總應力

總應力

作用在土體上的單位面積總力。對飽和土即為孔隙水壓力與有效應力之和。

定義


介紹

土體中總應力為有效應力與孔隙水壓力之和。其中,有效應力為粒間應力,只通過土顆粒接觸點傳遞的應力,會使土粒彼此擠緊,從而引起土體變形。孔隙水傳遞的力稱為孔隙水壓力。

應力

圖1
圖1
在外力作用下,物體內部將產生內力。內力是物體本身不同部分之間的相互作用力。為了研究物體內部任意一點P處的內力,假想通過點P作一截面m—n將該物體截分為A和B兩部分,並將其中一部分例如B移去(如圖1),則移去部分B對留下部分A的作用可用分佈在截面m—n上的內力來代替。在截面m—n上取包含點P在內的微截面積△A,並假定作用在此微面積△A上的內力為△P,由材料力學中已知,內力△P與微面積△A之比,當△A無限減小而趨近於點P時的極限,即
總應力
總應力
極限值σ稱為該物體在截面m—n上P點處的應力,它是個矢量。應力矢量σ在其所作用截面的外法線方向和切線方向可分解為兩個分量。一個分量是法嚮應力分量σ,稱為正應力;另一個分量是切嚮應力分量τ,稱為剪應力

有效應力

總應力
總應力
有效應力又稱應力強度,它被定義為
總應力
總應力
σ,σ,σ分別為x、y、z軸方向的應力。
總應力
總應力
總應力
總應力
簡單拉伸時,因為σ=σ,σ=σ=0,故=σ,因而有效應力這時就是拉應力σ。

孔隙水壓力

又稱中性壓力,即土、岩石孔隙中水承擔的壓力。土體受荷后在孔隙水中產生的壓力。根據有效應力原理,施加於飽和土體的總應力等於孔隙水壓力(非飽和土時為孔隙水壓力加孔隙氣壓力)和顆粒之間有效應力之和,而有效應力對土抗剪強度和評價土的固結程度影響很大,所以,測定土中孔隙水壓力的數值大小及其消散程度,對於正確評價地基土的強度和穩定性及其固結程度非常重要。室內孔隙水壓力及其消散過程的測定可在三軸剪力儀中進行。

總應力分析


總應力
總應力
總應力
總應力
土坡穩定分析有兩種方法:總應力分析法和有效應力分析法。總應力分析法建立在不排水抗剪強度的基礎上,也稱為s一分析法。有效應力分析法建立在排水抗剪強度的基礎上,也稱做,—分析法。不排水抗剪強度通常用於施工過程中或施工結束時短期穩定性計算,而排水抗剪強度用於長期穩定性計算。既然不排水強度是由載入前的初始情況決定,就不需要確定破壞時的有效應力。
如果對一種飽和土載入且不排水,φ可以假設為零,因此採用φ=0分析,它是s一分析法的一種特殊情況。否則必須進行c,φ—分析。在s一分析中,對於採用不排水抗剪強度的任何破壞面,孔隙水壓力都應當取零,這並不意味著孔隙水壓力真的等於零,而是為了和不排水強度與破壞時的有效應力無關這個假定一致。
總應力分析法和有效應力分析法的主要區別在於:前者不需要有關孔隙水壓力的知識,而後者需要。原則上,短期穩定也可以按有效應力分析,長期穩定也可以按總應力分析,但是,這需要附加一些試驗,因而不提倡,表1列出了總應力和有效應力分析法的選擇方案。
工況優先選用方案說明
飽和土施工竣工期(施工期比固結期短)φ=0及c=s的s分析
可以用施工期中真正的孔隙水壓力,採用
總應力
總應力
總應力
總應力
—分析來檢驗
長期穩定性
總應力
總應力
總應力
總應力
—分析,其孔隙水壓力由地下水的平衡情況得到
部分飽和土施工的竣工期(施工期比固結期短)
兩種方法均可,由不排水試驗得到c,φ,或由
總應力
總應力
總應力
總應力
以及估計的孔隙水壓力
可以用施工期中真正的孔隙水壓力,採用
總應力
總應力
總應力
總應力
—分析來檢驗
中間階段的穩定性
由估計的孔隙水壓力進行
總應力
總應力
總應力
總應力
—分析
必須在現場檢驗真正的孔隙水壓力
總應力
總應力
總應力
總應力
對於飽和細粒土建築的土坡或飽和地基上的填土土坡,用總應力法分析的短期穩定性是比較危險的情況,原因是:載入引起孔隙水壓力增大,而後,隨著時間的推移,孔隙水壓力減小或者說有效應力增大。對於飽和土的開挖邊坡來說,用有效應力法分析長期穩定性是比較危險的情況,原因是:卸載引起孔隙水壓力減小,而後,隨著時間的推移,孔隙水比力增大或者說有效應力減小。在某些情況下,破壞面可能部分通過排水良好的土體,那裡強度以有效應力表示較為合適;而另一部分通過粘土,那裡則用不排水強度。這種情況下,一部分破壞面採用參數和以及適當的孔隙水壓力,其餘部分採用φ=0或c,φ分析,並取孔隙水壓力等於零。

總應力方程


圖2 土骨架與孔隙水混合體的整體內力平衡分析
圖2 土骨架與孔隙水混合體的整體內力平衡分析
為了簡單起見,以平面問題為例,假定土體為均質,對土體整體取脫離體進行內力分析,如圖2所示。
圖2所示是在代表體積的尺度上,取出一個微小的正平行六面體,它在x方向和z方向的尺寸分別是dx和dz。為了計算簡便,令它在y方向的尺寸取為一個單位長度。
一般地,應力分量是位置坐標x和z的函數,因此,作用於左右兩對面或上下兩對面的應力分量不完全相同,有微小的差量。設作用於左面的平均正應力是σ(下標t表示總應力),左面的平均剪應力是τ,下面的平均正應力和平均剪應力分別是σ和τ。
得到平衡微分方程在平面問題中的化簡形式為
總應力
總應力