孔隙压力、有效应力和排水

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土力学与地基基础复习资料

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土力学复习资料绪论一、概念1土力学:是利用力学根本原理和土工测试技术等方法,研究地表土的物理、力学特性及其受力后强度和体积变化规律的学科土力学里的"两个理论,一个原理"是强度理论、变形理论和有效应力原理土力学中的根本物理性质有哪四个?应力、变形、强度、渗流。

2地基:支撑根底的土体或岩体。

分类:天然地基、人工地基3根底:结构的各种作用传递到地基上的结构组成局部。

根据根底埋深分为:深根底、浅根底4土:连续、巩固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒,经过不同的搬运方式,在各种自然环境中生成的沉积物。

二、知识点1土的工程用途:(1)建筑物的地基(2)建筑材料(3)建筑环境或介质2地基与根底设计必须满足的三个条件:①作用于地基上的荷载效应〔基底压应力〕不得超过地基容许承载力特征值,挡土墙、边坡以及地基根底保证具有足够防止失稳破坏的平安储藏。

即满足土地稳定性、承载力要求。

②根底沉降不得超过地基变形容许值。

即满足变形要求。

③根底要有足够的强度、刚度、耐久性。

3假设地基软弱、承载力不满足设计要求如何处理?需对地基进行根底加固处理,例如采用换土垫层、深层密实、排水固结、化学加固、加筋土技术等方法进行处理,称为人工地基。

土的结构组成与物理性质一、概念1粒组:工程上常把大小、性质相近的土粒合为一组,称粒组2土的颗粒级配:土中所含各颗粒的相对含量,以及土粒总重的百分数表示。

△3结合水:指受电分子吸引作用吸附于土粒外表的水4土的结构:指土粒的原位集合体特征,是由颗粒大小、形状、外表特征相互排列和联结关系等因素形成的综合特征。

5土的构造:指同一土层中成分和大小都相近的颗粒或颗粒集合体相互关系的特征6界限含水量:黏性土从一种状态变成另一种状态的分界。

〔名词解释4分〕二、知识点1三相体系:固相〔固体颗粒〕、液相〔土中水〕、气相〔气体〕三局部组成。

2粒组划分〔如图〕粒度分析方法有哪些?使用条件?答:土的颗粒粒径及级配是通过土的颗粒分析试验测定的。

河海大学土力学课后习题与答案

河海大学土力学课后习题与答案

河海大学土力学课后习题与答案第二章思考题22-1土体的应力按引起的原因分为自重应力和附加应力两种按土体中土骨架和土中孔隙水、气的应力承担作用原理或应力传递方式可分为有效应力和孔隙应压力。

有效应力是指由土骨架传递或承担的应力。

孔隙应力是指由土中孔隙流体水和气体传递或承担的应力。

自重应力是指由土体自身重量所产生的应力。

附加应力是指由外荷静的或动的引起的土中应力。

2-2自重应力是指由土体自身重量所产生的应力。

由静水位产生的孔隙水应力称为静孔隙水应力。

土体自重应力应由该点单位面积上土柱的有效重量来计算如果存在地下水且水位与地表齐平或高于地表则自重应力计算时应采用浮重度地下水位以下的土体中还存在静孔隙水应力。

2-3附加应力是指由外荷静的或动的引起的土中应力。

空间问题有三个附加应力分量平面问题有两个附加应力分量。

计算地基附加应力时假定地基土是各向同性的、均匀的、线性变形体而且在深度和水平方向上都是无限的。

2-4实际工程中对于柔性较大刚度较小能适应地基变形的基础可以视为柔性基础。

对于一些刚度很大不能适应地基变形的基础可视为刚性基础。

柔性基础底面压力的分布和大小完全与其上的荷载分布于大小相同刚性基础下的基底压力分布随上部荷载的大小、基础的埋深和土的性质而异。

2-5基地中心下竖向附加应力最大向边缘处附加应力将减小在基底面积范围之外某点下依然有附加应力。

如果在基础附近有另一个荷载,它也会在地基下面产生附加应力。

2-6计算地基的附加应力时,假定地基土是各向同性的、均质的、线性的变形体,在水平方向上是无限大的。

这些条件不一定同时满足,因此会出现错误。

因此,计算结果往往与地基实际附加应力不一致。

2-7有效应力是指土壤骨架传递或承受的应力。

孔隙应力是指土壤中孔隙流体水和气体传递或承受的应力。

静态孔隙水应力解0wwuhr练习22-1根据图中给出的数据,各土层界面上的自重应力计算如下00cz11118 5237czhkpa211223718155czhhkpa2112222552021165czhhhkpa311222233651910392czhhhhkpa41122233449219.510211CZHHHKPA土壤的最大静态孔隙水应力为010660wwurhkpa2-2溶液210620631246VGFPPADKN基底压力最大值为MIN17816246660.31195.9636vpkpafepkpalbl基底静压最小值为095 9171.078.9npprdkpamaxmin178.195.982.2tpppkpa①求o点处竖向附加应力由321.5lmb001.5znb0.2500sk1440.2578.978.9zosnkpkpa由1.50.53lmb001.5znb10tk20.2500tk21202tzotpk3282.2220.2520.5522tzotpkkpa由321.5lmb001.5znb40.2500sk4482.2220.2520.5522tzospkkpa001020304120ZZK PA② 从641.5lmb42 71.5znb0计算a点以下4m处的垂直附加应力。

土力学名词解释、简答、论述讲解

土力学名词解释、简答、论述讲解

一名词解释:1、孔隙比:土的孔隙体积与土的颗粒体积之比称为土的孔隙比e。

142、可塑性指标:是指黏土受外力作用最初出现裂纹时应力与应变的乘积。

用来描述土可塑性的物理指标。

143、渗流力:水流经过时必定对土颗粒施加一种渗流作用力,而单位体积土颗粒所受到的渗流作用力为渗流力。

144、变形模量:在部分侧限条件下,土的应力增量与相应的应变增量的比值。

145、应力路径:对加荷过程中的土体内某点,其应力状态的变化可在应力坐标图中以应力点的移动轨迹表示,这种轨迹称为应力路径。

146、弱结合水:是指紧靠于强结合水的外围而形成的结合水膜,亦称薄膜水。

137、塑性指数:是指液限和塑限的差值(省去%符号),即土处在可塑状态的含水量变化范围。

138、有效应力:通过土粒接触点传递的粒间应力。

139、地基固结度:是指地基土层在某一压力作用下,经历时间t所产生的固结变形量与最终固结变形量之比值,或土层中(超)孔隙水压力的消散程度。

1310、砂土液化:当饱和松砂受到动荷载作用,由于孔隙水来不及排出,孔隙水压力不断增加,就有可能使有效应力降到零,因而使砂土像流体那样完全失去抗剪强度。

1311、土体抗剪强度:土体抵抗剪切破坏的受剪强度。

1212、地基承载力:地基承担荷载的能力。

1213、主动土压力:当挡土墙离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时,作用在墙上的土压力称为主动土压力。

1114、地基极限承载力:是指地基剪切破坏发展即将失稳时所能承受的极限荷载。

1015、塑限:土由半固状态转到可塑状态的界限含水量称为塑限,用符号W p表示。

1016、毛细水:存在于地下水位以上,受到水与空气界面的表面张力作用的自由水。

0917、压缩系数:土体在侧限条件下孔隙比减小量与竖向有效压力增量的比值。

0818、弹性模量:土体在无侧限条件下瞬时压缩的应力应变模量。

0719、有效应力原理:饱和土中任意点的总应力总是等于有效应力加上孔隙水压力;或有效应力总是等于总应力减去孔隙水压力。

(完整版)土力学部分答案

(完整版)土力学部分答案

第4章土中应力一简答题1.何谓土中应力?它有哪些分类和用途?2.怎样简化土中应力计算模型?在工程中应注意哪些问题?3.地下水位的升降对土中自重应力有何影响?在工程实践中,有哪些问题应充分考虑其影响?4.基底压力分布的影响因素有哪些?简化直线分布的假设条件是什么?5.如何计算基底压力和基底附加压力?两者概念有何不同?6.土中附加应力的产生原因有哪些?在工程实用中应如何考虑?7.在工程中,如何考虑土中应力分布规律?二填空题1.土中应力按成因可分为和。

2.土中应力按土骨架和土中孔隙的分担作用可分为和。

3.地下水位下降则原水位出处的有效自重应力。

4.计算土的自重应力应从算起。

5.计算土的自重应力时,地下水位以下的重度应取。

三选择题1.建筑物基础作用于地基表面的压力,称为()。

(A)基底压力;(B)基底附加压力;(C)基底净反力;(D)附加应力2.在隔水层中计算土的自重应力c时,存在如下关系()。

(A) =静水压力(B) =总应力,且静水压力为零(C) =总应力,但静水压力大于零(D)=总应力—静水压力,且静水压力大于零3.当各土层中仅存在潜水而不存在毛细水和承压水时,在潜水位以下的土中自重应力为()。

(A)静水压力(B)总应力(C)有效应力,但不等于总应力(D)有效应力,但等于总应力4.地下水位长时间下降,会使()。

(A)地基中原水位以下的自重应力增加(B)地基中原水位以上的自重应力增加(C)地基土的抗剪强度减小(D)土中孔隙水压力增大5.通过土粒承受和传递的应力称为()。

(A)有效应力;(B)总应力;(C)附加应力;(D)孔隙水压力6.某场地表层为4m厚的粉质黏土,天然重度=18kN/m3,其下为饱和重度sat=19 kN/m3的很厚的黏土层,地下水位在地表下4m处,经计算地表以下2m处土的竖向自重应力为()。

(A)72kPa ; (B)36kPa ;(C)16kPa ;(D)38kPa7.同上题,地表以下5m处土的竖向自重应力为()。

土力学名词解释

土力学名词解释

土力学名词解释土的结构:土的结构主要是指土粒或土粒集合体的大小,形状,相互排列与联结等。

土的构造:在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征称之为土的构造。

土的密度:单位体积土的质量称之为土的质量密度,简称土的密度。

土的重力密度:单位体积土所受的重力称之为土的重力密度,简称土的重度。

土的相对密度:土粒密度(单位体积土粒的质量)与4 °C时纯水密度之比,称为土粒的相对密度,或土粒比重。

土的含水量:土中水的质量与土粒质量之比(用百分数表示)成为土的含水量。

土的干密度:单位体积中土中土粒的质量成为土的干密度。

土的饱和重度:土中孔隙完全被水充满诗土的重度成为饱和重度。

土的有效重度:地下水位以下的土受到水的浮力作用,扣除水浮力后单位体积所受的重力称为土的有效重度。

土的孔隙比:土中孔隙体积与土粒体积之比土的孔隙率:土中体积和总体积之比土的饱和度:土中水的体积与孔隙体积之比液限:土由可塑状态转到流动状态的界限含水量塑限:土由半固态转到可塑状态的界限含水量。

塑性指数:土的液限和塑限的差值液性指数:是指粘性土的天然含水量和塑性的差值与塑性指数之比碎石土:粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量50%的土砂土:粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的50%,而粒径大于0.075mm的颗粒质量的超过总质量的50%的土粉土:塑性指数小于或等于10,粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50%的土粘性土:是指塑性指数大于10的土,粘性土按塑性指数大小分为粉质粘土和粘土。

二渗流:水等液体在土体孔隙中流动的现象渗透性:土具有被水等液体透过的性质渗透变形:土工构筑物由于渗透作用而出现的变形水力坡降:单位渗流长度上的水头损失水头:单位重量水体所具有的能量层流:指液流速度十分缓慢,液流相邻两个水分子的轨迹相互平行而不混惨的流动渗透指数:反映土的透水性能的比例系数,相当于水力坡降等于1时的渗透速度流网:在流线和等势线所组成的正交网格称为流网渗透力:单位体积土体内土颗粒所受的渗透作用力,也称为动水力流土:渗透力方向与重力方向相反,且向上的渗透力克服向下的重力时,表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮,移动的现象,俗称流土或流砂临界水力坡降:指土体发生流土破坏时的水力坡降管涌:在渗透水作用下,土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动,以至流失,随着土的孔隙不断扩大,渗透流速不断增加,较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走,最终导致土体内形成贯通的渗流管道,造成土体塌陷,这种现象称为管涌,也叫潜蚀三自重应力:由土体自重引起的应力基底压力:基础底面传递给地基表面的压力基底附加应力:建筑物建造后在基础底面新增加的压力,是基底压力减去基底标高处原有自重应力之后的应力附加应力:由建筑物荷载在地基土中引起的,附加在原有自重应力之上的应力有效应力:通过土粒承受和传递的粒间应力四角点沉降系数:单位均布矩形荷载在某角点处引起的沉降地基沉降计算深度:计算地基时,超过地基下一定深度,土的变形可不计,该深度称为地基沉降计算深度压缩性:土在压力作用下体积缩小的特性固结:土的压缩随时间而增长的过程压缩曲线:室内土的侧限压缩试验结果,是图的孔隙比与所受的压力关系曲线压缩系数:反映土在一定压力作用下或在一定压力变化区间其压缩性大小的参数,其值等于e——p曲线上对应一定压力的切线斜率或对应一定压力变化区间的割线斜率压缩指数:采用半对数直角坐标测绘的e——log p压缩曲线,其后段接近直线,直线的斜率称为土的压缩指数压缩模量:土在完全侧限条件下的竖向附加压应力与相应的应变增量之比值变形模量:根据土体在无侧限条件下的应力应变关系得到的参数,定义同弹性模量,但由于变形模量随应力水平而异,加载和下载时值不同,故未称作弹性模量,而称变形模量地基最终沉降量:地基土层在荷载作用下,达到压缩稳定时地基表面的沉降量应力比法:地基沉降计算深度取地基附加应力等于自重应力的20%处,在该深度以下如有高压缩性土,则继续向下取至10%处,这种确定沉降计算深度的方法称为应力比法平均附加应力系数:基底下一定深度范围处附加应力系数的平均值变形比法:由基底下一定深度向上取规定的计算厚度,若计算厚度土层的压缩量不大于该深度土层总压缩沉降量的2.5%,即可确定该深度为地基沉降计算深度,这种确定地基沉降计算深度的规范方法为变形比法前期固结压力:土体土层在历史上所经受的最大固结压力正常固结土:历史上所经受的最大固结压力等于现有覆盖土自重应力的土体超固结土:土体历史上曾经受过大于现有覆盖土自重应力的前提固结压力的土体欠固结力:在目前自重应力下还未达到完全固结的土体,土体实际固结压力小于现有覆盖土自重应力超固结比:土体经受过的前期固结压力与现有的土自重应力之比原始压缩曲线:指室内压缩试验e——log p 曲线经修正后得出的符合现场原始土体孔隙比与有效应力的关系曲线五抗剪强度:指土体抵抗剪切破坏的极限能力破坏准则:当土体中的应力组合满足一定短息是,土体即发生破坏,这种应力组合即为破坏准则,也是判定土体是否破坏的标准,破坏准则也称极限平衡条件库伦定律:将土的抗剪强度表示为剪切面上法向应力的函数莫尔—库伦强度理论:由库伦公式表示莫尔包线的强度理论莫尔包线:土地发生剪切破坏时,剪切破坏面上的剪应力是该面上的法向应力的函数,这个函数在坐标中是一曲线,该曲线为莫尔包线快剪试验:在试样施加竖向压力后,立即快速施加水平应力使试样剪切破坏的直接剪切试验,要求在3~5min 内将土样剪坏固结快剪试验:是允许试样在竖向压力下充分排水,待固结稳定后,再快速施加水平剪应力使试样剪切破坏的直接剪切试验,要求3~5内将土样剪坏慢剪试验:是允许试样在竖向压力下充分排水,待固结稳定后,在缓慢地施加水平剪应力使试样剪切破坏的直接剪切试验,为保证剪切过程中土样内不产生孔隙水压力,施加水平剪应力使试样剪切破坏历时较长,对粘性土一般历时4~6h不固结不排水试验:试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中都不允许排出,自始自终关闭排水阀门的三轴压缩试验固结不排水试验:施加周围压力,打开排水阀门,允许排水固结,固结完成后关闭排水阀门,再施加竖向压力,使试样在不排水的条件下剪切破坏的三轴压缩试验固结排水试验:试样在施加周围压力后,允许排水固结,待固结稳定后,再排水条件下施加竖向压力至试件剪切破坏的三轴压缩试验无侧限抗压强度:将圆柱土样放在无侧限抗压仪中,不施加任何侧向压力的情况下施加垂直压力,直到使土样剪切破坏,剪切破坏时试样所能承受的最大轴向压力孔隙压力系数:指土体在不排水和不排气的条件下,由外荷载引起的孔隙压力增量与总应力增量的比值天然休止角:指干燥砂土自然堆积所形成的最大坡角临界孔隙比:由不同初始孔隙比的砂土试样在同一压力下进行剪切试验,得出初始孔隙比与体积变化之间的关系,相应于体积变化为零的初始孔隙比为临界孔隙比应力路径:土体内应力状态的变化可在应力坐标图中以应力点的移动轨迹表示,该移动轨迹为应力路径破坏主应力线:在p-q坐标表示的剪切破坏包线,是表示极限状态应力圆最大剪应力的特征点的连线。

孔隙水压力与围压的关系

孔隙水压力与围压的关系

孔隙水压力与围压的关系
孔隙水压力与围压之间存在着密切的关系,这涉及到地下水文
地质学和岩石力学等领域的知识。

首先,孔隙水压力是指岩石或土壤中孔隙中水的压力。

当地下
水位上升时,孔隙水压力会增加;而当地下水位下降时,孔隙水压
力会减小。

孔隙水压力的变化会受到多种因素的影响,包括降雨、
融雪、地下水开采等。

围压则是指地下岩层受到的周围地层和岩石的压力。

围压是由
地层的重力和上覆岩层的压力所造成的,随着深度的增加,围压也
会增加。

孔隙水压力与围压之间的关系可以通过有效应力和孔隙水压力
的关系来描述。

在地下岩层中,有效应力等于围压减去孔隙水压力。

当孔隙水压力增加时,有效应力减小,岩石的强度会减小,从而容
易发生压实、变形或者破裂。

相反,当孔隙水压力减小时,有效应
力增加,岩石的强度会增加。

此外,孔隙水压力与围压还会影响地下水的流动。

当孔隙水压
力高于地表时,地下水会向地表流动,形成泉水或渗泉;而当孔隙水压力低于地表时,地下水则会受到地表水的压力,流向地下。

总的来说,孔隙水压力与围压之间的关系是一个复杂而又密切相关的问题,需要综合考虑地下水文地质学和岩石力学等多方面的知识来进行研究和分析。

土力学与地基基础复习题A含答案(专升本)

土力学与地基基础复习题A含答案(专升本)

土力学与地基基础复习题A含答案(专升本)一、单向选择题1.下列哪种地基不属于人工地基(A)。

A.第四纪沉积土地基B.换填碎石土地基C.强夯粘土地基2.在一般高层建筑中,基础工程造价约占总造价的(B)。

A.5%B.25%C.55%3.下列三种粘土矿物中,(A)含量高的土可塑性最高。

A.蒙脱石B.伊利石C.高岭石4.对于级配连续的土,(C)级配良好。

A.Cu<5B.Cu=5C.Cu>55.满足条件(B)的土为级配良好的土。

A.Cu<5,Cc>3~6B.Cu>5,Cc=1~3C.Cu<5,Cc>2~56.若将地基视为均质的半无限体,土体在自重作用下只能产生(A)。

A.竖向变形B.侧向位移C.剪切变形7.单向偏心荷载作用在矩形基础上,偏心距e满足条件(C)时,基底压力呈梯形分布。

(L为矩形基础偏心方向边长)A.e>L/6B.e=L/6C.e8.上软下硬双层地基中,土层中的附加应力比起均质土时,存在(A)现象。

A.应力集中B.应力扩散C.应力不变9.土的压缩之中,下列三个部分中,(C)所占的压缩量最大。

A.固体土颗粒被压缩;B.土中水及封闭气体被压缩;C.水和气体从孔隙中被挤出。

10.土的压缩试验中,压缩仪(固结仪)中的土样在压缩过程中(B)。

A.只发生侧向变形B.只发生竖向变形C.同时发生竖向变形和侧向变形11.土的压缩系数a1-2位于(A)范围时,土为低压缩性土。

A. a1-2<0.1MPa-1B.0.1MPa-1≤a1-2<0.5 MPa-1C. a1-2≥MPa-112.采用规范法计算地基沉降时,沉降经验系数ψs与(C)无关。

A.基底附加压力值B.沉降计算深度范围内压缩模量的当量值C.基础底面形状13.超固结比(OCR)指的是(A)。

A.土的先期固结压力与现有土层自重应力之比B.现有土层自重应力与土的先期固结压力之比C.现有土层自重应力与土的后期固结压力之比二、判断题:下列陈述是否正确,正确打√,错误打×。

土力学问答题

土力学问答题

1. 什么叫颗粒级配曲线,如何定性和定量分析土的级配?(出现4次)答:土的颗粒级配(粒度成分)——土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总重的百分数)。

确定各粒组相对含量的方法:(1)颗粒分析试验,①筛分法,②沉降分析法,(2)试验成果——颗粒级配累积曲线,进行曲线分析:曲线较陡,则表示粒径大小相差不多,土粒较均匀;曲线平缓,则表示粒径大小相差悬殊,土粒不均匀,即级配良好。

2. 什么叫粘性土的液性指数?如何应用液性指数评价土的工程性质。

答:液性指数——粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。

用L I 表示。

L I 值愈大,土质愈软;反之,土质愈硬。

)(p ωω ,0<L I 坚硬状态,10≤≤L I ,可塑状态)(L ωω 1>L I 流动状态3. 甲为条形基础,乙为正方形基础,两者基础宽度相同,埋深相同,基底附加压力也相同,地基土完全相同,两基础沉降量是否相同?为什么?答:不同,方形荷载所引起的σz ,其影响深度要比条形荷载小的多,条形基础下地基土的侧向变形主要发生在浅层,而位于基础边缘下的土体容易发生剪切滑动而首先出现塑性变形区。

4. 以固结不排水为例,说明三轴试验如何测定土的抗剪强度指标。

答:如果试样所受到的周围固结压力大于它曾受到的最大固结压力Pc ,属于正常固结试样,如果小于,属于超固结试样。

1变形模量和压缩模量有何关系和区别?(2次)答:土的变形模量是土体在无侧限条件下的应力和应变的比值,土的压缩模量是土体在侧限条件下的应力与应变的比值。

2什么是自重应力和附加应力?答:自重应力——由土体本身有效重量产生的应力称为自重应力。

附加应力:土体受到外荷载以及地下水渗流、地震等作用下附加产生的应力增量,是产生地基变形的主要原因,也是导致地基土的强度破坏和失稳的重要原因。

3填土内摩擦角对土压力大小有何影响?答:计算主动土压力时,一般可忽略内摩擦角的影响,但计算被动土压力和静止土压力时,考虑内摩擦角降低,导致墙背压力的增大4如下图所示,图中有无错误?5 为什么饱和黏性土不固结不排水剪的强度包线是一条水平线?答:如果饱和粘性土从未固结过,将是一种泥浆状土,抗剪强度也必然等于0,一般从天然土层中取出的试样一般都具有一定的天然的强度,天然土层的有效固结压力是随深度变化的,所以不排水抗剪强度也随深度变化,均质的正常固结不排水强度大致随有效固结压力成线性增大。

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孔隙压力、有效应力和排水第六章 孔隙压力、有效应力和排水6.1 引言通常所说的土是由固体颗粒和水两部分组成的,基础或挡墙上的荷载包含土颗粒和孔隙水上面的应力两部分。

在没有土颗粒的船体外表面,法向应力就等于水压力;而在没有水的装有糖的盆底,应力就等于所装的糖的重量。

问题就是土颗粒应力和孔隙水压力的哪种组合决定着土的性质。

要研究这个问题,我们首先研究地基中的应力和水压力。

6.2 地基中的应力在地基中,某一深度的竖向应力是由上面的一切东西的重量产生的——土颗粒、水和基础,所以应力随着深度的增加而增大。

图6.1(a)中的竖向应力为:z z γσ= (6.1)其中γ为土的容重(见5.5节)。

如果地基在水平面以下或者在湖底、海底的话(如图6.1(b)所示),竖向应力计算公式就变为:w w z z z γγσ+= (6.2)如果在基础或路堤表面有荷载q 作用的话(如图6.1(c)所示),那么竖向应力计算公式就变为:q z z +=γσ (6.3) 这里面的γ是单位体积的土颗粒和水重量之和。

因为zσ是由土体的总重量产生的,所以成为总应力。

注意,图6.1(b)中所示的湖中的水把总应力作用在底部同玻璃杯中的水把总应力作用在杯底的方式相同。

土颗粒的重度变化不大,一般来讲,饱和土的3/20m kN ≈γ,干土的3/16m kN ≈γ,水的3/10m kN ≈γ。

同时也有水平向的总应力h σ,但是在z σ和h σ之间没有简单的关系。

在以后的章节我们会对水平向的应力进行研究。

6.3 地下水和孔隙水压力饱和土的孔隙水中存在的压力叫做孔隙水压力u 。

在竖管中经常用wh 来简单地代替,如图6.2所示。

当系统处于平衡状态时,竖管内部和以上的一小部分,由于土中孔隙的毛细作用,土体是饱和的。

在这一区域,孔隙水压力是负值,计算公式如下:w w h u γ-= (6.5)最应该注意的一点就是饱和土中也可能产生负的孔隙水压力。

这就暗示了水承受了张力,地下水位面以上的土体中的水像毛细试管中的水那样上升。

地下水位面上面饱和区域的高度主要取决于土颗粒的尺寸,更多的取决于孔隙的尺寸:土颗粒和孔隙越小,有负孔隙水压力的饱和土区域的高度就越大,饱和区域顶部和负孔隙水压力就越大。

在干土和饱和土之间存在着非饱和土,包括土颗粒、水和气,一般是空气或者水蒸气。

在这部分,孔隙中的水压和气压是不同的,孔隙水的引力如图6.3所示那样增加或减小。

目前针对非饱和土还没有简单并且令人满意的理论,所以这本书中只研究干土和饱和土。

因为实际的边坡、基础、挡土墙和其它重要的土木工程建筑中,土通常是饱和的,至少在温和的或潮湿的气候条件下是饱和的。

而只有在非常接近地表的土、密室土和干燥炎热的气候条件下的土中才可能存在非饱和土。

6.4 有效应力由基础荷载或边坡开挖所产生的总应力可能会导致地面出现移动和失稳现象,这是显而易见的。

但是由于孔隙水压力的变化而导致地面出现移动和失稳现象,这可能是不明显的。

例如,稳定的边坡可能在暴风雨后发生破坏,因为水的抽出导致地面出现沉降,从而地下水位降低,下雨天雨水入渗,孔隙水压力升高(如果有人告诉你雨后发生滑坡是因为雨水对土的润滑作用的话,你就问问他,沙丘里的潮湿砂子的强度为什么比干燥砂土的要大)。

如果土的压缩和强度是随总应力或孔隙水压力的变化而变化的话,就说明土的性质很可能和σ和u 的组合有关。

这种组合应该称为有效应力,因为它对于决定土的性质是有效的。

太沙基(1936)首先揭示了总应力、有效应力和孔隙水压力之间的关系。

他是这样定义有效应力的:所有能够测量到的由应力变化产生的效果,如压缩、扭曲变形、剪切阻力,主要是因为有效应力的变化而导致的。

有效应力'σ和总应力以及孔隙水压力之间的关系为:u -=σσ'。

图6.4是在同一个坐标系下绘制的有效应力和总应力的摩尔应力圆。

因为u -=1'1σσ、u -=3'3σσ,所以两个圆的直径是相等。

点T 和E 代表同一平面上的总应力和有效应力,显然,总剪应力和有效剪应力是相等的。

因此,有效应力为:u -=σσ' (6.6) ττ=' (6.7)结合第二章所给出的剪应力参数q 和主应力参数p 的定义和公式u -=1'1σσ,可以得到: up p -=' (6.8) q q =' (6.9) 从式(6.7)和式(6.9)可以看出,总剪切应力和有效剪切应力是相等的,很多学者一直使用剪切应力。

在我的工作和教书生涯中,以及这本书中,我使用'τ和'q 表示有效应力,用τ和q 表示总应力。

我知道这并不是必要的,但是我发现把总剪切应力和有效剪切应力区别开来是很有用的,尤其是教书时。

6.5 有效应力的重要性土力学中有效应力原则是最基础的,它的重要性并不是被夸大的。

这是把由荷载产生的土体性质和由水压力产生的土体性质联系起来的一种方法。

尽管大多数土力学试验在考虑粒间作用力和粒间接触的基础上探讨了有效应力的原则和意义,但是实际上这样做是没有必要的,必要的假设并不一定都能够得到试验验证。

然而,至今仍没有找到证明太沙基最初的假定是错误的依据,至少对于正常应力水平下的饱和土来讲,有效应力原理被认为是最基本的土力学公理。

因为总应力和有效应力是不相等的(除非孔隙水压力为零),把两者区分开来是非常重要的。

有效应力'σ和'τ常用主应力表示,而总应力不用主应力表示。

任何公式都应该含有所有的总应力或所有的有效应力,或者通过孔隙水压力把总应力和有效应力结合起来。

工程师进行设计计算(或学生做考试题目)的时候应该能够弄清楚他们用到的是总应力还是有效应力。

利用图6.1和6.2,并结合公式(6.1)到(6.6)这六个公式,可以计算地基中任何地下水位条件下任何深度的竖向有效应力'σ。

如果你做过一些例子,你就会发现z如果地下水位低于地表的话,有效应力主要取决于地下水位。

另一方面,如果地表被水淹没的话,如河流、湖泊或海洋的底部,有效应力大小和水的深度没有关系,这就意味着一个小池塘底部的有效应力和一个水深可能超过5km的海洋底部的有效应力是一样的。

在进行相关计算时要注意自由流动的水(如河水、湖水或海水)对土产生的是总应力(对大坝以及海底),而土孔隙中的水产生孔隙水压力,这些水压力并不一定是相等的。

6.6 有效应力的验证考虑到变化量,有效应力公式(6.6)可以改为:u ∆-∆=∆σσ' (6.10) 上式表明,在保持孔隙水压力不变的条件下改变总应力或者在保持总应力不变的条件下改变孔隙水压力,都会造成有效应力的变化,从而产生可以量测到的影响。

同样要注意到,如果总应力和孔隙水压力的变化量相等的话,有效应力就保持不变,土的状态就不会发生任何变化。

图6.5(a)中,在基础上施加σ∆的荷载,由于地基中的孔隙水压力保持不变,从而产生ρ∆的沉降,因此σσ∆=∆'。

图 6.5(b)中,沉降ρ∆是由于抽取地下水产生的,通过抽水使地下水位降低w h ∆,这样孔隙水压力减小了w w h u ∆=∆γ。

从式(6.10)可以看出,因为0=∆σ,所以孔隙水压力的减小会导致有效应力的增加。

通过有效应力原理可以证明,基础荷载增加σ∆和孔隙水压力减小u∆所引起的沉降量是相等的。

换句话说,有效应力的改变可以影响土的性质。

图6.6是一个验证有效应力的简单实验。

实验说明了孔隙水压力对深的条形基础的影响能力。

所用的土为粉到中砂,因为如果土很粗的话,当地下水位降低时可能变成非饱和;如果土粒很细的话,在一定时间内,孔隙水压力可能不是相等的。

把砂砾和砂放到水里面,饱和以后打开阀门使水位降低到砂砾。

放置一个重的基础(最好是一个直径40mm,长80mm的钢柱)和一个如图所示偏离中心的桩。

关闭阀门,向竖管里面注水,使水位提高。

如果砂和砂砾是饱和的,竖管就会被注满。

随着水位和孔隙水压力的升高,有效应力会降低,两个基础都会破坏。

另一个简单的验证有效应力的简单实验是咖啡豆真空包装袋的刚度和强度实验。

如果是理想的真空的话,袋子相对是很硬而且很结实的,因为负的孔隙压力产生了正的有效应力。

然而,如果你用一个大头针戳一个小洞的话,袋子就变软,这是由于袋子中孔隙压力增大,有效应力减小的缘故。

你也可以用一个自己密封的袋子装上粗糙的砂和砾石作一个同样简单的实验。

6.7 体积改变和排水在土由于有效应力的改变而加载和卸载的过程中,体积会发生变化。

然而,因为土颗粒本身的刚度很大,所以土颗粒本身的体积变化是可以忽略的,所以土体积的变化是由颗粒的重新排列和空隙的改变造成的。

在较小的有效应力水平下,土颗粒可能比较松散,而在较高的有效应力水平下就会变得紧密起来,如图6.7所示。

如果孔隙水压力0u 保持不变,那么总应力和有效应力的改变量就相等(σσ∆=∆',见公式(6.10))。

如果土颗粒的体积保持不变的话,见图6.7,那么土体积改变量V ∆就等于排出的水的体积wV ∆。

饱和土的体积变化是因为土中水的渗流造成的,所以土体的压缩就像从海绵往外挤水一样。

在实验室里面,水会向土样的边界流动,而在地基中,水会向地表或者土中的自然排水体流动。

例如图8是一个在粘土上修建的路堤,粘土的顶部和底部各有一层作为排水体的砂。

在路堤的修筑过程中,水从粘土向砂土层流动,如图中箭头所示。

当然,必须有足够的时间使水从土中流出,这样才能产生体积变化;同时孔隙水压力也发生了变化。

所以,在路堤的填筑速率、排水速率和土及孔隙压力的变化速率之间必然存在一个关系。

6.8 排水荷载、不排水荷载和固结总应力的施加速率和排水速率使决定土的性质的重要因素。

图6.9和6.10是限制条件。

图6.9(a)中总应力增量σ∆施加的非常缓慢,经历了相当长的时间。

这可以代表实验室或现场的加载情况。

如果荷载缓慢施加的话,水就有足够的时间从土中排水。

孔隙水压力就不会发生变化,如图 6.9 (c)所示,体积会随着荷载的改变和改变,如图6.9(b)所示。

因为孔隙水压力保持为0u 不变,有效应力随着总应力的变化而变化,如图6.9(d)所示。

当应力保持''0σσ∆+不变时,体积保持为V V ∆-0。

这种相对较慢的荷载叫做排水荷载,因为在荷载施加的过程中,所有的排水都已经完成了。

排水荷载最重要的特征是孔隙水压力保持为0u 不变,这就是所说的稳态孔隙水压力。

图6.10(a)中施加和图6.9相同的总应力增量σ∆,但是施加的速度非常快,没有足够的时间来排水,所以体积保持不变,如图 6.10(b)所示。

如果荷载是各向相同的,没有剪切扭曲的话,由于不排水体积不发生变化。

根据有效应力原理,这就意味着有效应力必须保持不变,如图6.10(d)所示。

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