地下結(jié)構(gòu)工程第十一章地基與結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性特征和共同作用

地下結(jié)構(gòu)工程第11章11地基與結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性特征和共同作用土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系土的變形特征和本構(gòu)模型鋼筋混凝土的材料變形性質(zhì)的非線(xiàn)性特征地基土與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性共同作用和反演分析理論11.1概述應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系：亦稱(chēng)本構(gòu)關(guān)系，是在整理分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出某種數(shù)學(xué)模型，把特定條件下的試驗(yàn)結(jié)果推廣到一般情況，這種數(shù)學(xué)模型就叫做本構(gòu)模型。彈性變形、塑性變形一般情況下巖土類(lèi)介質(zhì)在應(yīng)力超過(guò)一定限度（彈性極限或稱(chēng)屈服應(yīng)力）后，其變形在卸載后有一部分變形可恢復(fù)，另一部分變形是不可恢復(fù)的，前者稱(chēng)可逆變形或彈性變形，后者一般稱(chēng)為不可逆變形或是塑性變形。傳統(tǒng)的彈性理論是基于金屬材料的變形機(jī)制發(fā)展起來(lái)的。巖土的變形性態(tài)不完全等同于金屬材料，土有別于金屬和混凝土等連續(xù)的統(tǒng)一體固體材料，需要研究巖土彈塑性狀態(tài)下特有的屬性。應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力球張量和應(yīng)力偏張量

I1J1J2共同作用分析結(jié)構(gòu)物的重量由土的支承力和地下水的浮力來(lái)平衡，即通常所說(shuō)的靜力平衡。上部結(jié)構(gòu)與其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和支承介質(zhì)地基土組成靜力平衡體系，這三部分是彼此不可分離的整體，每一部分的工作性狀都是三者共同作用的結(jié)果。11.3土的本構(gòu)模型11.3.1土的變形特性三軸壓縮試驗(yàn)：真三軸，常規(guī)三軸1）非線(xiàn)性和彈塑性土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

(a)硬化型(b)軟化型土體具有的剪縮和剪脹特征統(tǒng)稱(chēng)剪脹性。對(duì)于軟土和松砂，剪應(yīng)力引起土體壓縮，稱(chēng)為剪縮；對(duì)于密實(shí)粘土和緊砂，剪應(yīng)力引起土體膨脹，稱(chēng)為剪脹。砂土的剪剪脹性正常固結(jié)結(jié)粘土與與松砂應(yīng)應(yīng)力－應(yīng)應(yīng)變雙曲曲線(xiàn)超固結(jié)粘粘土或密密實(shí)砂2）應(yīng)力路路徑和應(yīng)應(yīng)力歷史史的影響響應(yīng)力路徑徑是指應(yīng)應(yīng)力空間間中代表表應(yīng)力狀狀態(tài)點(diǎn)在在加載時(shí)時(shí)移動(dòng)的的軌跡。。不同的的應(yīng)力路徑徑代表不不同的加加荷方式式。應(yīng)力歷史史即指歷歷史上的的應(yīng)力路路徑，也也影響著著土體今今后的變變形。3）中主應(yīng)應(yīng)力的影影響中主應(yīng)力力σ2對(duì)土體變變形有影影響。。4）固結(jié)壓壓力的影影響在土體的的三軸試試驗(yàn)中，，大幅度度地改變變固結(jié)壓壓力σ3將發(fā)現(xiàn)其其（σ1-σ3）~εa和εa~εv曲線(xiàn)的特特征有所所不同。。統(tǒng)統(tǒng)表現(xiàn)現(xiàn)出剪縮縮和硬化化現(xiàn)象。三軸壓縮縮試驗(yàn)：：常規(guī)三三軸5）各向異異性地基土的的各向異性性分原生生和再生生兩種。原生各向向異性是是由于地地基土水水平向成成層，水水平和豎豎向土的的結(jié)構(gòu)有有差異，，導(dǎo)致土土體應(yīng)力力-應(yīng)變關(guān)系系和滲透透性的各各向異性性。再生各向向異性是是土體各各向應(yīng)力力狀態(tài)不不同引起起的新的的各向異異性。6）流變性性具有彈性、塑塑性和粘粘滯性的粘彈塑塑性體。。土體的應(yīng)應(yīng)變和強(qiáng)強(qiáng)度除與與有效應(yīng)應(yīng)力有關(guān)關(guān)外，還還受到時(shí)間的影響，，這種特特征稱(chēng)為為土的流變變性質(zhì)。。本講本講要點(diǎn)點(diǎn)了解共同同作用分分析；理解土的的變形特特性11.3.2彈性非線(xiàn)線(xiàn)性模型型1.Duncan-chang模型；Duncan等人利用用常規(guī)三三軸壓縮縮試驗(yàn)所所得的一一組試驗(yàn)驗(yàn)曲線(xiàn)，，找出其其共同數(shù)數(shù)學(xué)公式式，從這這一數(shù)學(xué)學(xué)公式導(dǎo)導(dǎo)出切線(xiàn)線(xiàn)彈性模模量Et的變化公公式：第一類(lèi)是是以彈性性模量和和泊松比比兩個(gè)常常數(shù)表達(dá)達(dá)，稱(chēng)作作非非線(xiàn)性彈彈性模型型；第二類(lèi)稱(chēng)稱(chēng)作非非線(xiàn)性性模型國(guó)內(nèi)外廣廣泛采用用，既適適用于粘粘性土，，也適用用于砂土土，但不不適應(yīng)于于密砂，，超固結(jié)結(jié)土。主要優(yōu)點(diǎn)：可以利用用常規(guī)三三軸剪切切實(shí)驗(yàn)所所確定的的計(jì)算參參數(shù)。局限性：非線(xiàn)性彈彈性模型型一般只只適用于于荷載不不太大的的條件，，不太接接近破壞壞的條件件。此模型應(yīng)應(yīng)用單一一剪切試試驗(yàn)結(jié)果果進(jìn)行全全部應(yīng)力力應(yīng)變分分析，均均根據(jù)圍圍壓為常常量的試試驗(yàn)結(jié)果果推算，，因此它它適應(yīng)于于土體的的穩(wěn)定分分析為主主的工程程。Duncan-chang模型沒(méi)有有考慮剪脹性和和應(yīng)力路路徑問(wèn)題題11.3.3彈塑性模模型彈塑性模模型把總應(yīng)變變分為為彈性性應(yīng)變變和塑塑性應(yīng)應(yīng)變兩兩部分分。LADE-DANCAN模型，，清華華大學(xué)學(xué)的模模型。。從能量量公式式出發(fā)發(fā)，推推導(dǎo)其其屈服服函數(shù)數(shù)，并并選出出加工工硬化化定律律，從從而建建立應(yīng)應(yīng)力應(yīng)應(yīng)變關(guān)關(guān)系，，如著著名劍橋模模型。。11.4鋼筋混混凝土土材料料變形形性質(zhì)質(zhì)的非非線(xiàn)性性特征征鋼筋混混凝土土梁M~n試驗(yàn)曲曲線(xiàn)①在混凝凝土出出現(xiàn)裂裂縫之之前，，即圖圖中OA段：②混凝凝土出出現(xiàn)裂裂縫后后，鋼鋼筋進(jìn)進(jìn)入流流動(dòng)狀狀態(tài)之之前，，即圖圖中AB段③長(zhǎng)期剛剛度B為式中Mq和MK為按荷荷載效效應(yīng)的的準(zhǔn)永永久組組合、、標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)組合合計(jì)算算的彎彎矩，，按《混凝土土結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)范范》（GBJ50010-2002）中第第8.2.5條采用用。11.5地基土土與基基礎(chǔ)結(jié)結(jié)構(gòu)的的非線(xiàn)線(xiàn)性共共同作作用對(duì)地基基土和和基礎(chǔ)礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)材料料（鋼鋼筋混混凝土土）分分別采采用前前述的的非線(xiàn)線(xiàn)性本本構(gòu)關(guān)關(guān)系，，用荷荷載增增量法法，即即可按按共同同作用用方程程進(jìn)行行非線(xiàn)線(xiàn)性共共同作作用分分析。。對(duì)每級(jí)級(jí)荷載載建立立平衡衡方程程，地地基土土和基基礎(chǔ)結(jié)結(jié)構(gòu)的的剛度度系按按上一一級(jí)荷荷載施施加后后累計(jì)計(jì)的應(yīng)應(yīng)力水水平來(lái)來(lái)確定定。（1）地基基上的的有限限大板板考慮基基礎(chǔ)材材料的的非線(xiàn)線(xiàn)性可可大大大提高高承載載能力力的估估計(jì)值值。（2）地基基上的的無(wú)限限大板板(3)空間問(wèn)問(wèn)題的的試驗(yàn)驗(yàn)驗(yàn)證證地基基與與基基礎(chǔ)礎(chǔ)不不同同非非線(xiàn)線(xiàn)性性組組合合下下共共同同作作用用的的結(jié)結(jié)果果①板為為線(xiàn)線(xiàn)彈彈性性，，地地基基土土亦亦為為線(xiàn)線(xiàn)彈彈性性；；②板板為為非非線(xiàn)線(xiàn)性性彈彈性性，，地地基基土土仍仍為為線(xiàn)線(xiàn)彈彈性性；；③板板為為線(xiàn)線(xiàn)彈彈性性，，地地基基土土為為非非線(xiàn)線(xiàn)性性彈彈性性。。④板板和和地地基基土土均均為為非非線(xiàn)線(xiàn)性性彈彈性性。。剛性性板板:地基基土土的的非非線(xiàn)線(xiàn)性性對(duì)基基底底反反力力和和板板內(nèi)內(nèi)力力的的分分布布形形式式與與數(shù)數(shù)值值大大小小起起著著決決定定性性的的影影響響。。柔性性板板:決定定反反力力和和內(nèi)內(nèi)力力分分布布形形式式與與大大小小的的主主要要因因素素是是鋼筋筋混混凝凝土土的的非非線(xiàn)線(xiàn)性性，而而地地基基土土的的非非線(xiàn)線(xiàn)性性所所起起作作用用相相比比較較而而言言就就很很小小。。不同同非非線(xiàn)線(xiàn)性性組組合合下下基基礎(chǔ)礎(chǔ)板板計(jì)計(jì)算算結(jié)結(jié)果果11.6地下下工工程程反反分分析析首先先建建立立問(wèn)問(wèn)題題的的力力學(xué)學(xué)模模型型，，然然后后根根據(jù)據(jù)介介質(zhì)質(zhì)的的力力學(xué)學(xué)參參數(shù)數(shù)、、受受力力狀狀態(tài)態(tài)和和邊邊界界條條件件以以及及施施工工條條件件，，求求出出巖巖土土體體的的位位移移、、應(yīng)應(yīng)力力和和應(yīng)應(yīng)變變等等物物理理量量，，這這一一過(guò)過(guò)程程稱(chēng)稱(chēng)之之為為正分分析析。。從結(jié)結(jié)果果反反過(guò)過(guò)來(lái)來(lái)尋尋求求巖巖土土體體的的本本構(gòu)構(gòu)模模型型和和相相應(yīng)應(yīng)的的計(jì)計(jì)算算參參數(shù)數(shù)的的過(guò)過(guò)程程與與正正分分析析正正好好相相反反，，稱(chēng)之之為為反反分分析析。。位位移移為依依據(jù)據(jù)的的位位移移反反分分析析法法為為巖巖土土工工程程反反分分析析中中應(yīng)應(yīng)用用最最為為廣廣泛泛的的方方法法。。位移移反反分分析析法法可可分分為為圖解解法法、、解解析析法法和和數(shù)數(shù)值值法法三類(lèi)類(lèi)；；隨著著計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)技技術(shù)術(shù)的的發(fā)發(fā)展展，，數(shù)