高等土力學

-有效應力及土的壓縮性-大綱有效應力定義強度的有效應力分析有效應力路徑（重塑土）超固結及結構性對有效應力路徑的影響砂土及粘土的區別總結工程問題-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-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.有效應力定義太沙基一維固結有效應力模型Terzaghi,K.TheoreticalSoilMechanics,JohnWiely&Sons,NewYork,1943.飽和土的有效應力飽和土中的有效應力有效應力：土中控制壓縮和抗剪強度的應力K.太沙基飽和土的孔隙壓力非飽和土的有效應力非飽和土中的有效應力Bishop（1959）：凈應力(netstress)：有效應力參數：吸力非飽和土的有效應力非飽和土中的強度公式Bishop（1959）：飽和土的有效內摩擦角：飽和土的有效內聚力Fredlund(1976)雙應力變量理論：外荷載引起的內摩擦角：內部基質吸力引起的內摩擦角2.強度的有效應力分析不同試驗的差別在于固結、剪切過程中的排水條件的不同。即使圍壓相同，由于固結、剪切過程中的排水條件不同，得到的全應力強度指標完全不同直剪試驗Mohr-coulomb破壞準則不固結不排水三軸試驗（UU試驗）不固結，在不排水條件下剪切。剪切速率很快（即使是滲透系數較低時）。

φu=0,cu=（σ1-σ3）max/2固結不排水三軸試驗（CU試驗）先固結，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。固結排水三軸試驗（CD試驗）先固結，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。尤其當滲透系數較低時，需數天才能完成。試驗方法三軸試驗UU試驗不同圍壓，變化的只是孔壓，有效應力是不變的φu=0,cu=（σ1-σ3）max/2CU&CD試驗三軸試驗中應力狀態等向固結偏應力剪切CU&CD試驗固結CU&CD試驗剪切CU&CD試驗剪切CU&CD試驗剪切CU&CD試驗剪切CU&CD試驗剪切CU&CD試驗摩爾庫倫破壞準則Mohr-coulombfailurecriterionCU&CD試驗摩爾庫倫(Mohr-coulomb)破壞準則（三主應力表達）UU、CU、CD試驗匯總圍壓相同，即使固結、剪切過程中的排水條件不同，得到的有效應力強度指標都一樣思考題為什么UU和CU的有效應力Mohr圓一樣？要帶著批判的精神讀教科書3.有效應力路徑（重塑土）重塑粘土的有效應力路徑正常固結粘土，排水剪切(Nakai,2005)重塑粘土的有效應力路徑正常固結粘土，不排水剪切(Nakai,2005)排水條件影響排水條件對應力-應變關系的影響qpqfACBBC’C’C不排水排水排水為什么CU試驗得到的初始剛度比CD試驗的大？理論問題-1路徑為①及②的兩種試驗的總應力路徑是完全不同的，但它們的有效應力路徑卻是相同的，都為③。①平均應力sm的三軸壓縮試驗總應力路徑②最小應力s3一定的壓縮試驗總應力路徑③①和②的有效應力路徑q①②③3p1C.S.L.理論問題-2求證圖中三種應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的有效應力路徑。土的參數為∶考慮任意2個平均主應力,不排水三軸壓縮試驗分別在初始有效應力為P10及P20下進行，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用有效應力路徑分析急速施工的有效應力路徑慢速施工的有效應力路徑總應力路徑+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用有效應力路徑分析急速施工的有效應力路徑慢速施工的有效應力路徑假設總應力路徑31-u32工程問題-3水中鋼板樁某近海地區用鋼板樁來圍海造田，鋼板樁內側堆土，為了增加外側土體的抵抗力（被動土壓力），工程師決定在施工鋼板樁后在外側的海底堆拋石。但拋石后發現鋼板樁的水平位移遠大于預測值，請問是什么機理。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.超固結及結構性對有效應力路徑的影響超固結的定義？同樣壓力下，孔隙比正常固結重塑土小結構性的定義？同樣壓力下，孔隙比正常固結重塑土大NCL超固結結構性elogp超固結NCL(afterAsaokaetal.,2000)(afterPuch,1970)自然土的結構性上海地層粘土：超固結的影響超固結土的力學特性：剪脹CD試驗NakaiandHinokio(2004):asimpleelastoplasticmodelfornormallyandoverconsolidatedsoilswithunifiedmaterialparametersCD試驗超固結土超固結土CU試驗粘土：超固結的影響[1]正常固結[2]超固結超固結土的有效應力路徑Residualstrength的Mohr圓表示CD試驗Mohr圓CU試驗總應力Mohr圓CU試驗有效應力Mohr圓Duf-Duf粘土：結構性的影響CD試驗粘土：結構性的影響CU試驗粘土：結構性&超固結的影響砂土的有效應力路徑[1]:Loosesand[2]:Mediumloosesand[3]:Mediumdensesand[4]:Densesand[5]:Verydensesand

CU試驗砂土的應力應變關系CD試驗軟化，硬化最根本的判斷：正常固結屈服面的擴大（硬化），縮小（軟化）Mediumdensesand,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，動應力比0.3N=20經歷循環荷載歷史后的砂土不排水剪切經歷排水循環振動0次經歷排水循環振動1次經歷排水循環振動3次經歷排水循環振動10次LambeandWhitman,1969,p1985.砂土及粘土的區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，港空研報告日本標準砂：豐浦砂15元/公斤中國標準砂Ottawasand超固結粘土密砂結構性粘土松砂結構性超固結粘土中密砂有效應力路徑分類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比的變化引起(剪脹)，然后才是結構性破壞引起（剪縮）砂土則相反，先是由結構性（顆粒排列，fabric）的破壞引起的，然后才是密度的變化引起(剪脹)粘土的結構性比砂土的難破壞，但比砂土容易壓縮。粘土的結構性是數千年數萬年沉積下來的，難破壞，所以mr*小（衰減慢）。砂土的密度難壓縮，所以mr小砂土的結構性（structure）有時候被稱為組構（fabric）。這兩個是很接近的概念，但fabric里還包含了各向異性（anisotropy）最近的本構里，傾向于把anisotropy和structure分開，所以把fabric和structure等同起來。anisotopy單獨分離。問題CriticalState(臨界狀態)?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）來獲得力學特性粘土與砂土的關注力學問題粘土：排水條件砂土：不排水條件為什么？滲透系數小，壓縮大，變形持續很長時間（包括所謂的次固結問題）滲透系數大，壓縮小，變形很快結束。但短時間的加載（地震等）引起超孔隙水壓問題顯著6.總結為什么有效應力這么重要？實現了“統一”反思：工程應用的現狀有效應力路徑在工程中應用很少，頂多是固結沉降地基承載力、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？有效應力是現代土力學中最重要的概念各種試驗得到不同的強度指