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1、1为纯科学呼吁（A Plea for Pure Science） 筛选编辑自，亨利奥古斯特罗兰/Henry Augustus Rowland (发表于100多年前的science杂志) AUG.15, 1883 为了应用科学，科学本身必须存在。假如我们停止科学的进步而只留意科学的应用，我们很快就会退化成中国人那样，多少代人以来他们都没有什么进步，因为他们只满足于科学的应用，却从来没有追问过他们所做事情中的原理，这些原理就构成了纯科学。中国人知道火药的应用已经若干世纪，如果他们用正确的方法探索其特殊应用的原理，他们就会在获得众多应用的同时发展出化学，甚至物理学。因为只满足于火药能爆炸的事实，而没
2、有寻根问底， 中国人已经远远落后于世界的进步，以至于我们现在只将这个所有民族中最古老、人口最多的民族当成野蛮人。2树立崇高理想，攀登科学高峰。从事纯科学研究者是先驱，他们不可能在城市和已经文明化的社会中徘徊，他们必须一头扎入未知的森林，攀登迄今无法涉足的高山，在那里俯览希望之乡的美景。这是科学许诺在未来给我们的乐土，这片土地不仅流淌着奶和蜜，而且赋予我们更好和更伟大的思想来认识这个神奇的宇宙。如果要实现这样的理想，我们的目标就不能太低。我们要解决的问题远比任何竞赛都更加困难，如果没有恰当的准备，即使最高智力水平的人也不会获得成功。最伟大的奖励等待着伟大的智力付出最大的努力，他必须通过持续不断的
3、实践来保持敏锐的目光和新鲜的思想。仪器和设备可以用钱买来，天赋可能与生俱来，但是我们心智的工具数学知识、实验能力等前人创造的知识的掌握，所有这些都需要通过努力才能获得。33.5 有效应力原理土孔隙水固体颗粒骨架+三相体系对所受总应力，骨架和孔隙流体如何分担？3 土体中的应力计算孔隙气体+总应力总应力由土骨架和孔隙流体共同承受它们如何传递和相互转化？它们对土的变形和强度有何影响？受外荷载作用Terzaghi（1923）有效应力原理固结理论土力学成为独立的学科孔隙流体 非饱和土中的应力形态：aa有效应力（ As 0.03A）Bishop（1960）等提出了修正的有效应力原理完整表达式：u对于饱和土
4、：u对于干土： 0 饱和度Sr 100% 1 1、与土体饱和度成正比，也与土的类型、施加荷载的应力路线有关。 2、对粉土Sr4050，粘性土Sr85%时上式成立。 3、一般认为当土中孔隙体积的80%以上为水充满时，土中虽有少量气体存在，但大都是封闭气体，就可视为饱和土。 81. 饱和土中的应力形态PSPSVaa3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算一. 有效应力原理的基本概念PSA：Aw：As：土单元的断面积颗粒接触点的面积孔隙水的断面积a-a断面通过土颗粒的接触点有效应力a-a断面竖向力平衡：u：孔隙水压力土骨架承担土骨架传递93.5 有效应力原理3 土体中的应力计算一. 有效应力原理的基
5、本概念2. 饱和土的有效应力原理（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分 和u，并且（2）土的变形与强度都只取决于有效应力一般地，有效应力总应力已知或易知孔隙水压测定或算定通常,10孔隙水压力的作用l 对土颗粒间摩擦、土粒的破碎没有贡献，并且水不能承受剪应力，因而孔隙水压力对土的强度没有直接的影响；l 它在各个方向相等，只能使土颗粒本身受到等向压力，由于颗粒本身压缩模量很大，故土粒本身压缩变形极小。因而孔隙水压力对变形也没有直接的影响，土体不会因为受到水压力的作用而变得密实。变形的原因l 颗粒间克服摩擦相对滑移、滚动与 有关；l 接触点处应力过大而破碎与 有关。试想：海底与土粒间的接
6、触压力哪一种情况下大？1mz=u=0.01MPa104mz=u=100MPa强度的成因 凝聚力和摩擦与有关3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算一. 有效应力原理的基本概念 2. 饱和土的有效应力原理（2）（1）土的变形与强度都只取决于有效应力111. 自重应力情况 二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 (1) 静水条件3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算地下水位海洋土毛细饱和区(2) 稳定渗流条件2. 附加应力情况 (1) 单向压缩应力状态(2) 等向压缩应力状态(3) 偏差应力状态121. 自重应力情况二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 3.5 有效应力原理3 土体中的应力
7、计算(1) 静水条件 地下水位地下水位下降引起 增大的部分H1H2=-uu=wH2u=wH2=-u =H1+satH2-wH2 =H1+(sat-w)H2 =H1+H2地下水位下降会引起增大，土会产生压缩，这是城市抽水引起地面沉降的主要原因之一。131.自重应力情况海洋土(1)静水条件3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 wH1wH1=-u =wH1+satH2-wH =satH2-w(H-H1) =(sat-w)H2 =H214毛细饱和区(1)静水条件3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算1.自重应力情况二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算
8、毛细饱和区总应力孔隙水压力有效应力+-15Hh砂层，承压水粘土层satHh砂层，排水sat(2) 稳定渗流条件3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算1.自重应力情况二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 向上渗流向下渗流16土水整体分析A向上渗流:向下渗流:3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算1.自重应力情况二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 Hh砂层，承压水粘土层sat渗流压密渗透压力:17取土骨架为隔离体A向上渗流:向下渗流:3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算1.自重应力情况二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 Hh砂层，承压水粘土层sat自重应力:渗透力:渗透力产
9、生的应力:182. 附加应力情况 几种简单的情形：3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 外荷载附加应力z土骨架：有效应力(2) 轴对称三维应力状态(1) 侧限应力状态孔隙水：孔隙水压力超静孔隙水压力19(1) 侧限应力状态及一维渗流固结2.附加应力作用情况 实践背景：大面积均布荷载p3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 不透水岩层饱和压缩层z=pp侧限应力状态20(1) 侧限应力状态及一维渗流固结2.附加应力作用情况 物理模型：钢筒侧限条件 弹簧土骨架 水体孔隙水 带孔活塞排水顶面 活塞小孔渗透性大小初始状
10、态边界条件渗流固结过程3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 p一般方程p21(1) 侧限应力状态及一维渗流固结2.附加应力作用情况 3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 ppp附加应力:z=p超静孔压: u = z=p有效应力:z=0渗流固结过程附加应力:z=p超静孔压: u 0附加应力:z=p超静孔压: u =0有效应力:z=p22 孔压系数：v不排水条件下相当于t=0时刻:3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算2.附加应力作用情况 二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 (1) 侧限应力状态及一维渗
11、流固结渗流固结过程vu,随时间在变化v产生超静孔隙水压力232.附加应力作用情况 3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 轴对称三维应力状态=+等向压缩应力状态偏差应力状态封闭土样24(2) 等向压缩应力状态l孔隙流体产生了超静孔隙水压力uBl土骨架的有效附加应力l孔隙流体的体积变化孔隙流体的体积压缩系数为Cf ，单位孔隙压力作用引起的体应变l土骨架的体积变化设土骨架的体积压缩系数为Cs体积Vl土骨架的体变等于孔隙流体的体变V1=V22.附加应力作用情况 3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 孔压系数B土骨架
12、为线弹性体25饱和土：干 土： 非饱和土：B是一个反映土饱和程度的指标3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算孔隙流体的体积压缩系数为Cf ，单位孔隙压力作用引起的体应变设土骨架的体积压缩系数为Cs2.附加应力作用情况 二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 孔压系数B(2) 等向压缩应力状态26l孔隙流体产生了超静孔隙水压力uA有效附加应力l孔隙流体的体积变化l土骨架的体积变化l土骨架的体变等于孔隙流体的体变V1=V2孔压系数A3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算2.附加应力作用情况 二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 (3) 偏差应力状态体积V暂时假定土骨架为线弹性体轴向侧向总
13、应力增量应变增量027孔压系数A对饱和土:剪切作用引起的孔压响应对于线弹性体:A=1/3A不是常数，随加载过程而变化A1/3A1/3剪胀：剪缩：3.5 有效应力原理3 土体中的应力计算2.附加应力作用情况 二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 (3) 偏差应力状态A 是一个反映土剪胀性强弱的指标，其大小与土性有关剪胀性：剪应力引起土的体积变化的特性28问题: 能否对孔压系数 A 作进一步的解释？29问题: 能否对孔压系数 A 作进一步的解释？回答：xyz30偏差应力状态等向压缩应力状态纯剪应力状态纯剪应力状态313.5 有效应力原理3 土体中的应力计算轴对称三维应力状态等向压缩应力状态偏差
14、应力状态2.附加应力作用情况 二. 饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 323 土体中的应力计算3.1 应力状态3.2 地基中自重应力的计算3.3 地基中附加应力的计算3.4 基底压力计算 3.5 有效应力原理 3.6 应力路径33 3土体中的应力计算3.6 应力路径一、应力路径及表示法二、总应力路径与有效应力路径三、几种加载方式下的应力路径343.6 应力路径一、应力路径及表示法土的应力应变关系特性 、弹塑性、需要记录加载历史应力路径概念土体中一点应力状态连续变化，在应力空间（平面）中的轨迹应力状态：土体中一点（微小单元）上作用的应力的大小与方向353.6 应力路径一、应力路径及表示法+-1
15、Oz+zx-xzx213rp13qp莫尔圆应力状态圆上特定点pOqp, q平面：一个 点代表一个应力状态363113，pO，q固结结排水三轴试验轴试验3.6 应力路径保持为常数一、应力路径及表示法用莫尔圆 用应力平面一点的应力状态一个莫尔圆一点应力的变化过程一系列莫尔圆一条线（应力路径）极限应力状态与强度包线相切的莫尔圆破坏主应力线上的一点莫尔圆与 p, q 平面上的应力路径373.6 应力路径二、总应力路径与有效应力路径p, q平面：一个 点代表一个应力状态1、总应力路径2、有效应力路径np=p-unq=q383.6 应力路径三、几种加载方式下的应力路径（一）没有孔隙水压力时2、增加偏差压力
16、11、增加围压33、增加1减小3特例垂直线45度斜线水平线p,q图和p,q图相同P POqp,q图和p,q图相同393.6 应力路径三、几种加载方式下的应力路径（二）有孔隙水压力时2、A=0.51、A=03、A=1垂直线45度斜线负45度斜线 POqp,q图和p,q图NO相同举例：增加偏差压力1有效路径的关键是总应力的变化和孔隙水压力的变化40应力状态自重应力的计算附加应力的计算基底压力计算有效应力原理3 土体中的应力计算小结u地基中的应力状态u应力应变关系的假定u土力学中应力符号的规定u水平地基中的自重应力u因素：底面形状；荷载分布；计算点位置u影响因素u基底压力分布u实用简化计算u基本概念u饱和土中孔隙水压力和有效应力的计算 应力路径u总应力路径u有效应力路径
