大学精品课件:土力学1-第三章.ppt
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- 大学 精品 课件 土力学 第三
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1、第三章:土体中的应力计算第三章:土体中的应力计算 3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 3.2 3.2 有效应力原理有效应力原理 3.3 3.3 自重应力自重应力 3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 3.5 3.5 附加应力附加应力 一、土力学中应力符号的规定一、土力学中应力符号的规定 z x xz zx 材料力学材料力学 + - 正应力正应力 剪应力剪应力 拉为正拉为正 压为负压为负 顺时针为正顺时针为正 逆时针为负逆时针为负 z x xz zx + - 土力学土力学 压为正压为正 拉为负拉为负 逆时针为正逆时针为正 顺时针为负顺时针为负 3.1 3.1 地基土
2、的应力状态地基土的应力状态 三维应力状态(三维应力状态(一般应力状态)一般应力状态) 二、地基中的应力状态二、地基中的应力状态 y yz xy zx x z zzyzx yzyyx xzxyx ij zyz 2 1 xz 2 1 yz 2 1 yxy 2 1 xz 2 1 xy 2 1 x ij y x o z 三维应力状态(三轴三维应力状态(三轴应力状态)应力状态) z c c ij 00 00 00 z x x ij 00 00 00 试 样 试 样 水压水压 力力 c 轴向力轴向力F 应变条件应变条件 应力条件应力条件 独立变量独立变量 zx zx ; ; y cy 0 zxyzyx y
3、x 0 zxyzyx cyx y x z cyx 二维应力状态(平面应变状态)二维应力状态(平面应变状态) y yz xy zx x z y x o z zx z xz x 0 0 yzyx y 垂直于垂直于y y轴断面的几何形状与应力状态相同轴断面的几何形状与应力状态相同 沿沿y y方向有足够长度,方向有足够长度,L/B10L/B10 在在x, zx, z平面内可以变形,但在平面内可以变形,但在y y方向没有变形方向没有变形 二维应力状态(平面应变状态)二维应力状态(平面应变状态) 应变条件应变条件 应力条件应力条件 独立变量独立变量 zxy zx y y 0 EE zxxzzxxzzx ,
4、;,;, 0 0 yzyx y zzx y xzx ij 0 00 0 zxz 2 1 xz 2 1 x ij 0 000 0 侧限应力状态:指侧向应变为零的一种应力状态侧限应力状态:指侧向应变为零的一种应力状态 y x o z 水平地基水平地基半无限空间体半无限空间体 半无限弹性地基内的自重半无限弹性地基内的自重 应力只与应力只与Z Z有关有关 土质点或土单元不可能有土质点或土单元不可能有 侧向位移侧向位移侧限应变条件侧限应变条件 任何竖直面都是对称面任何竖直面都是对称面 应变条件应变条件 0 0 zxyzxy xy 侧限应力状态:侧向应变为零的一种应力状态侧限应力状态:侧向应变为零的一种应
5、力状态 应变条件应变条件 应力条件应力条件 独立变量独立变量 )z(F; zz z y x ij 00 00 00 z ij 00 000 000 0 0 zxyzxy xy z0zyx zy x x zxyzxy K 1 0 EE 0 侧压力系数侧压力系数 E E、 与位置和方向无关与位置和方向无关 理论:弹性力学解理论:弹性力学解求解求解“弹性弹性”土体中的应力土体中的应力 方法:解析方法方法:解析方法优点:简单,易于绘成图表等优点:简单,易于绘成图表等 碎散体碎散体 非线性非线性 弹塑性弹塑性 成层土成层土 各向异性各向异性 三、应力计算时的基本假定三、应力计算时的基本假定 p p e
6、e 加载加载 卸载卸载 线弹性线弹性 连续介质连续介质 (宏观平均)(宏观平均) 线弹性体线弹性体 (应力较小时)(应力较小时) 均质各向同性体均质各向同性体 (土层性质变化不大)(土层性质变化不大) 第三章:土体中的应力计算第三章:土体中的应力计算 3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 3.2 3.2 有效应力原理有效应力原理 3.3 3.3 自重应力自重应力 3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 3.5 3.5 附加应力附加应力 太沙基太沙基 (Karl Terzaghi) (1883-1963) 太沙基 土力学的奠基人 1921-1923年提出土的有年提出土的
7、有 效应力原理和土的固结理效应力原理和土的固结理 论,论,1925年出版经典著作年出版经典著作 土力学土力学,首次将各种,首次将各种 土工问题归纳成为系统的土工问题归纳成为系统的 有科学依据的计算理论,有科学依据的计算理论, 奠定了他作为土力学创始奠定了他作为土力学创始 人的地位人的地位 对所受总应力,骨架和孔隙对所受总应力,骨架和孔隙 流体如何分担?流体如何分担? 它们如何传递和相互转化?它们如何传递和相互转化? 它们对土的变形和强度有何它们对土的变形和强度有何 影响?影响? 外荷载外荷载 总应力总应力 土体是由固体颗粒骨架、孔隙流土体是由固体颗粒骨架、孔隙流 体(水和气)三相构成的碎散材体
8、(水和气)三相构成的碎散材 料,受外力作用后,料,受外力作用后,总应力由土总应力由土 骨架和孔隙流体共同承受骨架和孔隙流体共同承受 Terzaghi的有效应力原理和固结理论的有效应力原理和固结理论 3.2 3.2 有效应力原理有效应力原理 外荷载外荷载 总应力总应力 一、饱和土中的应力形态一、饱和土中的应力形态 饱和土是由固体颗粒骨架和充满饱和土是由固体颗粒骨架和充满 其间的水组成的两相体。受外力其间的水组成的两相体。受外力 后,后,总应力分为两部分承担:总应力分为两部分承担: 由土骨架承担,并通过颗粒之间由土骨架承担,并通过颗粒之间 的接触面进行应力的传递,称之的接触面进行应力的传递,称之
9、为为粒间应力粒间应力 由孔隙水来承担,通过连通的孔由孔隙水来承担,通过连通的孔 隙水传递,称之为隙水传递,称之为孔隙水压力孔隙水压力。 孔隙水不能承担剪应力,但能承孔隙水不能承担剪应力,但能承 受法向应力受法向应力 外荷载外荷载 总应力总应力 A a a Psv 接触点接触点 Ps A A: A Aw w: A As s: 土单元的断面积土单元的断面积 颗粒接触点的面积颗粒接触点的面积 孔隙水的断面积孔隙水的断面积 u wsv AuPA a a- -a a断面竖向力平衡:断面竖向力平衡: wS AAA u A A A P w sv 有效应力有效应力 1 二、饱和土有效应力原理二、饱和土有效应力
10、原理 饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部 分分 和和u u,并且:,并且: 土的变形与强度都只取决于有效应力土的变形与强度都只取决于有效应力 一般地,一般地, u u u00 0u0 00u zzyzx yzyyx xzxyx zzyzx yzyyx zxxyx 有效应力有效应力 总应力已知或易知总应力已知或易知 孔隙水压测定或计算孔隙水压测定或计算 u 三、有效应力原理的讨论三、有效应力原理的讨论 孔隙水压孔隙水压 力的作用力的作用 有效应力有效应力 的作用的作用 讨论讨论 它在各个方向相等,只能使土颗粒它在各个方向相等,只能使土颗粒 本身受
11、到等向压力,不会使土颗粒本身受到等向压力,不会使土颗粒 移动,导致孔隙体积发生变化。由移动,导致孔隙体积发生变化。由 于颗粒本身压缩模量很大,故土粒于颗粒本身压缩模量很大,故土粒 本身压缩变形极小本身压缩变形极小 水不能承受剪应力,对土颗粒间摩水不能承受剪应力,对土颗粒间摩 擦、土粒的破碎没有贡献擦、土粒的破碎没有贡献 因而孔隙水压力对变形强度没有直因而孔隙水压力对变形强度没有直 接影响,称为中性应力接影响,称为中性应力 孔隙水压孔隙水压 力的作用力的作用 有效应力有效应力 的作用的作用 讨论讨论 是土体发生变形的原因:是土体发生变形的原因: 颗粒间克服摩擦相对滑移、颗粒间克服摩擦相对滑移、
12、滚动以及在接触点处由于滚动以及在接触点处由于 应力过大而破碎均与应力过大而破碎均与有有 关关 是土体强度的成因:土的是土体强度的成因:土的 凝聚力和粒间摩擦力均与凝聚力和粒间摩擦力均与 有关有关 孔隙水压孔隙水压 力的作用力的作用 有效应力有效应力 的作用的作用 讨论讨论 讨论:讨论: 海底与土粒间的接触压力海底与土粒间的接触压力 哪一种情况下大?哪一种情况下大? 1m z=u=0.01MPa 104m z=u=100MPa 稳定渗流条件:稳定渗流条件:向上渗流向上渗流 A H h 砂层砂层( (承压水承压水) ) sat sat 向上渗流向上渗流 土水整体分析土水整体分析 hH w 总应力:
13、单位土柱总应力:单位土柱 和水柱的总重量和水柱的总重量 = satH 孔隙水压力:净水压强孔隙水压力:净水压强 u = w(H+ h) 有效应力:有效应力: = -u = satH- wH- w h = H - w h 渗透压力,向上渗流使得有效应力减小渗透压力,向上渗流使得有效应力减小 四、饱和土孔压和有效应力计算四、饱和土孔压和有效应力计算 稳定渗流条件:稳定渗流条件:向下渗流向下渗流 A 土水整体分析土水整体分析 hH w 总应力:总应力: = satH 孔隙水压力:孔隙水压力: u = w(H- h) 有效应力:有效应力: = -u = satH- wH+ w h = H + w h
14、H h sat sat 向下渗流向下渗流 砂层(排水)砂层(排水) 渗透压力,向下渗流使得有效应力增加渗透压力,向下渗流使得有效应力增加 可导致土层发生压密变形,称渗流压密可导致土层发生压密变形,称渗流压密 第三章:土体中的应力计算第三章:土体中的应力计算 3.1 3.1 应力状态及应力应变关系应力状态及应力应变关系 3.2 3.2 有效应力原理有效应力原理 3.3 3.3 自重应力自重应力 3.4 3.4 基底压力计算基底压力计算 3.5 3.5 附加应力附加应力 3.3 3.3 土体的自重应力土体的自重应力 假定:假定:水平地基水平地基 半无限空间体半无限空间体 半无限弹性体半无限弹性体
15、有侧限应变条件有侧限应变条件 一维问题一维问题 定义:定义:在修建建筑物以前,地基中由土体本身在修建建筑物以前,地基中由土体本身 的有效重量而产生的应力的有效重量而产生的应力 目的:目的:确定土体的初始应力状态确定土体的初始应力状态 计算计算: 地下水位以上用天然容重地下水位以上用天然容重 地下水位以下用浮容重地下水位以下用浮容重 竖直向自重应力:竖直向自重应力:土体中无剪应力存在,故地基中土体中无剪应力存在,故地基中Z深深 度处的竖直向自重应力等于单位面积上的土柱重量度处的竖直向自重应力等于单位面积上的土柱重量 sz0sysx K z sz 1 K0 iisz H 均质地基:均质地基: 成层
16、地基:成层地基: 水平向自重应力:水平向自重应力: 容重:容重: 地下水位以上用天然容重地下水位以上用天然容重 地下水位以下用浮容重地下水位以下用浮容重 1 H1 2 H2 3 H3 z sz sx sy 地面地面 地下水地下水 分布规律分布规律 分布线的斜率是容重分布线的斜率是容重 在等容重地基中随深度呈直线分布在等容重地基中随深度呈直线分布 自重应力在成层地基中呈折线分布自重应力在成层地基中呈折线分布 在土层分界面处和地下水位处发生转折或突变在土层分界面处和地下水位处发生转折或突变 1 H1 2 H2 2 H3 z sz sx sy 地面地面 地下水地下水 sz 1H1 2H2 2H3 z
17、 sat H H1 1 H H2 2 地面地面 地下水位地下水位 静水条件:静水条件:地下水位地下水位 总应力:单位土柱总应力:单位土柱 和水柱的总重量和水柱的总重量 = H1+ satH2 孔隙水压力:净水压强孔隙水压力:净水压强 u = wH2 有效应力:有效应力: = -u = H1+( sat- w)H2 = H1+ H2 = =- -u u u=u= w wH H2 2 u=u= w wH H2 2 H H1 1 2sat1 HH A (-) 2sat1 HH H H1 1 地面地面 A 地下水位地下水位 静水条件:静水条件:水位下降水位下降 总应力:总应力: = H1+ satH
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