当前位置:首页 >> 建筑/土木 >>

第五节有效应力原理


第五节 有效应力原理 太沙基(K. Terzaghi)早在1923年就提出了有效应力原 理的基本概念,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,从而使土力学成为一门独 立学科的重要标志。 一、饱和土体的有效应力原理

1. 三个基本概念:
A 有效应力(effective stress) 是由颗粒间接触点传递的应力, 会使土的颗粒产生位移,引起 土体的变形和强度的变化的应

力,用σ′表示。

B 孔隙水压力(pore water pressure)由孔隙水传递的应 力,它不能直接引起土体的变形和强度变化,又称为中 性压力,在固结过程中不随时间而变化,用u表示。

C 超静孔隙水压力(excess pore water pressure)由外荷 引起的超出静水位以上的那部分孔隙水压力。它在固结 过程中不断变化,固结终了时应等于零,用△u表示。
2.有效应力原理 作用于饱和土体内某截面上总的正应力σ由两部分组 成:一部分为孔隙水压力u,另一部分为有效应力σ’, 饱和土中总应力与孔隙水压力、有效应力之间存在如下 关系:

推导:
若单位断面积A—A上颗粒接触点面积为a,则孔隙水 压力作用面积为1-a。则有:

? ? ? ? ? u?1 ? a ?
又a很小,可忽略不计,故: ? ? ? ? ? u 上式即为太沙基提出的饱和土体有效应力原理。它是 研究土体固结和强度的重要理论基础。 饱和土体有效应力原理的要点:

1.饱和土体内任一平面上受到的总应力等于有效应力加孔 隙水压力之和;
2.土的变形(压缩)与强度的变化都仅取决于有效应力的 变化。

二、饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 (一)自重应力作用下的两种应力

h2

图3-22a为处于水下的饱和土层,在地面下h2深处的A点, 由于水体和土体自重对地面以下A点处作用的垂向总应 力σ为:

式中:γw--水的重度,kN/m3;γsat--土的饱和重度,kN/m3。 A点处由孔隙水传递的静水压力,即孔隙水压力为:

根据有效应力原理,由于土体自重对A点作用的有效 应力应为:

式中:γ′--土的浮重度,kN/m3。
两种压力随深度的分布,如图3-22b所示。 自重应力作用下两种应力的计算过程见例题3-5。

【例题3-5】某土层剖面,地下水位及其相应的容重如下图 所示。试求:1)垂直方向总应力σ、孔隙水压力u和有效应 力σ′沿深度z的分布;2)若砂层中地下水位以上1m范围内 为毛细饱和区时,σ、u、σ′将如何分布?

解:1)地下水位以上无 毛细饱和区时的σ、u、σ′ 分布值见下表。σ、u、σ′ 沿深度的分布如下图中实线 所示。

例题3-5计算表格1
深度z(m) 2 3 σ(kN/m2) 2×17=34 3×17=51

u(kN/m2)
0 0

σ′(kN/m2) 34 51

5 9

(3×17)+(2×20)=91

2×9.8=19.6

71.4 108.2

(3×17)+(2×20)+(4×19)=1 6×9.8=58.8 67

2)地下水位以上有毛细饱和区时的σ、u、σ′分布值见下 表。σ、u、σ′沿深度的分布如上图中虚线所示。
例题3-5计算表格2 深度 z(m) 2 3 5 σ(kN/m2) 2×17=34 34+1×20=54 54+2×20=94 σ′(kN/ m2) 43.8 54 74.4

u(kN/m2)
-9.8 0 19.6

9

94+4×19=170

58.8

112.2

(二)渗流作用下的两种应力
在渗流作用下,土体中的有效应力及孔隙水压力将会发 生变化。如在图3-23a的土层中,由于水头差而发生自下而 上的渗流时:

对于A点有:

如在图3-23b的土层中,由于水头差而发生自上而下的渗 流时,对于A点有:

在渗流产生的渗透力的作用下,其有效应力与渗流作用 的方向有关。当自上而下渗流时,将使有效应力增加,因
而对土体的稳定性有利。反之,若向上渗流则有效应力减 小,对土体的稳定性不利,若使得有效应力减少至0,即 可能发生所谓的流砂和管涌现象,造成地基或边坡的失稳。

三、附加应力作用下孔隙水压力和有效应力的计算
在外荷作用下,土体中各点产生的应力增量,称为附加 应力。对饱和土,土体中任一点的附加应力σ是由粒间接触 点的有效应力σ′和孔隙水压力u承担。 此处仅考虑侧限应力状态,对于其他较复杂的情况参见 相关书籍。

如果地面上作用着大面积连续均布荷载,而土层厚度 又相对较薄时,则土层中引起的附加应力σz属于侧限应力 状态。这时,外荷p在土层中引起的附加应力σz将沿深度 均匀分布,即σz=p。显然,这种应力条件下土体在侧向 上不能发生变形。 p ∞ ∞
?z ? p

Z 为了模拟饱和土体受到连续均布荷载作用后,在土中 所产生的孔隙水压力以及u与σ′随时间t的变化规律, 1925年太沙基最早提出了一个渗压模型,如图3-24所示。

通过模拟侧限状态下饱和土体的渗流固结过程,可以 得到如下的两点认识:

(1)整个渗流固结过程中u和σ′都是随时间t而不断变 化着的,即u=f(t),σ′=f(t)。渗流固结过程实质上就是 土中两种不同应力形态的转化过程。
(2)这里的u是指超静水压力,所谓超静水压力,是外 荷载引起的,超出静水位以上的那部分孔隙水压力。它 在固结过程中随时间不断变化,固结终了时应等于零。 饱水土层中任意时刻的总孔隙水压力应是静孔隙水压力 与超静孔隙水压力之和。


赞助商链接
相关文章:
《土力学与基础工程》教学大纲
自重应力、基底压力的计算; 2、掌握地基附加应力的计算; 3、掌握有效应力原理。...抗剪强度指标的选择 第五节 应力路径 一、应力路径的基本概念 二、三轴压缩...
5——土力学
有效应力原理 第三节. 土的压缩性 第四节. 地基最终沉降量计算 第五节. 土的变形和时间的关系 第六节. 建筑物沉降观测与地基允许变形值 重点和难 点 本章...
试验检测材料考试复习指南
第五节:土的击实 一、击实的工程意义及试验原理 击实试验分:重型击实、轻型...有效钙加氧化镁含量、未消化残渣含量、含水率、细度、氧化镁含量 粉煤灰的技术...
土力学教学大纲(本科)
第四章 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 土的压缩性和地基沉降计算 土的压缩性概念 有效应力原理 土的压缩性 地基最终沉降量计算 土的变形和...
《土力学》授课教案
第五节 竖向分布荷载作用下土中应力计算(二) 第六节 应力计算中的其他一些问题 第七节 有效应力原理 2.教学要求 (1)掌握土中附加应力的计算以及有效应力公式 ...
《土力学与基础工程》教学大纲
第四节 无粘性土的密实度 一、无粘性土的物理性质指标 第五节 粘性土的物理...第四节 有效应力原理 一、有效应力试验 二、饱和土的有效应力原理 第四章 土...
土力学 地大
有效应力原理 应力路径 第五章 地基变形计算 第一节 概述 第二节 土的压缩性 第三节 地基最终沉降量计算 第四节 饱和土体渗透固结理论 第五节 地基容许沉降量...
2012试验检测工程师考试复习指南2
第五节:土的击实 一、击实的工程意义及试验原理 击实试验分:重型 重型击实...有效钙加氧化镁含量、未消化残渣含量、含水率、细度、氧化镁含量 粉煤灰的技术...
2011试验检测工程师考试复习指南
第五节:砂浆 一、组成材料 二、技术性质 三、砌筑砂浆的配合比设计 第六节:...⑸土体压缩性指标及强度指标 理解:压缩机理;有效应力原理;与强度有关的工程问题...
水文地质教学大纲
第四节:有效应力原理与松散岩石压密 太沙基有效应力原理。 第三章 地下水的...第五章 地下水的化学成分及其形成作用第一节:概述 第二节:地下水的化学特征 ...
更多相关标签: