饱和土的有效应力分析
本文关键词：饱和土的有效应力分析
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【摘要】：饱和土的有效应力原理是土力学的重要理论之一,在工程实践关心的水土压力、抗剪强度等问题上具有应用价值。从微观机理看来,经典有效应力公式对饱和黏土的适用性存在疑问,导致土压力和浮力计算等工程问题产生争论。然而有效应力原理的根本目标是正确描述饱和土的宏观力学性质,即强度和变形行为。基于微观理论的分析不能为水土压力等宏观问题提供直接证据。本文在前人研究的基础上,针对饱和土的有效应力原理开展了以下两方面研究:基于平截面上的微观受力分析重新推导了有效应力方程,阐述方程参数的物理含义;根据实验数据考察Terzaghi有效应力公式是否正确描述了饱和土的宏观力学性质,即应力-应变关系和强度行为,并进行定量误差分析。此外本文还研究了有效应力原理对实际工程问题的影响,如饱和土的土压力和浮力计算。取得了如下研究成果:(1)平衡分析表明广义有效应力公式中的孔压因子与孔隙率和孔压传递系数这两个参数有关。孔压传递系数是一个微观参数,表示孔隙水压力转化为固体颗粒应力的比例,与颗粒间的接触面积有关。有η效应力公式的结构表明η位于孔隙率和1的区间之内。对于连续固体介质或只有细微裂缝的两相介质,孔隙率和孔压传递系数趋近于零,广义有效应力退化为连续介质力学中的应力(即总应力)。(2)理论分析表明非黏性颗粒的孔压传递系数随着有效应力的增加线性减小,其减小的斜率与固体材料的模量、泊松比有关。从实测看来,非黏性颗粒的真实接触面积非常微小。即便对很软的颗粒材料,孔压传递系数的下降也极其缓慢。因而非黏性颗粒的η值在工程中能遇到的全部荷载范围内都是非常接近于1的。(3)基于不同排水条件下的抗剪强度实验数据,计算了控制饱和黏土强度行为的η值。针对五种黏土的计算结果表明,饱和黏土的η值显著小于非黏性颗粒的η值。在有效应力很低时,饱和黏土的η值非常接近于1。但是对于高塑性黏土,η值随有效应力的增加显著下降。对于其中的两种黏土,η值与有效应力的关系得到了不同孔压条件下抗剪强度实验的重复验证。(4)根据萧山黏土及四种日本黏土的固结\渗透实验数据,由一维固结理论求出了控制饱和黏土变形行为的η值。计算结果表明该η值随着固结压力的增加趋于减小,且位于孔隙率～1的区间之内,与理论推导η及Schiffman猜想一致。与抗剪强度实验得到的值对比表明,控制饱和黏土变形和强度特性的孔压因子取值范围是一致的。变形和强度行为这两方面的实验证据都支持对饱和黏土的有效应力公式进行修正。(5)根据两种饱和黏土的实测孔压因子曲线,计算了长期稳定状态下的水土压力分布。这两种黏土的孔压因子曲线可用负指数函数拟合,并用迭代法求得各深度处的主动、被动土压力。与常规水土分算和水土合算的对比表明,考虑实际孔压因子的饱和土压力与水土分算结果比较接近。对于高塑性黏土,水土分算偏于保守:得到的主动土压力偏高,被动土压力偏低。水土合算则偏于危险:得到的主动土压力偏低,被动土压力偏高。(6)通过模型实验和理论分析,研究了上浮极限状态下饱和土基础的浮力折减系数(即有效应力为零时的孔压因子)。实验研究表明饱和砂土中的浮力与纯水中的浮力相同,浮力折减系数等于1。饱和高岭土和饱和蒙脱石中的浮力折减系数实测值分别为0.973土0.024和0.959±0.016,故饱和黏土中的浮力也与纯水中的浮力差别很小(0.05)。基于饱和土有效应力原理的分析表明,上浮极限状态下的浮力折减系数与固结前的Skempton B值互为倒数。由于大量实测中并未发现饱和黏土的B值显著超过1,上浮极限状态下的浮力也就不可能有显著折减。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU43
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，本文编号：1297468
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