孔隙壓力、有效應(yīng)力與排水

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1、WORD文檔下載可編輯第六章孔隙壓力、有效應(yīng)力和排水6.1引言通常所說的土是由固體顆粒和水兩部分組成的，基礎(chǔ)或擋墻上的荷載包含土顆粒和孔隙水上面的應(yīng)力兩部分。在沒有土顆粒的船體外表面，法向應(yīng)力就等于水壓力；而在沒有水的裝有糖的盆底，應(yīng)力就等于所裝的糖的重量。問題就是土顆粒應(yīng)力和孔隙水壓力的哪種組合決定著土的性質(zhì)。要研究這個(gè)問題，我們首先研究地基中的應(yīng)力和水壓力。6.2地基中的應(yīng)力在地基中，某一深度的豎向應(yīng)力是由上面的一切東西的重量產(chǎn)生的——土顆粒、水和基礎(chǔ)，所以應(yīng)力隨著深度的增加而增大。圖6.1(a)中的豎向應(yīng)力為：(6.1)其中為土的容重（見5

2、.5節(jié)）。如果地基在水平面以下或者在湖底、海底的話（如圖6.1(b)所示），豎向應(yīng)力計(jì)算公式就變?yōu)椋?6.2)如果在基礎(chǔ)或路堤表面有荷載作用的話（如圖6.1(c)所示），那么豎向應(yīng)力計(jì)算公式就變?yōu)椋?6.3)這里面的是單位體積的土顆粒和水重量之和。因?yàn)槭怯赏馏w的總重量產(chǎn)生的，所以成為總應(yīng)力。注意，圖6.1(b)中所示的湖中的水把總應(yīng)力作用在底部同玻璃杯中的水把總應(yīng)力作用在杯底的方式相同。土顆粒的重度變化不大，一般來講，飽和土的，干土的，水的。同時(shí)也有水平向的總應(yīng)力，但是在和之間沒有簡(jiǎn)單的關(guān)系。在以后的章節(jié)我們會(huì)對(duì)水平向的應(yīng)力進(jìn)行研究。6.3地下水

3、和孔隙水壓力專業(yè)技術(shù)資料精心整理WORD文檔下載可編輯飽和土的孔隙水中存在的壓力叫做孔隙水壓力。在豎管中經(jīng)常用來簡(jiǎn)單地代替，如圖6.2所示。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，豎管內(nèi)部和外部的水壓力相等，因此得到：(6.4)當(dāng)豎管中的水位低于地表面時(shí)（如圖6.2(a)所示），就稱為地下水位。如果土中水是靜止的，那么地下水位面就像湖面一樣是水平的。然而，就像我們后面將要見到的那樣，如果地下水位面不是水平的，那么土孔隙中就存在水的滲流。圖6.2(a)中地下水位面處孔隙水壓力為零（這就是叫做地下水位），水位以下為正值，問題就出來了：地下水位面以上孔隙水壓力是什么樣的

4、呢？圖6.3說明了地表面和地下水位面之間的土中孔隙水壓力的變化情況。在地表面處有一層孔壓為零的干土，這種情況很少見到，但是在高潮水面以上的海灘可以發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。在地下水面以上的一小部分，由于土中孔隙的毛細(xì)作用，土體是飽和的。在這一區(qū)域，孔隙水壓力是負(fù)值，計(jì)算公式如下：(6.5)專業(yè)技術(shù)資料精心整理WORD文檔下載可編輯最應(yīng)該注意的一點(diǎn)就是飽和土中也可能產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力。這就暗示了水承受了張力，地下水位面以上的土體中的水像毛細(xì)試管中的水那樣上升。地下水位面上面飽和區(qū)域的高度主要取決于土顆粒的尺寸，更多的取決于孔隙的尺寸：土顆粒和孔隙越小，有負(fù)孔隙

5、水壓力的飽和土區(qū)域的高度就越大，飽和區(qū)域頂部和負(fù)孔隙水壓力就越大。在干土和飽和土之間存在著非飽和土，包括土顆粒、水和氣，一般是空氣或者水蒸氣。在這部分，孔隙中的水壓和氣壓是不同的，孔隙水的引力如圖6.3所示那樣增加或減小。目前針對(duì)非飽和土還沒有簡(jiǎn)單并且令人滿意的理論，所以這本書中只研究干土和飽和土。因?yàn)閷?shí)際的邊坡、基礎(chǔ)、擋土墻和其它重要的土木工程建筑中，土通常是飽和的，至少在溫和的或潮濕的氣候條件下是飽和的。而只有在非常接近地表的土、密室土和干燥炎熱的氣候條件下的土中才可能存在非飽和土。6.4有效應(yīng)力由基礎(chǔ)荷載或邊坡開挖所產(chǎn)生的總應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致地

6、面出現(xiàn)移動(dòng)和失穩(wěn)現(xiàn)象，這是顯而易見的。但是由于孔隙水壓力的變化而導(dǎo)致地面出現(xiàn)移動(dòng)和失穩(wěn)現(xiàn)象，這可能是不明顯的。例如，穩(wěn)定的邊坡可能在暴風(fēng)雨后發(fā)生破壞，因?yàn)樗某槌鰧?dǎo)致地面出現(xiàn)沉降，從而地下水位降低，下雨天雨水入滲，孔隙水壓力升高（如果有人告訴你雨后發(fā)生滑坡是因?yàn)橛晁畬?duì)土的潤(rùn)滑作用的話，你就問問他，沙丘里的潮濕砂子的強(qiáng)度為什么比干燥砂土的要大）。如果土的壓縮和強(qiáng)度是隨總應(yīng)力或孔隙水壓力的變化而變化的話，就說明土的性質(zhì)很可能和和的組合有關(guān)。這種組合應(yīng)該稱為有效應(yīng)力，因?yàn)樗鼘?duì)于決定土的性質(zhì)是有效的。專業(yè)技術(shù)資料精心整理WORD文檔下載可編輯太沙基（19

7、36）首先揭示了總應(yīng)力、有效應(yīng)力和孔隙水壓力之間的關(guān)系。他是這樣定義有效應(yīng)力的：所有能夠測(cè)量到的由應(yīng)力變化產(chǎn)生的效果，如壓縮、扭曲變形、剪切阻力，主要是因?yàn)橛行?yīng)力的變化而導(dǎo)致的。有效應(yīng)力和總應(yīng)力以及孔隙水壓力之間的關(guān)系為：。圖6.4是在同一個(gè)坐標(biāo)系下繪制的有效應(yīng)力和總應(yīng)力的摩爾應(yīng)力圓。因?yàn)?、，所以兩個(gè)圓的直徑是相等。點(diǎn)和代表同一平面上的總應(yīng)力和有效應(yīng)力，顯然，總剪應(yīng)力和有效剪應(yīng)力是相等的。因此，有效應(yīng)力為：(6.6)(6.7)結(jié)合第二章所給出的剪應(yīng)力參數(shù)和主應(yīng)力參數(shù)的定義和公式，可以得到：(6.8)(6.9)從式(6.7)和式(6.9)可以看出

8、，總剪切應(yīng)力和有效剪切應(yīng)力是相等的，很多學(xué)者一直使用剪切應(yīng)力。在我的工作和教書生涯中，以及這本書中，我使用和表示有效應(yīng)力，用和表示總應(yīng)力