高等土力学学习总结

高等土力学学习总结

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在*老师悉心教导下，通过一个学期对高等土力学的学习，我们对高等土力学有了初步的了解。在这个学期的十一次课中，我们主要学习了第一、二、三章的内容。在第一章中，我们学习了土的有效应力原理和应力路径，土是一种分散颗粒的集合体，一般由固、液、气三相物质组成，我们把土颗粒（固相）间直接接触产生的应力叫做土的有效应力，它是土体产生形状和体积变化的根本原因；应力路径是指土体在外荷载作用下，各点应力在应力坐标图中的移动轨迹，应力路径可以分为总应力路径和有效应力路径两种。第二章中，我们学习了土的压缩固结理论，在这一章中，我们研究了影响压缩实验成果的因素，并讨论了地基沉降计算、单向渗透固结理论中的一些问题及二向三向固结课题、次固结问题等。第三章中，我们学习了土的抗剪强度问题，分别分析了砂土和粘性土的抗剪强度的组成和影响因素。下面就各章所学知识点做一个简单的总结：

1 有效应力原理及应力路径

在第一章有效应力原理及应力路径中，我们学习了有效应力原理的概念，有关面积系数的问题，水下土体和毛细升高带土体中有效应力问题、渗流引起的有效应力问题、外荷载引起的土中超静水压力及其向有效应力的转化，有关术语的概念区别，孔隙压力系数，三相土的空隙气压力和空隙水压力，应力路径及应力路径对土应力—应变关系的影响等问题。

1.1 有效应力

土是一种分散颗粒的集合体，一般由固、液、气三相物质组成，我们把土颗粒（固相）间直接接触产生的应力叫做土的有效应力，它是土体产生形状和体积变化的根本原因。

1.2 面积系数问题

面积系数主要包括有效应力传递面积系数a和孔隙水面积系数X两种，其中有效应力传递面积系数a也就是土颗粒接触面的面积系数，一般没有可靠的试验手段来测定它，而且它的绝对值对土性无多大意义，所以我们只需着重研究孔隙水面积系数X，并用X反推土断面上的有效应力。通过饱和水状态下对孔隙水面积系数X的测定，普遍得出X接近并略小于1的结论，这说明土颗粒接触面积相比孔隙水面积非常小，但由于土颗粒的刚度比孔隙水大得多，所以土颗粒接触点上的有效应力也是非常大的。

1.3 三种情况下的有效应力问题

1.3.1 水下土体和毛细升高带土体中的有效应力问题

对于水下土体而言，由于孔隙水静水压力的存在，土颗粒受到浮力作用，水下部分土体只有浮重度才计入有效应力。对于毛细升高带土体，由于毛细水的存在，土体中空隙水压力为负值，而根据有效应力原理，此时土体中有效应力将升高。

1.3.2 渗流引起的有效应力问题

土体中渗流作用将会引起有效应力的变化，而渗流作用对有效应力的影响与渗流方向有着重要的关系。当渗流方向向下时，土体中有效应力增加，这是因为土体因渗流作用而受到向下的渗流力，这种力可以等效为作用在土体上的同等大小的附加应力，从而引起有效应力增加；相对应，当渗流方向向上时，土体受到向上的渗流力作用，有效应力减小，当力坡降超过临界水力坡降时，有效应力减为零，土体发生破坏。对于大坝而言，由于渗流作用，大坝上游将产生附加沉降，导致大坝向上游移动，下游将因为渗流作用产生涌土等危险，必须采取相应预防措施。

1.3.3 外荷载引起的土中超静水压力极其向有效应力的转化

对于饱和土体而言，外荷载作用瞬间，其孔隙水压力增大，产生与附加应力大小相等的超孔隙水压力，而有效应力不变，但随着时间推移，由于渗流作用，超孔隙水压力逐渐消散，并转化为有效应力，整个过程中孔隙水压力和有效应力之和保持不变。所以，在外荷载作用下，饱和土体固结作用实际上就是超空隙水压力转化为有效应力的过程。

1.4 有关术语的概念区别

浮托力是指水工建筑物不透水的底部轮廓上所受的水压力，其实质是一种静水压力。

渗透力是指渗流作用在单位体积土体上的力，其实质是一种体积力。

孔隙水压力是指土体液相中的压力，其大小等于土体中该点插入测压管，测得的水头乘上水的容重。

超静水压力是指土体液相中超出静水压力的那一部分压力，其主要由渗透作用和外荷载作用引起。 1.5 空隙压力系数A、B、Af和B—

设某试样原受荷载所产生的应力为（σ10、σ20、σ30），增荷后应力增量为Δσ1、Δσ2、Δσ3相应的，在不排水条件下孔隙水压力增量Δu为：

))31(3(ABu

其中B反映土平均正应力变化时孔隙水压力增长的大小，当土体饱和时，B接近于1，当土体非饱和时B小于1，且气相比例越大，B值越小。A反映片应力增量)31(对Δu的影响。

在研究土的抗剪强度时，因土已接近或处于破坏阶段，孔隙水压力系数应换用Af值，一般而言，Af值比A值要大一些，且超固结比越大，Af值越小。

综合的孔隙压力系数B—为孔隙水压力增量与应力增量的比值，其表达式为：

)13)1((1AABuB

综合的孔隙压力系数B—的运用可以使计算大为简化。

1.6 三相土的孔隙气压力和孔隙水压力

三相土孔隙中既有水又有空气，其中空气可能与大气相连通，也可能不连通而呈封闭气泡，又由于水、气与土颗粒三者界面之间存在着表面张力而使孔隙水压力与孔隙气压力大小并不相等。三相土中的综合等值空隙压力等于孔隙水压力和孔隙气压力对面积加权之和，其表达式为：

)(aowoaoouuXuu

由于土颗粒间接触面积非常小，所以，对于非饱和土来说，孔隙水面积系数X的确定对于孔隙压力的确定就显得尤为重要。

1.7 应力路径

应力路径是指土体在外荷载作用下，各点应力在应力坐标图中的移动轨迹，应力路径可以分为总应力路径和有效应力路径两种。利用应力路径可以不必预知或假定破坏面的方向，对不考虑中主应力σ2影响的轴对称课题和平面应变课题应用较为方便。

比如对于三轴试验中，先施加围压σ3，再施加偏主应力σ1的固结不排水剪实验，其总应力路径和有效应力路径分别如图1所示：

图1

2 土的压缩固结理论

第二章土的压缩固结理论中我们学习了影响压缩试验成果的因素、压缩性指标与变形模量E之间的相互推演问题、各向异性上的变形性能参数、地基澄江计算中的问题、单向渗透固结理论中的而一些问题、二向与三向固结课题极其解法、次固结问题以及联系加荷压缩试验问题等。

2.1 影响压缩固结试验成果的因素

影响压缩固结试验成果的因素主要包括荷载率Δp/p、荷载历时、土扰动程度、试样厚度及其他。一般而言，荷载率Δp/p越大，土的压缩性越大，主固结量越大，次固结影响越小，Pc越难确定；荷载历时越长，Pc越小；土扰动程度越大，压缩曲线曲率越小，Pc越难确定；试样厚度越大，次固结越早发挥。其他影响因素主要包括固结环侧摩擦力、土中水气体逸出、温度、空隙水化学成分等。

2.2 各向异性土的变形性能参数

几乎所有天然沉积的土和人工碾压的填土都是各向异性的，有的还是非均质的或成层的。对于各向同性的均质弹性体，在有限元计算中只须输入E、μ两个弹性常数，而对于成层的均质体则需要Gv、Ev、EH、μ1和μ25个独立的参数。

2.3 低地基沉降计算中的问题

土体固结程度是指土中历史上所受过的最大固结压力Pc与某点现在所受上覆有效压力Po的比值，当超固结比Pc/Po大于1时，为超固结土；当超固结比等于1时，为正常固结土；当超固结比小于1时，为欠固结土。对于超固结比的确定，重点是确定图样的先期固结压力Pc或似先期固结压力Pac。先期固结压力Pc的确定在《土力学》基本教材中已有论述，对于正常固结粘土一般采用卡萨格朗德法；对于超固结粘土一般采用施默尔特曼法。正常固结土体因受过时效固化效应具有附加的结构强度所表现出来的类似于超固结土性质，其相对应的等效先期固结压力即为似先期固结压力Pac。似先期固结压力Pac的确定可以采用同济大学魏道垛提出的估算方法。正常固结土曾压缩量计算主要由分层总和法直接计算即可；超固结土层压缩量由超固结段压缩量S1和正常固结段压缩量S2两部分总和确定；欠固结土层压缩量计算较为复杂，不仅要计及地基附加应力ΔP引起的压缩，还要包括土自重应力作用下的由于固结尚未完成而引起的那部分压缩。次固结是指有效应力基本不变，而土的体积仍随时间增长而发生的压缩。 地基最终沉降量的计算方法主要有：单向压缩分层综合求总和的方法、单向压缩等值层法、三向压缩分层总合法、瞬间弹性沉降加单向压缩法、盈利路径分析法等。

2.4 单向渗透固结理论中的一些问题

单向渗透固结理论在实际运用过程中会遇到许多问题，有许多与理想模型不一样的地方，必须进行进一步研究分析。外荷载并不是一次性加在土体上，而是随着工程进度逐渐施加，这时候就必须考虑外荷载随时间变化的固结课题；对于沉积地层而言，底层一般呈现出各向异性的特征，所以我们还需对成层土和非均质地基的单向固结课题进行研究；土的压缩系数a等变形指标并不是固定的，而是随着有效应力的变化而变化，所以在单向渗透固结中还需考虑变性指标随固结过程不断变化的单向固结问题；对于湖、海相天然沉积物的沉积和固结过程推演以及水库泥沙淤积等工程，固结土层的厚度是随着沉积过程不断增加的，所以必须研究土层厚度逐渐增加情况下的固结问题；此外还需考虑单向渗透固结微分方程数值解问题、起始水力梯度在单向渗透固结中的影响等问题。

3 土的抗剪强度

土的抗剪强度特性与许多因素有关，这些因素包括：土的成分、结构（组构及颗粒间相互连结方式）、存在的历史和环境、应力和应变的历史和现状以及试验方法等。土的抗剪强度不是一个固定不变的值，它随空间和时间变化，并受上诉因素影响，这就决定了土的抗剪强度研究的复杂性。在本章中，我们分别通过对无粘性土（砂土）和粘性土的抗剪强度的研究，了解并学习了土体抗剪强度的产生机理以及组成成分。

3.1 无粘性土的抗剪强度

在剪速很慢的条件下，砂土的抗剪强度主要由颗粒的滑（滚）动摩擦和咬合力所控制。因此，纯净的未胶结砂，总的来说，无凝聚力，c=0，其抗剪强度完全由摩擦力和咬合力组成。根据摩尔—库伦定律tanc可知，无粘性土（砂土）的抗剪强度由轴向应力和内摩擦角φ确定。

一般认为，砂的内摩擦角与密实度、平均粒径、级配、颗粒形状及表面粗糙度等有关。除此之外，剪切过程中因剪切面附近颗粒的翻滚和移动，使得剪切面附近产生体积变化（剪胀或剪缩），这种体积变化也会对砂土的内摩擦角产生影响；砂土颗粒由于剪切作用的影响可能会产生挤破和磨碎以及重新排列等现象，这些也都会对砂土的内摩擦角产生影响。综上所述，可把砂土的抗剪强度划分为“剪胀效应分量”、“滑动摩擦分量”、“挤破磨碎和重新排列作用分量”三部分。

3.2 粘性土的抗剪强度

粘性土的抗剪强度由凝聚力c和摩擦力tan两部分组成，即tanc。

一般而言，凝聚力与土的颗粒间距离、土粒比表面积、粒径、胶结程度、矿物成分、应力历史等因素有关；内摩擦角与密度、平均粒径、级配、矿物成分、含水率、孔隙比、颗粒形状及表面粗糙度等因素有关。