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高等土力学(李广信)3.5 土的排水与不排水强度_图文

高等土力学(李广信)3.5 土的排水与不排水强度_图文

3.5 土的排水与不排水强度
3.5.1 概述 3.5.2 砂土的排水和不排水强度 3.5.3 粘土的排水与不排水强度

3.5.1 概述

P = P′ + Pw = P′ + u ( A ? Ac ) 饱和土的有效应力原理: P = Pc′ + u(1 ? α ) A A 由于颗粒间接触点的面 α= Ac A ≈ 0 积很小。 σ =σ′+ u

图3-53 土粒的接触 -

3.6.1 概述 饱和土的有效应力原理:

σ = σ′ + u
有效应力部分产生 抗剪强度。

图3-54 土的有效应力原理示意图 -

有效应力原理的适用范围

岩石与混凝土、 非饱和土 有效应力原理不一定 适用
某些多孔介质的孔隙与 固体可能都是连续的, 图3-55 某些多孔介质的孔隙 固体的接触面积不可忽 - 略。

孔压系数

三轴应力状态的孔压系数A与B

?u = ?u0 + ?u1 = B[?σ3 + A(?σ1 ? ?σ3 )]
一般应力状态的孔压系数B、a 和c

du = B(dp + adq + cqdθ )

B=?

B=

1 Cv 1+ n Cs

孔隙流体小→0 (饱和) 土骨架——压 缩系数大

B=1

B=0

图3-56 孔压系数B -

块石或土
巴斯石灰 岩 滑 石 密 砂

(104×kPa-1)

Cs

n (%)

B 0.468 0.647 0.988 0.997 0.999

0.06 0.25 15 80 400

15 30 40 42 55

硬粘土 软粘土

表 不同岩土的孔压系数B

非饱和粘土的三轴固结不排水试验CU
孔压系数B

Sr 饱和度 图3-78 饱和度与孔压系数B -

一般应力状态下:

du = B(dp + adq + cqdθ )
p v p

对于弹塑性模型,相适应流动规则:

f ( p' , q,θ , H) = 0 H = H(ε ε ) B=1.0 ?f ?f ?f ?f ? a=K /(A + K ? ) 孔压系数 a: ?q ?p' ?p' ?p'
孔压系数 c:

1 ?f ?f ?f ?f ? c=K /( A + K ) q ?θ ?p' ?p' ?p'

其中

?f ?f ?H ?f ?H A =? ( + ) p p ?H ?p' ?εv ?q ?ε
?

3.5.2 砂土的排水和不排水强度
密砂 松砂

图3-57 砂土的排水试验 -

σ3c=400kPa
图3-58 不同密度砂土的三轴试验 - A: CU, Dr= 30% B: CU, Dr= 44% C: CU, Dr = 47% D: CD, Dr = 30%

(σ1-σ3)?2 有效应力强度
最大应力差对应的强度

(σ1-σ3)?2

总应力强度 (峰值)

总应力强度(残余)

ε1

0

(σ1+σ3)?2

图3-59 松砂土的最大应力差与最大应力比

σ1-σ3

ε

图3-60 水松砂岸坡的流滑(液化) -

临水松砂岸坡的流滑:松砂的不排 水总应力残余强度只有3°~5°。

3.5.3 粘土的排水与不排水强度
1. 饱和粘土的排水试验CD 2. 饱和粘土的三轴固结不排水试验CU 3. 固结不排水试验(CU)确定的强度指标 4. 粘土的不固结不排水试验(UU) 5. 排水和不排水强度指标的工程应用 6. 非饱和土的强度与强度理论

1.饱和粘土的排水试验CD
e

正常固结粘土
固结压缩试验

σ τ

固结排水试验强度包线 (过原点) 0

σ
图3-61 正常固结粘土的压缩曲线与强度包线 -

1. 饱和粘土的排水试验CD
e

超固结粘土
固结压缩试验

σ τ

固结排水试验强度包线

σ
图3-62 超固结粘土的压缩曲线与强度包线 -

2. 饱和粘土的三轴固结不排水试验CU

正常固结土-减缩(正孔压);超固结土-剪胀 (负孔压)

图3-63 粘土的三轴固结不排水试验 -

3. 固结不排水试验(CU)确定的强度指标

正常固结土

超固结土

图3-64 总应力路径与有效应力路径 -

超固结

正常固结

σ′p

图3-65 先期固结压力σ′p附近的包线 -

4. 粘土的不固结不排水试验(UU)
不固结不排水(UU):unconsolidated undrained 固结不排水(CU):consolidated undrained 固结排水(CD):consolidated drained

原状土的不扰动取样过程

′ σr

εv = 0
图3-66 正常固结粘土的沉积、

固结与取样过程应力路径

(1)正常固结土的原位应力状态 超静孔隙水 压力 u=0

总应力

有效应力

σv σh

σv σh

图3-67 原位应力状态 -

σh = K0σv

(2)取样以后的应力状态 总应力
0 0

有效应力 孔 压

σ′v=-ur
ur<0

σ′h=-ur

图3-68 原状土取样以后 -

放入压力室以前:体积不变,负孔压 ur

(3)施加围压后
总应力σc

=?uc

?uc= σc ur+ ?uc

孔 压

有效应力 -ur -ur

σ′vc= σ′hc= σc-ur-?uc= -ur
图3-69 施加围压σc 产生超静孔压?uc= σc -

如果:σc=?uc=-ur, 则:u=0, σ?= σc

(4)剪切过程 总应力


σ′vc= σc+?σ - ur - ?uc± ?u
=?σ + ur ± ?u
孔压

有效应力

σc

ur + ?uc± ?u

σ′hc= σc+ur- ?uc ±
?u =ur ± ?u

图3-70 施加轴向应力?σ=σ1?σ3 产生超静孔压±?u -

有效应力 (5)试样破坏时情况 σ′vc= σc+?σ - ur - ?uc± ?uf 总应力
?σf

=?σ + ur ± ?uf=σ1f
孔压

σc

ur + ?uc± ?uf σ′hc= σc+ur- ?uc ± ?uf =ur ± ?uf =σ3f
图3-71 试样破坏时的应力状态?uf -

饱和土的不排水包线是一条水平线,其斜率?uu=?u=0。 图3-72 UU的强度包线 - 的

非饱和粘土的三轴不排水试验强度包线

图3-73 非饱和粘土UU的强度包线 -

5 . 排水和不排水强度指标的工程应用 (1) 有效应力强度指标(CD) ①对于砂土,在一般加载的速率下,用有 效应力强度指标进行分析——CD。 ②对于粘性土,如果在计算中,超静孔压 已经全部消散(加载很慢),或者土中的 孔隙水压力可以准确地确定,也可以用 有效应力强度指标。 ③有效应力强度指标可以通过排水试验或 者CU+孔压量测来确定。

(2)固结不排水(CU)强度指标

在一定的围压下固结已经完成, 很快施加剪应力,不能排水。

图3-74 软粘土上分期填筑的土方工程 -

CU指标:软粘土上(1)部分完成很长时间 (2)部分快速施工的填方工程

图3-75 土坝水位骤降 -

水位骤降(土坝厚心墙)

图3-76 天然土坡上快速填方 -

(3)不排水(UU)强度指标 在原来的应力状态上,施加围压σ3和剪应 力σ1?σ3时,都不会排水,存在超静孔压。

图3-77 UU强度指标的应用 -

(a)在软粘土地基上快速施工的填方 (b)土坝快速施工,竣工后,心墙未固结 (c)粘土地基上,快速施工的建筑物

选择指标要考虑一下因素: 土质 排水条件 施工速度 考虑的工况 ——根据对工程情况的了解,经验判断

6. 非饱和土的排水强度 Bishop非饱和土的有效应力原理及强度准则:

σ′ = σ ?ua + χ(ua ?uw )
τ = c′ + [σ ? ua + χ(ua ? uw )]tg?′
f

u = ua ? χ(ua ?uw )

其中χ是一个与土的饱和度有关的参数, 一般不易确定。

弗雷德伦德(D. G. Fredlund)非饱和土的强度准 则

τ = c′ + (σ ? ua )tg?′ + (ua ? uw )tg?′′
f

τf = c′′ + (σ ? ua )tg?
c′′ = c′ + (ua ? uw )tg?′′
τ = c′ + [σ ? ua + χ(ua ? uw )]tg?′
f

可见: χ tg?′ =tg?″ , ?″同样不易确定。

图3-79 非饱和土的强度包线 -

τ = c′ + (σ ? ua )tg?′ + (ua ? uw )tg?′′
f

非 饱 和 土 的 土 水 特 征 曲 线
0 图3-80 - 100 Sr/% s=ua-uw

?′′

不是常数

τ = c′ + (σ ? ua )tg?′ + (ua ? uw )tg?′′
f


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