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演示文稿土体应力应变特性演示文稿土体应力应变特性第一页，共六十一页土体应力应变特性土体应力应变特性第二页，共六十一页3-1.1 土的应力应变特性土的应力应变特性土是岩石风化而成的碎散颗粒的集合体，一般包含有固、土是岩石风化而成的碎散颗粒的集合体，一般包含有固、液、气三相，在其形成的漫长的地质过程中，受风化、搬液、气三相，在其形成的漫长的地质过程中，受风化、搬运、沉积、固结和地壳运动的影响，其运、沉积、固结和地壳运动的影响，其应力应变关系十应力应变关系十分复杂分复杂，并且与诸多因素有关并且与诸多因素有关主要的应力应变特性主要的应力应变特性: 非线性、弹塑性和剪胀非线性、弹塑性和剪胀(缩缩)性性主要的影响因素是主要的影响因素是应力水平应力水平(Stress level)、应力路径、应力路径(Stress path)和应力历史和应力历史(Stress history)第三页，共六十一页4-1.1.1 土应力应变关系的非线性土应力应变关系的非线性土宏观的变形土宏观的变形: : 主要由于颗粒主要由于颗粒间位置的变化间位置的变化不同应力水平下，由相同应力增不同应力水平下，由相同应力增量而引起的应变增量就不会相同，量而引起的应变增量就不会相同，亦即表现出亦即表现出非线性非线性。

第四页，共六十一页5-应变硬化应变硬化(或加工硬化或加工硬化)：正常固结粘土和松砂正常固结粘土和松砂应变软化应变软化(或加工软化或加工软化)：密砂和超固结土密砂和超固结土应变软化过程实际上是一种不稳定过程，有时伴随着应变软化过程实际上是一种不稳定过程，有时伴随着应力的局部化应力的局部化剪切带剪切带的产出现，其应力应变曲线对一些影响因素比较敏感的产出现，其应力应变曲线对一些影响因素比较敏感由于其应力应变间不成单值函数关系，所以反映土的应变软化的数由于其应力应变间不成单值函数关系，所以反映土的应变软化的数学模型一般形式复杂，难于准确反映应变软化的数值计算方法也有学模型一般形式复杂，难于准确反映应变软化的数值计算方法也有较大难度较大难度第五页，共六十一页6-1.1.2 土的剪胀性土的剪胀性剪胀性剪胀性(Dilatancy)：密砂或强超固结粘土偏差应力增加引起了轴密砂或强超固结粘土偏差应力增加引起了轴应变的增加，除开始时少量体积压缩应变的增加，除开始时少量体积压缩(正体应变正体应变)外，发生明显的体外，发生明显的体胀胀(负体应变负体应变)广义的剪胀性广义的剪胀性：指剪切引起的体积变化，包括体胀，也包括体缩。

指剪切引起的体积变化，包括体胀，也包括体缩后者也常被称为后者也常被称为“剪缩剪缩”剪胀性实质：剪胀性实质：由于剪应力引起土颗粒间相互位置的变化，使排列变化而由于剪应力引起土颗粒间相互位置的变化，使排列变化而使颗粒间的孔隙加大使颗粒间的孔隙加大(或减小或减小)，从而发生体积变化从而发生体积变化第六页，共六十一页7-1.1.3 土的变形的弹塑性土的变形的弹塑性加载后卸载到原应力状态时，土一般不会恢复到原来的应变状态其中有部加载后卸载到原应力状态时，土一般不会恢复到原来的应变状态其中有部分应变是分应变是可恢复可恢复的，部分应变是的，部分应变是不可恢复不可恢复的塑性应变，并且后者往往占很大的塑性应变，并且后者往往占很大比例第七页，共六十一页8-对于结构性很强的原状土，如很硬的粘土，可能在一定的对于结构性很强的原状土，如很硬的粘土，可能在一定的应力范围内，它的变形几乎是应力范围内，它的变形几乎是“弹性弹性”的，只有到一定的应的，只有到一定的应力水平时，亦即达到屈服条件时，才会产生塑性变形力水平时，亦即达到屈服条件时，才会产生塑性变形一般土在加载过程中弹性和塑性变形几乎是同时发生的，一般土在加载过程中弹性和塑性变形几乎是同时发生的，没有明显的屈服点，所以亦称为没有明显的屈服点，所以亦称为弹塑性材料弹塑性材料。

第八页，共六十一页9-1.1.4 土应力应变的各向异性和土的结构性土应力应变的各向异性和土的结构性各向异性：指在不同方向上材料的物理力学性质不同各向异性：指在不同方向上材料的物理力学性质不同原因：原因：1)定向性定向性2)后期固结作用后期固结作用：固结过程中，竖向应力与水平应力大小固结过程中，竖向应力与水平应力大小不等第九页，共六十一页10 土的各向异性主要表现为土的各向异性主要表现为横向各向同性横向各向同性，亦即在水平面各亦即在水平面各个方向的性质大体上是相同的，而竖向与横向性质不同个方向的性质大体上是相同的，而竖向与横向性质不同土的各向异性可分为土的各向异性可分为初始各向异性初始各向异性（Inherent anisotropy）和和诱发各向异性诱发各向异性（Induced anisotropy）初始各向异性初始各向异性: 天然沉积和固结造成的各向异性天然沉积和固结造成的各向异性第十页，共六十一页11 等向压缩试验是检验初始各向异性的最简单方法等向压缩试验是检验初始各向异性的最简单方法试验表明：轴向应变小于体应变的试验表明：轴向应变小于体应变的1/3， z z=(0.17=(0.170.22)0.22) v v。

表表明竖直方向比水平方向的压缩性小明竖直方向比水平方向的压缩性小第十一页，共六十一页12 真三轴仪进行常规三轴试验，不同的方向角，应力应变关系曲线是真三轴仪进行常规三轴试验，不同的方向角，应力应变关系曲线是不同的第十二页，共六十一页13 诱发各向异性诱发各向异性: 受到一定的应变后，土颗粒空间位置变受到一定的应变后，土颗粒空间位置变化，土的空间结构改变化，土的空间结构改变结构的变化对于土进一步加载的应力应变结构的变化对于土进一步加载的应力应变关系将产生影响，并且不同于初始加载时的应力应变关系关系将产生影响，并且不同于初始加载时的应力应变关系正常固结粘土的一种三轴试验：正常固结粘土的一种三轴试验：Step1Step1：试样等比固结；：试样等比固结；Step2Step2：在：在5 5个方向施加相同的应力增量，量个方向施加相同的应力增量，量测相应的应变增量测相应的应变增量结果：结果：不同方向应力增量引起的应变增量方不同方向应力增量引起的应变增量方向和大小都不同向和大小都不同原因：初始不等向固结所引起的各向异性原因：初始不等向固结所引起的各向异性是主要原因是主要原因第十三页，共六十一页14 原状天然土的原状天然土的各向异性各向异性强烈，比较复杂。

强烈，比较复杂原状土的各向异性常常是其结构性的一个方面的表现原状土的各向异性常常是其结构性的一个方面的表现土的土的结构性：结构性：由于土颗粒的空间排列集合及土中各相间和颗粒由于土颗粒的空间排列集合及土中各相间和颗粒间的作用力造成的结构性可以明显提高土的强度和刚度对间的作用力造成的结构性可以明显提高土的强度和刚度对于粘性土更重要于粘性土更重要取样和其他扰动会破坏原状土的结构取样和其他扰动会破坏原状土的结构原状粘土无侧限抗压强度与扰动重塑土强度之比称为原状粘土无侧限抗压强度与扰动重塑土强度之比称为灵敏度灵敏度，它是，它是粘性土的结构性的一个指标粘性土的结构性的一个指标第十四页，共六十一页土的结构是土的组成成分、空间排列和粒间作用土的结构是土的组成成分、空间排列和粒间作用力的综合特性力的综合特性第十五页，共六十一页16 1.1.5 土的流变性土的流变性与土的流变性有关的现象是土的与土的流变性有关的现象是土的蠕变蠕变与与应力松弛应力松弛蠕变：蠕变：指在应力状态不变条件下，应变随时间逐渐增长的现象；指在应力状态不变条件下，应变随时间逐渐增长的现象；应力松弛：应力松弛：指维持应变不变，材料内应力随时间逐渐减小的现象。

指维持应变不变，材料内应力随时间逐渐减小的现象第十六页，共六十一页17 粘性土的粘性土的蠕变性蠕变性随着其塑性、活动性和含水量的增加而加随着其塑性、活动性和含水量的增加而加剧侧限压缩条件下，由于土的流变性而发生的压缩称为侧限压缩条件下，由于土的流变性而发生的压缩称为次固结次固结，长期的次固结可以使土体不断加密而使正常，长期的次固结可以使土体不断加密而使正常固结土呈现出超固结土的特性，被称为固结土呈现出超固结土的特性，被称为似超固结土似超固结土或或“老粘土老粘土”第十七页，共六十一页18 1.1.6 影响土应力应变关系的应力条件影响土应力应变关系的应力条件一、应力水平一、应力水平两层含义：两层含义：1) 指围压的绝对值的大小；指围压的绝对值的大小；2) 指应力（常为剪应力）与破坏值之指应力（常为剪应力）与破坏值之比，即比，即S=q/qf 这里应力水平是指围压这里应力水平是指围压第十八页，共六十一页19 土的抗剪强度土的抗剪强度f或或qf 随着正应力随着正应力n或围压或围压3增加，但破坏时的应增加，但破坏时的应力比，或者砂土的内摩擦角力比，或者砂土的内摩擦角，则常常随着围压的增加而降低则常常随着围压的增加而降低。

土的变形模量随着围压而提高的现象，也称为土的变形模量随着围压而提高的现象，也称为土的压硬性土的压硬性围压所提供的约束对于其强度和刚度是至关重要的围压所提供的约束对于其强度和刚度是至关重要的Janbu(1963)年提出初始模量年提出初始模量Ei与围压与围压 3之间的关系：之间的关系：K,n试验参数试验参数第十九页，共六十一页20 二、应力路径二、应力路径起点起点A和终点和终点B 都相同，都相同，路径路径1: A1B；路径路径2: A2B路径路径1 发生了较大的轴向应变发生了较大的轴向应变是由于点是由于点1 的应力比高于点的应力比高于点B，更接，更接近于破坏线近于破坏线第二十页，共六十一页21 中密砂的真三轴试验中密砂的真三轴试验 3 300kPa 保持不变，中主应力保持不变，中主应力不同不同(b=常数常数)试验表明：试验表明：随着中主应力的增加，随着中主应力的增加，曲线初始模量提高，强度也有所曲线初始模量提高，强度也有所提高，体胀减少，应变软化加剧提高，体胀减少，应变软化加剧第二十一页，共六十一页22 三、应力历史三、应力历史应力历史包括应力历史包括（1）天然土在过去地质年代中受到的固结和地壳运动作用；）天然土在过去地质年代中受到的固结和地壳运动作用；（2）土在试验室（或在工程施工、运行中）受到的应力过程。

土在试验室（或在工程施工、运行中）受到的应力过程超固结土与正常固结土的应力超固结土与正常固结土的应力-应变曲线区别应变曲线区别土的流变性使粘性土在长期荷载作用下，尽管历史上固结应力没变化，土的流变性使粘性土在长期荷载作用下，尽管历史上固结应力没变化，但但由于次固结使土表现出超固结的性状由于次固结使土表现出超固结的性状这也是一种应力历史的影响这也是一种应力历史的影响第二十二页，共六十一页23 1.2 土的弹性模型土的弹性模型线弹性本构模型线弹性本构模型弹性常数的物理意义与确定弹性常数的物理意义与确定非线性弹性本构模型非线性弹性本构模型(Duncan-Chang双曲线模型双曲线模型）第二十三页，共六十一页24 线弹性理论：以其形式简单，参数少而且物理意义明确线弹性理论：以其形式简单，参数少而且物理意义明确和在工程界有广泛深厚的基础而在许多工程领域得到应和在工程界有广泛深厚的基础而在许多工程领域得到应用早期土力学中的变形计算中主要是基于早期土力学中的变形计算中主要是基于线弹性理论线弹性理论在计算机技术得到迅速发展之后，在计算机技术得到迅速发展之后，非线弹性理论非线弹性理论模型才得模型才得到较广泛的应用。

到较广泛的应用第二十四页，共六十一页25 1.2.1 1.2.1 线弹性模型线弹性模型弹性模型中，只需两个材料常数即可描述弹性模型中，只需两个材料常数即可描述其应力应变关系：其应力应变关系：E 和和；或；或K和和G；或；或和和。