和区H H1 1H H2 2=-u u地面地面总应力：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A=H1+satH 孔隙水压力：净水压强孔隙水压力：净水压强
43、u=wH2有效应力：有效应力：=-u =H1+satHc+H2毛细饱毛细饱和区和区u=u=w wH H2 2(+)(-)u=-u=-w wH Hc cH Hc cH Hu=u=w wH H2 2(+)(-)H H1 1 H H1 1+satsatH Hc c仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 自重应力情况自重应力情况n 稳定渗流条件：稳定渗流条件：Hh砂层（排水）砂层（排水）satsat向下渗流向下渗流Hh砂层砂层(承压水承压水)粘土层粘土层 satsat向上渗流向上渗流仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 自重应力
44、情况自重应力情况n 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仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 自重应力情况自重应力情况n 稳定渗流条件：稳定渗流条件：向下渗流向下渗流A土水整体分析土水整体分析总应力：总应力：=
45、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3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 自重应力情况自重应力情况n 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向上渗流向上渗流总应力：总应力：=+u=H-w h+w(H+h)=satH 孔隙水压力：净水压强孔隙
46、水压力：净水压强u=w(H+h)有效应力：有效应力：自重应力自重应力+渗透力渗透力 =H-w h取土骨架取土骨架为隔离体为隔离体自重应力自重应力:渗透应力渗透应力:仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 附加应力情况附加应力情况几种简单的情形：几种简单的情形：F侧限应力状态侧限应力状态F三轴应力状态三轴应力状态附加应力附加应力 z z土骨架土骨架有效应力有效应力孔隙水孔隙水孔隙压力孔隙压力u u外荷载外荷载土骨架孔隙水土骨架孔隙水超静孔隙超静孔隙水压力水压力仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 n 侧限应力状态及一维渗流
47、固结侧限应力状态及一维渗流固结l 实践背景：大面积均布荷载实践背景：大面积均布荷载侧限状态的简化模型侧限状态的简化模型附加应力情况附加应力情况pz=p不透水不透水岩层岩层饱和饱和压缩层压缩层pK0pK0p土体不能发生侧向变形，称土体不能发生侧向变形，称侧限状态侧限状态p不变形不变形的钢筒的钢筒仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 钢筒钢筒弹簧弹簧 水体水体 带孔活塞带孔活塞 活塞小孔大小活塞小孔大小渗透固结过程渗透固结过程初始状态初始状态边界条件边界条件一般方程一般方程n 侧限应力状态侧限应力状态 太沙基渗压模太沙基渗压模型型附加应力情况附加应力情况物理模
48、型物理模型p侧限条件侧限条件 土骨架土骨架 孔隙水孔隙水 排水顶面排水顶面 渗透性大小渗透性大小土体的固结土体的固结p仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 n 侧限应力状态侧限应力状态 太沙基渗压模太沙基渗压模型型附加应力情况附加应力情况p附加应力附加应力:z=p超静孔压超静孔压:u=z=p有效应力有效应力:z=0附加应力附加应力:z=p超静孔压超静孔压:u 0附加应力附加应力:z=p超静孔压超静孔压:u=0有效应力有效应力:z=p仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 附加应力情况附加应力情况固结过程中，固结过程中，u
49、 u和和随时间变化，固结过程的实质就随时间变化，固结过程的实质就是土中两种不同应力形态的转化过程是土中两种不同应力形态的转化过程超静孔压力超静孔压力u u是由外荷载引起的，它是超出静水位以是由外荷载引起的，它是超出静水位以上的那部分孔隙水压力，上的那部分孔隙水压力，u u总总=u=u静静+u超静超静侧限条件侧限条件t=0t=0时的超静孔压在数值上等于外荷载增量，时的超静孔压在数值上等于外荷载增量，也即，孔压系数：也即，孔压系数：n 侧限应力状态及一维渗流固结侧限应力状态及一维渗流固结F土体在受到外荷载后，产生超静孔隙水压力，超静孔隙土体在受到外荷载后，产生超静孔隙水压力，超静孔隙水压力随时间逐
50、步消散，土体骨架的有效应力逐渐增加，水压力随时间逐步消散，土体骨架的有效应力逐渐增加，这一过程称土体的这一过程称土体的渗流固结渗流固结仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 附加应力情况附加应力情况n 三轴应力状态三轴应力状态 1 3 2 1 2 2=3 3三轴应三轴应力状态力状态等向压缩等向压缩应力状态应力状态偏差应偏差应力状态力状态仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水3.5 3.5 有效应力原理有效应力原理 132三轴应三轴应力状态力状态等向压缩等向压缩应力状态应力状态偏差应偏差应力状态力状态3331-31-3=+附加应力情况附加应力情况n 三轴应力状态三