《土的临界状态模型及其性质(修改)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土的临界状态模型及其性质(修改)（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、土的临界状态模型及其性质土的临界状态模型及其性质 6.0 引言引言 到目前为止，土的性质已经可以用单个图形来描述。该书第二章讲述了土的物理性质， 第三章讲述了有效应力与应力路径，第四章讨论了土的一维固结，第五章讨论了土的剪切 强度。很明显，土在高应力状态下固结，其剪切强度将会增大。增量的大小取决于土的种 类、加载条件（排水或不排水）以及应力路径等。因此，应将那些单个的图形联系在一起 进行分析。 在本章中，将讨论如何将它们联系在一起。我们把这些单个的图形反映到一个图中去， 然后用它来解释并分析土的性质。这里主要是将固结与剪切强度建立在一起，实际中的土 需要用一个很复杂的图去描述。不仅因为土是一种
2、天然复杂的材料；而且荷载与加载路径 没有设想的那样精确。 这里将通过该图提供的简单框架来描述，解释和预测土体对各种加载的反应。此框架 是建立在临界状态土体上的一个理论模型临界状态模型（Shofield ,Worth 1968） 。实验和 现场的数据，尤其是从正常固结的软粘土得到的，对临界状态模型的发展起到了推动作用。 这章的重点在于如何通过临界状态模型来解释土的特性，但不是推导数学公式。 将要讨论的临界状态模型（CSM）是对土的性质的一个简化，从而达到理想化。但 CSM 描述的土的性质对于岩土工程师来说仍然是非常重要的。CSM 模型的核心问题是所 有的土将在（q, p , e）空间中唯一的破坏
3、面上破坏，这样，CSM 包含了破坏准则中的体积 变化，该准则并不象莫尔库仑破坏准则那样仅说明了达到最大应力比时的破坏。由 CSM 知，破坏时的应力状态对于所确保的破坏并不够，土的结构一定要足够松散。当你无法用足够的实验来说明土的性质，或者必需预测建设中与工后土随加载变化的 性质时，可以采用 CSM 来估计。尽管 CSM 在实际应用方面存在争论，但它的理论基础很 简单，对于土的特性研究，特别是在“如果那么”的假设前提下，它是非常有用的。 通过这章对 CSM 的学习，虽然它是一个简化了的准则，但有助于我们更好的理解土的其 它模型。 学完这一章你应该能够了解： 估计土的破坏应力 估计破坏时的应变 根
4、据从简单的实验得到的一些参数来预测土的应力应变特性 预测当作用在土体上的荷载发生改变时土的破坏状态 学习该章节时，可能要用到第二五章中的知识，尤其是： 指数特性（第二章） 有效应力，应力变量以及应力路径（第三章） 基本的固结（第四章） 剪切强度（第五章）土样实际情况土样实际情况 某油罐建于冲积软粘土上，要求事先对该粘土用一圆形堤加载，施加的荷载至少与油 罐加满油时产生的总应力相等，砂土排水加速了固结的过程。油罐的基础是圆形的混凝土 板，预先加载的目的是减少基础的总沉降。此时，应该告知业主怎样加满油罐才不会发生 过早的破坏。预加载后，业主往往会要求增加油罐的高度，这就需要判断土是否有足够的 剪切
5、强度来承担油罐高度增加引起的额外荷载，以及是否能达到预计的沉降数目，业主并 不想再花钱做试验。6.1 重要定义重要定义 超固结比（超固结比（R0） 先期固结压力与现有固结压力的比值（R0 pc /po , 其中 pc指先期最大 的名义有效应力，po指现有的名义有效应力） 。 受压指数（受压指数（ ） 在空隙比相对名义有效应力的自然对数坐标系中，正常固结线的斜率。 卸载卸载 /加载指数加载指数 或者重复受压指数（或者重复受压指数（ ）在空隙比相对名义有效应力的自然对数坐标系中， 加载/卸载曲线的斜率平均值。 临界状态线（临界状态线（CSL） 代表了土的破坏状态。在（q, p）空间中，临界状态线的
6、斜率为 M, 它与土在临界状态时的摩擦角有关。在（e, lnp）空间中，临界状态线的斜率为 ,平行于正 常固结线。在（q, p, e）三维空间中，临界状态线变成了临界状态面。6.2 指导学习的一些问题指导学习的一些问题 1. 何谓土体的屈服 2.土体的屈服与破坏的区别 3.影响土体的屈服与破坏的参数 4.破坏应力是否决定于固结压力 5.何谓临界状态参数以及怎样根据土体的试验来确定 6.在土体的破坏中，应变是否重要 7.不同应力路径下，土体的应力应变差异6.3 基本概念基本概念 6.3.1 参数图形参数图形 在临界状态的基本法概念中，我们将采用应力应变不变量作一些图，讨论轴对称加载 时的饱和土。
7、这些概念和方法适用于任何加载情形。这里不仅作出了 n 、 z 图形， 还作出了 qp图形（见图 6.1a） 。这意味着必须知道作用在单元上的主应力。对于对称（三 轴）的情形，只要知道两个主应力。 在（ z）空间中，斜率为cs=tan-1cs /(z)f的莫尔库仑破坏线，若在（q, p）空 间中，斜率变为 M= qf /pf ,其中 f 代表破坏。类似的，用 e p 坐标代替 ez坐标（见图 6.1b） ；用 e p 坐标代替 e logz坐标（见图 6.1c） ；将 e lnp空间中正常固结线斜率记为 ，卸载加载线斜率记为 。那么就能得到cs与 M，Cc 与 ，Cr 与 关系。正常固结线 （N
8、CL）斜率 与加载/卸载线（UCR）斜率 分别为（6.1） cccCCC434. 03 . 210ln（6.2） rrrCCC434. 03 . 210ln受压时 与 均为正，对于许多土而言， / 的取值在 0.10.4 之间。cs与 M 的关系将 在后面加以说明。采用应力不变量表示的超固结比为（6.3）oc oPPR 图图 61 强度与固结参数图其中 po是初始名义有效应力或者超荷载下的名义压力；pc为预固结名义有效应力。 在 6.3 式中定义的超固结比 Ro与 4.13 式中 OCR 并不相等。OCRKKRUC oDC o o2121（上式在作业 6.1 中要求证明）6.3.2 破坏面破坏
9、面（q, p, e）空间中的破坏面是 CSM 的基本概念，它对于任何加载以及应力路径均适用。 在该章节中，破坏状态与临界状态是相似的，破坏线亦即临界状态线(CSL)。由前面的知识， 临界状态是在体积不变的情况下，发生连续的剪切变形,应力状态保持不变。在（q, p） 空间中，CSL 是一条直线，对于受压，斜率为 M=Mc；对于受拉，斜率为 M=Me(见图 6.2a)。 拉伸并不意味着张拉，只有当侧向应力大于竖向应力时成立。在（p, e）空间中（见图 6.2b）或者（e, lnp）空间中(见图 6.2c)，相应的 CSL 与正常固结线平行。图图 6.2 临界状态线，正常压缩与加载/卸载线我们可以用
10、单个的三维图形来说明 CSL，其轴为 q, p,e(见封面)。为了简化起见，在(q, p)与(e, p)空间中，我们将采用 the projections of 破坏面。6.3.3 土的屈服土的屈服 在第三章中（见图 3.8） ，应力空间里有一屈服面，它把应力状态分为弹性与塑性两部 分。我们将在(q, p)空间中采用该屈服面（见图 6.3） ，而不是在（1,3）空间。这样，分 析土的 responses 将与坐标系的选择无关。图图 6.3 屈服面的扩张假设屈服面是一个椭圆，且其初始尺寸与主轴均由先期固结压力 pc来确定。实验 （Wong , Mitchell,1975）表明：对土来说，椭圆形的
11、屈服面是合理的。先期固结压力越大， 初始的椭圆越大。注意，讨论时采用的是受压状态，该理论对于受拉同样适用，除了椭圆 屈服面的副轴在拉伸方向的尺寸小于压缩方向。所有在屈服面内的 q, p组合，例如图 6.3中的 A 点，将使土发生弹性变形；如果 q, p组合在屈服面上，例如图 6.3 中的 B 点，土的 屈服类似于钢筋；任何相对目前的屈服面外移的应力组合将引起屈服面向外扩大。这样，在塑性加载时，q, p点落到相应的外扩屈服面上，而不是在其外面，如图上的 C 点。有效 应力路径，例如 BC(图 6.3)表示土呈现弹塑性。如果土从破坏前的任一应力状态卸载，土 表现为弹性材料。屈服面变大，弹性区域将跟
12、着变大。63.4 排水条件下土体的正常固结与轻微超固结特性预测排水条件下土体的正常固结与轻微超固结特性预测 下面假设一种情形来阐述所提出的理论。一土体的初始空隙比为 eo，在三轴仪中进行 不排水实验，也就是 CD 实验。土样在 CD 实验中发生等向固结，保持围压不变，施加轴 向荷载或者位移。使土样固结达到最大名义有效应力 Pc ，然后卸载至名义有效应力 Po， 这样 R c= Pc / Po 2，如 图 6.6.a,b 中的点 C 所示。对于超固结土，在 ep图中，其初始应力状态落在临界状态线 的左边。CD 试验的 ESP 曲线的斜率为 3，且与初始屈服面交于 D 点。因此，如图 6.6.b,
13、c 中的 CD 所示,从 C 到 D 点土体表现为弹性。ESP 与临界状态线交于点 F(见图 6.6a),当土体 加载到破坏时，屈服面收缩。对于 dilaiting 土，初始屈服应力在到达峰值前是相似的。从 点 D 开始，土体膨胀（见图 6.6.b,d） ；应变软化（见图 6.6.c）直到破坏点 F。 CSM 模拟土体超固结特性时，到达最大剪应力前，将土体作为弹性材料来考虑；之后， 施加的荷载将使得土体发生应变软化并向临界状态发展，期间显示弹塑性。事实上，超固 结土在到达最大剪应力之前就可能表现弹塑性，但由目前的简单的 CSM 并不能得到这一 性质。图图 6.6 采用 CSM 来说明 CD 试
14、验(Ro2)得出的结果有关超固结土的 CU 试验在(e, p)空间中的破坏路径如图 6.7b 中的 CF 所示。在点 D 达到初始屈服，F 点破坏。初始屈服时的超孔隙水压力为uy ，破坏时为uf 如图 6.7.a 所 示。破坏时的超孔隙水压力为负值（pfpf） 。6.3.7 临界状态边界临界状态边界 作为一个边界，临界状态线 CSL 将正常固结，轻微超固结和超固结土划分开了。应力 状态落在 CSL 右边时，土体受压且发生应变硬化；如果落在左边时，土体膨胀，同时应变 软化。6.3.8 体积变化与超孔隙水压力体积变化与超孔隙水压力比较 CSM 中土体的排水与不排水试验的反应可知：压缩排水试验转化为
15、正孔隙水压 力的不排水试验；膨胀排水试验转化为负孔隙水压力的不排水试验。CSM 还表明了，正常 固结与轻微超固结土发生应变硬化至破坏；而超固结土应变软化至破坏。从 CSM 预测到 的土体的反应图图 6.7 采用 CSM 来说明 CU 试验(Ro2)得出的结果6.3.9 有效应力路径的作用有效应力路径的作用 土体对荷载的反应取决于 ESP，斜率小于 CSL 的 ESP 在土体中不产生剪切破坏，因为 ESP 与 CSL 不相交。这里，可以对正常固结或者轻微超固结土体，沿着类似超固结土的 ESP 加载，如图 6.8 中的 OB 所示。在基坑开挖中，可能出现与 OB 相似的有效应力路径。 有一点是肯定
16、的，土在破坏前一定屈服。图图 6.8 土对有效应力路径的作用的反应基本要点：基本要点： 1.对土体来说，在（对土体来说，在（q, p）空间中有唯一的临界状态线；相应地，在（）空间中有唯一的临界状态线；相应地，在（e, p）空间中也有）空间中也有 唯一的临界状态线。唯一的临界状态线。 2.土体有初始屈服面，初始屈服面的尺寸取决于先前有效应力。土体有初始屈服面，初始屈服面的尺寸取决于先前有效应力。 3.当施加的有效应力大于初始屈服应力时，对当施加的有效应力大于初始屈服应力时，对R0 2，屈服面膨胀；，屈服面膨胀；R0 2，屈服面收缩。，屈服面收缩。4.当应力在屈服面之内时，土体表现弹性；在屈服面之外时，土体表现弹塑性。当应力在屈服面之内时，土体表现弹性；
