土體應(yīng)力

中性應(yīng)力和有效應(yīng)力

土是一種以固體顆粒為骨架的有孔物質(zhì)，孔隙中部分地或全部充滿著水，水不能承受剪應(yīng)力，但能承受正應(yīng)力，所以飽和土體中某平面上由荷載引起的剪應(yīng)力只能由土骨架承受，而正應(yīng)力則可能由土骨架和孔隙水共同承受。由于正應(yīng)力中由孔隙水傳遞的那一部分只能對土粒四周或不透水邊界加壓，并不能使土骨架受力和產(chǎn)生體積壓縮，也不直接影響土的抗剪強度，土的壓縮和強度實際上是受土骨架傳遞的那一部分正應(yīng)力所控制，所以土力學(xué)中常將由孔隙水傳遞的正應(yīng)力部分，稱為中性應(yīng)力(u),而將由土骨架傳遞的正應(yīng)力部分，稱為有效應(yīng)力(σ′),兩者的代數(shù)和稱總應(yīng)力（σ）。為了確定實際控制土的力學(xué)效應(yīng)的有效應(yīng)力，需先確定被考慮平面上的總應(yīng)力，然后按照該平面上孔隙水的受力條件確定中性應(yīng)力（包括靜水壓力和可引起水流動的超靜水壓力）， 有效應(yīng)力就可用代數(shù)式σ′=σ-u計算。

自重應(yīng)力和初始應(yīng)力

在研究自重應(yīng)力時，通常把天然地面下的土體理想化成為一個以水平面為邊界的、水平向均質(zhì)同性的半空間體，土層分界面也被假定成水平面。這樣的土體在水平面和垂直平面上都不會由于自重產(chǎn)生剪應(yīng)力,所以這些面都是主平面,它的自重應(yīng)力狀態(tài)就可用三個主應(yīng)力表示（見圖）。對正常壓密的土層，距地面深度h處的垂直總應(yīng)力為σ1=∑γihi，式中hi和γi分別為第i層土的厚度和容量。與σ1相應(yīng)的有效應(yīng)力σí=σ－u。當(dāng)孔隙水處于或接近于靜止?fàn)顟B(tài)時，在地下水位處u=0；在地下水位以下某一深度z處u=γwz;在地下水位以上的毛細水飽和區(qū)中的某一高度z′處u=－γwz′，式中γw為孔隙水容重。 距地面h深度處的水平有效應(yīng)力則可表為σ姟=σ岉=K0σí,式中K0為計算點所在土層的靜止側(cè)壓力系數(shù)，可通過試驗或按經(jīng)驗公式估計，其值一般小于 1。如果現(xiàn)地面是經(jīng)過地質(zhì)剝蝕后遺留下來的，或者所考慮的土層曾受過其他的超壓密作用,則K0可能大于1。這樣求得的σ1、σ2和σ3就代表天然土層中一點的應(yīng)力狀態(tài)。

在將土當(dāng)成線性變形體的假定前提下，均質(zhì)各向同性半無限空間土體中，任意一點由外加荷載引起的附加應(yīng)力，可用彈性力學(xué)中對界面上有集中荷載作用的應(yīng)力計算公式，按實際加載面積的幾何形狀和給定的接觸壓力分布形式通過積分求解。為了簡化計算，在土力學(xué)教科書中都列有數(shù)值表可供查用。對條形基礎(chǔ)和土堤等接近于平面變形問題中的附加應(yīng)力，可用界面上有均布線荷載作用的計算公式，通過相應(yīng)的積分求解。至于接觸應(yīng)力則是一個牽涉到土與建筑物相互作用的復(fù)雜問題。剛性基礎(chǔ)底面的接觸壓力通常按線性分布的假定用簡化的靜力平衡分析法求解。復(fù)雜情況下的土體應(yīng)力可用數(shù)值分析法求解。2100433B

受荷載的土體中各點的所有不同方向的平面上的應(yīng)力都是不相同的，這種隨著點的位置不同而呈現(xiàn)的應(yīng)力變化，稱為土體中的應(yīng)力分布。而通過一點的所有平面上的應(yīng)力的總體，則稱為該點的應(yīng)力狀態(tài)。土體中一點的應(yīng)力狀態(tài)可以用通過該點的任意三個互相正交的平面上的三個法應(yīng)力分量σx、σy、σz和三個獨立的剪應(yīng)力分量τxy、τyz、τzx完全確定;在已知三個主平面方向的條件下，也可用三個主應(yīng)力 σ1、σ2和σ3完全確定；在近代土力學(xué)研究中，則常用八面體法應(yīng)力σoct、八面體剪應(yīng)力 τoct和羅臺應(yīng)力角θσ 表示。由于各種荷載通常都不是瞬時地施加的，所以土體中任何一點的應(yīng)力狀態(tài)都會隨著加（卸）載的過程而變化，如果在主應(yīng)力空間把加（卸）載過程中代表各不同時刻的應(yīng)力狀態(tài)的各點順次地連接起來，這條連線就稱應(yīng)力路徑。因繪制空間應(yīng)力路徑比較麻煩,所以常常把它繪在σoct－τoct平面或稱p-q平面上。

利用三軸試驗土樣變形數(shù)字圖像測量系統(tǒng)，開展基于局部變形測量結(jié)果的土體應(yīng)力應(yīng)變特性研究，與整體變形的測量結(jié)果對比分析，確定土樣端部約束的影響范圍、約束效應(yīng)對土體應(yīng)力應(yīng)變特性的影響程度。選用經(jīng)典非線性彈性模型和彈塑性模型，針對代表性土類開展應(yīng)力應(yīng)變特性研究，根據(jù)試驗結(jié)果和模型的特點，對模型本身和模型參數(shù)整理方法進行改進使之更接近和如實反映土體應(yīng)力應(yīng)變特性。利用三軸土樣圖像測量局部變形和傳統(tǒng)測量整體數(shù)據(jù)，分析泊松比的變化規(guī)律及取值對計算結(jié)果的影響，研究土體泊松比參數(shù)的試驗方法和數(shù)值分析取值依據(jù)。從彈塑性模型出發(fā)，研究砂土材料在加卸載過程中的變形特性，分析顆粒破碎等物態(tài)變化對砂土應(yīng)力應(yīng)變影響，定量研究加載體脹和卸載體縮規(guī)律。 2100433B

平面應(yīng)變儀主要功能

1.進行平面應(yīng)變狀態(tài)下的土樣抗剪強度試驗，研究不同應(yīng)力狀態(tài)對抗剪強度指標(biāo)的影響。

2.開展平面應(yīng)變條件下土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的研究，并對計算土體應(yīng)力應(yīng)變特性經(jīng)常采用的數(shù)學(xué)模型（例如鄧肯模型）在平面應(yīng)變狀態(tài)下的適用性作出評價。

3.在平面應(yīng)變儀上同時實現(xiàn)對二對主應(yīng)力組合的控制，開展應(yīng)力路徑對抗剪強度影響的研究。

4.利用所得的應(yīng)力-應(yīng)變-強度-時間關(guān)系（即SST關(guān)系），在八面體應(yīng)力空間對土在平面應(yīng)變狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系進行研究。

平面應(yīng)變儀可開展的試驗項目

1.σ₁=σ₃情況下固結(jié)的不排水剪切試驗

2.K₀固結(jié)條件下的主動不排水剪切試驗

3.固結(jié)條件下的被動不排水剪切試驗

4. σ₁=σ₃情況下的固結(jié)排水剪切試驗

5. K₀固結(jié)條件下的主動排水剪切試驗

6. K₀固結(jié)條件下的被動排水剪切試驗

7.應(yīng)力路徑對抗剪強度影響的試驗