2012-土体变形特性.
2012土力学名词解释
《土力学》名词解释09级考试，名词解释：1.液性指数 2.压缩模量 3.达西定律 4.最优含水率 5.被动土压力6.超固结比7.固结度8.不均匀系数9.砂土相对密实度 10.临塑荷载马亢班小测，名词解释：1.管涌 2.先期固结压力 3.塑性指数 4.灵敏度 5.超固结比 6.压缩系数 7.不均匀系数 8.相对密实度 9。
渗透系数第一章 土的组成（王志磊）1. d60—小于某粒径的土粒质量占土总质量60％的粒径，称为限定粒径（限制粒径）；d10—小于某粒径的土粒质量占土总质量10％的粒径，称为有效粒径；2.不均匀系数C u : 小于某粒径的土粒质量占土总质量60％的粒径与小于某粒径的土粒质量占土总质量10％的粒径的比值。
即C u =d 60/d 10.3.曲率系数C c ：C c =d 230/(d 60*d 10).4.毛细水：受到水与空气交界面处表面张力的作用、存在于地下水位以上的透水层中自由水5.结合水－指受电分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水。
这种电分子吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固地粘结在一起。
结合水分为强结合水和弱结合水两种。
6.强结合水：紧靠土粒表面的结合水，其性质接近于固体，不能传递静水压力，具有巨大的粘滞性、弹性和抗剪强度，冰点为-78度，粘土只含强结合水时，成固体状态，磨碎后成粉末状态。
7.弱结合水:强结合水外围的结合水膜。
8.土的结构:指土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。
土的结构和构造对土的性质有很大影响。
9.土的构造:物质成分和颗粒大小等都相近的同一土层及其各土层之间的相互关系的特征称之。
第二章 土的物理性质及分类（杨少鹏，李顺时）1.土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比(用百分数表示)。
2土粒相对密度（比重）：土的固体颗粒质量与同体积4℃时纯水的质量之比。
3.土的密度：土单位体积的质量称为土的（湿）密度。
4.土的干密度：土单位体积中固体颗粒部分的重量。
土木工程中的土体侧向变形与稳定性
土木工程中的土体侧向变形与稳定性土木工程是以土木资源为基础，运用工程技术和科学原理来建设和改造人类生活环境的学科。
在土木工程中，土体侧向变形和稳定性是一个非常重要的问题。
它涉及到土体的结构特性、地基基础设计、土体抗震性能等方面，对于工程的安全和可持续性发展具有至关重要的意义。
土体的侧向变形是指土体在受到外界力作用下发生的变形现象。
土体作为一种多孔介质，其内部的颗粒之间会发生相互位移和伸缩，从而引起土体体积的变化。
这种变形可能会导致土体的沉降、膨胀、压缩、位移等问题，给土木工程的安全性和稳定性带来威胁。
土体的侧向变形与土体的物理性质密切相关。
土体的颗粒间隙、颗粒形状和结构紧密程度等因素都会影响土体的侧向变形特性。
例如，土体的孔隙度越大，颗粒间的位移空间就越大，土体的侧向变形性能就越明显。
此外，土体的含水量也是一个重要的因素。
当土体含水量较高时，水分会填充土颗粒间的空隙，增加颗粒间的粘着力，土体的侧向变形性能会受到影响。
土体的稳定性是指土体在承受外力作用时不发生较大变形和破坏的能力。
土体的稳定性是土木工程设计中必须考虑的一个关键问题。
一旦土体的稳定性不足，可能会导致工程结构的倾斜、沉降等问题，甚至造成灾难性的崩塌。
因此，土体的稳定性分析和设计非常重要。
土体的稳定性可通过材料强度、土体的内摩擦角和胀缩特性等来评估。
材料强度是指土体抵抗变形和破坏的能力，它与土体的物理性质有关。
土体的内摩擦角是一个反映土体内部粒间摩擦力大小的参数，它描述了土体颗粒之间的相互作用力。
胀缩特性是指土体在受到水分影响时自身体积的变化特性，胀缩特性会对土体的稳定性产生重要影响。
为了保证土体的侧向变形和稳定性，土木工程中通常会采取一系列的措施。
首先，对土体进行合理的基础设计和施工，确保土体充分密实，减少颗粒间的位移空间。
其次，通过加固土体，增加土体的强度和稳定性。
目前，常用的加固土体的方法主要包括土壤固化、土体加筋和土体加固等。
这些方法有效地提高了土体的稳定性和抗震能力，保障了土木工程的安全运行。
土体小应变硬化模型的深基坑变形特性数值分析
[6] 白成生.佛山东平广场坑边逆作深基坑变形数值分析 [J].岩土工程学报,2012，34(增刊1):139-154．
[7] 刘畅.考虑土体不同强度与变形参数及基坑支护空间 影响的基 坑 支 护变 形 与内力研 究 [ D] .天津 :天津 大学， 2008．
工程技术 DOI：10.16660/ki.1674-098X.2019.03.053
科技创新导报 2019 NO.03
Science and Technology Innovation Herald
土体小应变硬化模型的深基坑变形特性数值分析①
吴小斌1 罗元喜1* 何亮2 李雄威2 (1.江苏省地矿局第二地质大队 江苏常州 213022;2.常州工学院 江苏常州 213002)
表1 莫尔库伦和HSS模型参数
土层
序号 ①填土 ②粘土 ③粉土 ④砂土 ⑤粘土 ⑥粉土 ⑦粘土
层厚 E
/m /MPa 2.0 29 4.0 37 4.0 47 12.5 55 5.0 35 10.0 37 37.5 49
C
φ
/kPa /（°）
10.0 10.0 28.1 17.5 9.9 28.1 8.0 31.1 29.7 18.9 10.7 25.9 34.7 18.4
土体的HSS模型参数，并对参数中的模量关系做了分析。 由于 岩土材料 具 有明显的地 域性，需要对不同地区 土
层开展土工试验获取HSS模型参数，并将其应用于数值模 拟中。本文 基于 试 验获得的常州区域 土体H S S 模 型参 数， 采用Plaxis软件开展了地铁车站深基坑开挖的有限元数值 模拟，探讨的深基坑开挖影响下围护结构和周围土体的变 形特性。
土力学固结实验报告
一、实验目的本次实验旨在通过土力学固结实验，了解土体在荷载作用下的压缩变形特性，测定土的压缩系数、压缩模量、体积压缩系数、压缩指数、回弹指数、竖向固结系数、水平向固结系数以及先期固结压力，为工程设计和土体稳定性分析提供理论依据。
二、实验原理土体在荷载作用下，其空隙间的水和空气逐渐被挤出，土的骨架颗粒之间相互挤紧，封闭气泡的体积也将缩小，从而引起土体的压缩变形。
土的压缩变形主要受土的颗粒组成、密度、含水量、土的结构等因素的影响。
三、实验仪器1. 小型固结仪：包括压缩容器、加压设备、环刀（内径61.8mm，高20mm，面积30cm²）、单位面积最大压力4kg/cm²、杠杆比1：10。
2. 测微表：量程10mm，精度0.01mm。
3. 天平：最小分度值0.01g及0.1g各一架。
四、实验步骤1. 按工程需要选择面积为30cm²的切土环刀取土样。
2. 在固结仪的固结容器内装上带有试样的切土环刀（刀口向下），在土样两端贴上洁净而润湿的滤纸，放上透水石，然后放入加压导环和加压板以及定向钢球。
3. 检查各部分连接处是否转动灵活；然后平衡加压部分。
4. 横梁与球柱接触后，插入活塞杆，装上测微表，并使其上的短针正好对准6字，再将测微表上的长针调整到零，读测微表初读数R0。
5. 根据实验要求，逐级施加荷载，每级荷载保持一定时间（如24小时）。
6. 在荷载作用下，观察并记录土样高度的变化和测微表的读数。
7. 当荷载达到最大值后，逐渐卸载，观察并记录土样高度的变化和测微表的读数。
8. 根据实验数据，计算土的压缩系数、压缩模量、体积压缩系数、压缩指数、回弹指数、竖向固结系数、水平向固结系数以及先期固结压力。
五、实验结果与分析1. 压缩系数：土的压缩系数是指土体在单位压力作用下，单位时间内的体积压缩量。
本次实验中，土的压缩系数为0.1mm²/kg，说明土的压缩性较好。
2. 压缩模量：土的压缩模量是指土体在单位压力作用下，单位体积的压缩变形量。
土的本构结构
土的本构关系土体是天然地质材料的历史产物。
土是一种复杂的多孔材料,在受到外界荷载作用后,其变形具有以下特性：①土体的变形具有明显的非线性,如:土体的压缩试验e～p 曲线、三轴剪切试验的应力—应变关系曲线、现场承载板试验所得的p～s曲线等; ②土体在剪切应力作用下会产生塑性应变,同时球应力也引起塑性应变; ③土体尤其是软粘土,具有十分明显的流变特性;④由于土体的构造或沉积等原因,使土具有各向异性; ⑤紧砂、超固结粘土等在受剪后都表现出应变软化的特性; ⑥土体的变形与应力路径有关,证明不同的加载路径会出现较大的差别; ⑦剪胀性等。
为了更好地描述土体的真实力学—变形特性,建立其应力、应变和时间的关系,在各种试验和工程实践经验的基础上提出一种数学模型,即: 土体的本构关系。
自从Roscoe等人首次建立了剑桥模型以来, 土的本构关系的研究经历了一个蓬勃发展的阶段, 出现了一些具有实用价值的本构模型。
虽然很多的理论为建立土的本构关系提供了有力的工具, 但是由于土是一种三相体材料, 在性质上既不同于固体也不同于液体, 是介于两者之间的特殊材料, 所以人们常借助于固体力学或流体力学理论, 同时结合工程实践经验来解决土工问题, 从而研究土的本构关系形成了自己一套独特的方法—半理论半经验的方法。
建立一个成功的本构关系关键有两点：第一要建立一个函数能较好地反映土在受力下的响应特征；第二要充分利用试验结果提供的数据比较容易地确定模型参数。
模型都需要满足以下基本条件：（1）不违背更高一级的基本物理原理（如热力学第一、第二定律）。
（2）建立在一定的力学理论基础之上（如弹性理论、塑性理论等）。
（3）模型参数能够通过常规试验求取。
从工程应用的角度出发，研究问题的精度就需要进行合理的控制，从而在计算精度与计算设备、计算难度、计算时间以及计算成本之间获得平衡。
另外，任何理论、方法都应以实践应用为目的，这样才具有价值。
综合上述两点，从工程应用的角度去分析各种土的本构关系是非常有必要的。
土体变形特性—土的压缩性
土的压缩主要表现为： （1）固体颗粒被压缩 （2）土中水及封闭的气体被压缩 （3）孔隙中的水和气体被排出
16.1土的压缩原理
❖ 土的压缩一般看作是：土中水和气体从孔隙中被挤出，土粒调整位置，重行排列，互 相挤紧，从而孔隙体积减小，土体压缩。
16.1土的压缩原理
❖ 土的压缩性：土在压力作用下体积减小的特性。 ❖ 土的固结：土的压缩随时间而增长的过程。 ❖ 计算地基沉降量时，必须取得土的压缩性指标，在一般工程中，常用不允许土样产生 侧向变形(侧限条件)的室内压缩试验来测定土的压缩性指标——压缩系数、压缩模量。
16.2侧限压缩试验
❖ 土的侧限压缩试验(固结试验)：是通过测量土样在各级压力P作用下产生的压缩变形 量S,计算出对应于每一级压力下土样的孔隙比e,从而绘制出压缩曲线e-P,计算土的压缩 系数a1-2、压缩模量Es,评价土的压缩性。
为了便于应用和比较，通常采 用压力间隔由增加到时所得的压缩 系数来评价土的压缩性。
16.3压缩指标
❖ 压缩模量：是土体在无侧向变形（有侧限）条件下，竖向压应力与竖向应变的比值。
❖ 土的压缩模量可根据下式计算：
ES
1 e1 α
单位： ——压缩模量，MPa。 ——压缩系数，MPa-1；
16.3压缩指标
16.2侧限压缩试验
❖ 加荷方式
按 p=50、100、200、400kPa逐级加荷。
试验结果：
P
P1
es
e0P2P3 荷载源自e1 e2 s2s1
t
s3 变形量 e3 土体厚度
t
16.2侧限压缩试验
❖ 逐级加荷意义
按 p=50、100、200、 400kPa逐级加荷的意义： 在于模拟地基的受力状态。
第四章土的变形特性和地基沉降计算
第四章土的变形特性和地基沉降计算土的变形特性和地基沉降计算是土木工程中非常重要的内容。
土的变形特性研究土体在外力作用下的变形规律和特性，而地基沉降计算则是根据土的变形特性来预测地基的沉降情况。
下面将详细介绍土的变形特性和地基沉降计算的相关内容。
1.土的变形特性土体受到外力作用时会发生变形，主要有弹性变形、塑性变形和剪切变形。
(1)弹性变形：土体在外力作用下，会发生弹性变形。
当外力去除后，土体会恢复到原来的状态。
弹性模量是衡量土体抗弯刚度的指标，可以通过简单的试验来确定。
(2)塑性变形：土体在超过一定应力范围时，会发生塑性变形。
土体的塑性是由于土颗粒之间存在黏聚力和内摩擦力。
土壤的塑性特性可以通过塑性指数来描述，塑性指数越大，土体的可塑性越强。
(3)剪切变形：土体在受到剪应力作用时，会出现剪切变形。
剪切变形会导致土体体积变化，产生剪切应变。
土壤剪切特性可以通过剪切强度来描述，剪切强度是土体抵抗剪切破坏的能力。
地基沉降是指地基在建筑物或其他荷载作用下产生的垂直变形。
地基沉降计算是为了预测和控制建筑物在使用过程中由于地基沉降而产生的沉降量。
地基沉降计算可以分为弹性沉降和塑性沉降两部分。
(1)弹性沉降：建筑物的地基沉降可以通过应力-应变关系来进行计算。
根据土体弹性模量、建筑物底面积和载荷大小，可以确定建筑物的弹性沉降量。
(2)塑性沉降：塑性沉降是由于土体的塑性变形而产生的沉降。
塑性沉降的计算需要考虑土壤的塑性指数、建筑物底面积和载荷大小。
塑性沉降计算可以使用维罗耐氏公式或其他合适的公式进行。
地基沉降计算的结果可以作为设计和施工的依据，可以预测建筑物在使用过程中的变形情况，从而保证建筑物的安全和稳定。
总结：土的变形特性和地基沉降计算是土木工程中重要的内容，了解土的变形特性可以帮助预测地基的变形情况，地基沉降计算是为了预测和控制建筑物的沉降量。
研究土的变形特性和进行地基沉降计算能够保证建筑物的安全和稳定。
常用土体本构模型及其特点小结
常用土体本构模型及其特点小结------- 山中一草➢线弹性模型线弹性模型遵从虎克定律，只有2个参数，即弹性模量E和泊松比v，它是最简单的应力-应变关系，但无法描述土的很多特征，主要应用于早期的有限元分析及解析方法中，可用来近似模拟较硬的材料如岩土。
➢Duncan-Chang（DC）模型DC模型是一种非线性弹性模型，它用双曲线来模拟土的三轴排水试验的应力-应变关系（图1）。
它侧重于刻画土体应力-应变曲线非线性的简单特征，通过弹性参数的调整来近似地考虑土体的塑性变形。
但所用的理论仍然是弹性理论而没有涉及到任何塑性理论，故仍不能反映如应力路径对变形的影响、土体的剪胀特性和球应力对剪应变的影响等土体的很多重要性质。
由于DC模型是在为常数的常规三轴试验基础上提出的，比较适用于围压不变或变化不大、轴压增大的情况，如模拟土石坝和路堤的填筑。
➢Mohr-Coulomb（MC）模型MC模型是一种弹-理想塑性模型，它综合了胡克定律和Coulomb破坏准则。
有5个参数，即控制弹性行为的2个参数：弹性模量E和泊松比v及控制塑性行为的3个参数：有效黏聚力c、有效内摩擦角和剪胀角。
MC模型采用了弹塑性理论，能较好地描述土体的破坏行为但却认为土体在达到抗剪强度之前的应力-应变关系符合胡克定律，因而并不能较好地描述土体在破坏之前的变形行为，且不能考虑应力历史的影响及区分加荷和卸荷。
故MC模型能较好地模拟土体的强度问题，MC模型的六凌锥形屈服面（图2）与土样真三轴试验的应力组合形成的屈服面吻合得较好，因此MC模型适合于低坝、边坡等稳定性问题的分析。
➢Drucker -Prager（DP）模型DP模型对MC模型的屈服面函数作了适当的修改，采用圆锥形屈服面（图3）来代替MC模型的六凌锥屈服面，易于程序的编制和进行数值计算。
它存在与MC模型同样地缺点，相对而言，在模拟岩土材料时，MC模型较DP模型更加适合。
➢修正剑桥模型（MCC）MCC模型为等向硬化的弹塑性模型，它修正了剑桥模型的弹头形屈服面，采用帽子屈服面（椭圆形）（图4），以塑性体应变为硬化参数，能较好地描述黏性土在破坏之前的非线性和依赖于应力水平或应力路径的变形行为，MCC模型从理论上和试验上都较好地阐明了土体的弹塑性变形特征，是应用最为广泛的软土本构模型之一。
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• 土体的塑性变形也与颗粒的错位滑移有关。在各向相 等的压力作用下，从宏观上来说，是不受剪切的；但 在微观上，颗粒间有错动。图2－4可以说明这种变形 机理。压缩前，颗粒架空，存在较大孔隙；压缩后， 有些颗粒挤入原来的孔隙中，颗粒错动，相对位置调 整，颗粒之间发生着剪切位移。当荷载卸除后，不能 再使它们架空，无法恢复到原来的体积，就形成较大 的塑性体积变形。
图2－7 球应力变化引 起的剪应变
• 当围压降到一定值，莫尔圆与库仑破裂线相切，土样 剪坏，这时剪应变已发展到很大数值。由此可见，球 应力的变化确实引起了不可恢复的剪应变。
• 这种应力变化可以用图2－7 (b)中q－p坐标系中的应力 路径AB来表示。这里p为球应力，q由式(2－4)确定， 即
q 1 2
性是散粒体材料的一个非常重要的特性。
• 砂土受剪所产生体积变形可用图2－6来说明。假定土体沿 水平向受剪切。对于松砂，受剪后某些颗粒填入原来的孔隙， 体积减小；对于密砂，原来的孔隙体积较小，受剪时一些颗 粒必须上抬才能绕过前面的颗粒产生错动滑移，于是体积膨 胀。粘土的剪胀、剪缩机理也是相似的。剪切引起的体积变 形与颗粒的错动相关联，当荷载卸除后，便不能恢复，应看 作塑性体积变化，另外，根据虎克定律，剪应力不 引起 弹性体积变形。因此，剪切所引起的体积变形也只能认为全 部是塑性变形。
•
土பைடு நூலகம்、地基等实际问题中，土体各点的应力状况、
变形历史，是千变万化的，无法在试验中模拟所有这
些变化，因此有必要在试验基础上提出某种数学模型
把特定条件下的试验结果推广到一般情况。这种数学
模型，就叫做本构模型。本构模型是用数学手段来体
现试验中所发现的土体变形特性。土体的变形特性是
建立本构模型的根据，也是检验本构模型理论的客观
1 2 2 2 3 2 3 12
q称为偏应力，或广义剪应力，或等效应力 ，或应力强度。q放映了复杂应力状态下受 剪的程度，因此常用来表示剪应力。
• 对于轴对称的试样受力情况，q 1 3 。
图2－6 松砂和密砂的剪胀性 (a) 松砂；(b) 密砂
• ㈢塑性剪应变
• 土体受剪发生剪应变。剪应变的一部分与 骨架的轻度偏斜相对应，荷载卸除后能恢 复，它是弹性剪应变。另一部分则与颗粒 之间的相对错动滑移相联系，为塑性剪应 变。
• 不仅剪应力能引起剪应变，体积应力也会 引起剪应变。三轴仪中的土样，在应力和 下变形稳定后，保持不变而降低，则会发 现，随着减小，轴向应变不断增大，直至 最后达到破坏。在这一应力变化过程中， 应力莫尔圆直径不变，位置不断向左移动， 如图2－7 (a)，莫尔圆从A移动到B。
图2－4 土体的压缩 (a)压缩前； (b)压缩后
• 不仅压力会引起塑性体积变形，而且剪切也会引起塑 性体积变形。在三轴仪中对土样施加偏压力的同时， 减小围压，而保持平均法向应力（球应力）p不变，即
p
1 3
1
2
3
所得出的应力－应变曲线将如图2－5所示。尽量体积应力 p不变，但图中仍有体积应变，可见测得的体积应变完全 是剪切造成的。
示。OA为加荷段，AB为卸荷段。卸荷后能恢复的应变即弹
性应变。不可恢复的那部分应变为塑性应变。
图2－2 加荷与卸荷的应力应变曲线
• 经过一个加荷退荷循环后，再加荷，将如图2－2中的
BC段所示，它并不与AB线重合，而存在一个环，叫回
滞环。回滞环的存在表示退荷再加荷过程中能量消耗 了，要给以能量的补充。再加荷还会产生新的不可恢 复的变形，不过同一荷载多次重复后塑性变形逐渐减 小。
图2－5 剪切引起的体积应变 (a) 剪缩；(b) 剪胀
图2－5 剪切引起的体积应变 (a) 剪缩；(b) 剪胀
在图2－5 (a)中，体积应变随偏应力增大而增大。剪切引 起的体积收缩，叫剪缩。软土和松砂常表现为剪缩。在 图2－5 (b)中，开始阶段为剪缩，以后曲线向上弯曲，即 体积膨胀，这种现象叫做剪胀。紧密砂土，超固结粘土， 常表现为剪胀。文献中常把剪切引起的体积变化，不管 膨胀还是收缩，都称为剪胀性，剪缩是负的剪胀。剪胀
变之间的关系曲线。与金属等材料不同的是，初始的直线阶段很短，对于 松砂和正常固结粘土，几乎没有直线阶段，加荷一开始就呈非线性。土体 的非线性变形特性比其他材料明显得多。
图2－1 材料的应力－应变关系 (a)金属 (b)土体
• 这种非线性变化的产生，就是因为除弹性变形以外还出现 了不可恢复的塑性变形。土体是松散介质，受力后颗粒之 间的位置调整在荷载卸除后，不能恢复，形成较大的塑性 变形。如果加荷到某一应力后再卸荷，曲线将如图2－2所
• 土体在各种应力状态下都有塑性变形，哪怕在加荷初 始应力－应变关系接近直线的阶段，变形仍然包含弹 性和塑性两部分。退荷后不能恢复到原点。非线性和 非弹性是土体变形的突出特点。
• ㈡塑性体积应变和剪胀性
• 土体受力后会有明显的塑性体积变形。图2－3为土样 在三轴仪中逐步施加各向相等的压力p后，再卸除，所 得到的p与体积应变之间的关系曲线。可见存在不可恢 复的塑性体积应变，而且它往往比弹性体积应变更大。 这一点与金属不同，金属被认为是没有塑性体积变形 的。塑性变形是由于晶格之间的错动滑移而造成的， 它只体现形状改变，不产生体积变化。
2 土的本构模型
土体的变形特性
土的本构关系，不是凭空设想的，而是在整理分 析试验结果的基础上提出来的。用压缩仪、三轴仪、 平面应变仪、真三轴仪等进行试验，得出土的应力－ 应变关系。这种关系放映了土体变形的特性。但试验 有一定的局限性，试验总是在某种简化条件下进行的 ，即使真三轴仪能考虑三维受力状态，试验也只能按 某种应力状态、某种加荷方式进行。
标准。在介绍本构模型理论之前，首先来讨论土体变
形究竟有那些规律。
• ㈠ 非线性和非弹性
• 金属和混凝土等坚硬材料，在受轴向拉压时，应力－应变关系如图2－1(a)
所示，初始阶段为直线，材料处于弹性变形状态；当应力达到某一临界值 时，应力－应变关系明显地转为曲线，材料同时存在弹性变形和塑性变形。
土体也有类似的特性，图2－1(b)为土的三轴试验得出的轴向应力与轴向应