高等土力學(xué)重要概念

1.黃土濕陷性定義、原因、機(jī)理與處治方法黃土濕陷性：指黃土在自重或外部荷重下，受水浸濕后結(jié)構(gòu)迅速破壞發(fā)生突然下沉的性質(zhì)。濕陷原因：黃土以粉粒和親水弱的礦物為主，天然含水率小，具有大孔結(jié)構(gòu)，為粘粒的強(qiáng)結(jié)合水連結(jié)和鹽分的膠結(jié)連結(jié)，在干燥時(shí)可以承擔(dān)一定荷重而變形不大，但浸濕后，土粒連結(jié)顯著減弱，引起土結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生濕陷變形。濕陷機(jī)理：可從黃土的微結(jié)構(gòu)特征和骨架顆粒兩方面進(jìn)行分析。黃土微結(jié)構(gòu)：濕陷性黃土由結(jié)構(gòu)單元、膠結(jié)物和孔隙三部分組成，含水率低、孔隙度高、碳酸鹽含量高，具有遇水崩解濕陷的特性。黃土以粗粉粒為主體，含有少量較大砂顆粒。粗粉粒構(gòu)成黃土的骨架，而細(xì)粉砂、粘土和腐殖質(zhì)等膠結(jié)物質(zhì)附在砂顆粒的表面，特別集中的聚集在大顆粒的接觸點(diǎn)，它們與易溶鹽形成的溶液與沉積在該處的碳酸鈣和硫酸鈣一起形成了膠結(jié)性的連接，構(gòu)成了黃土的微結(jié)構(gòu)特征。 微結(jié)構(gòu)特征表明：構(gòu)成黃土結(jié)構(gòu)體系的支柱是骨架顆粒，其形狀可分為粒狀和凝塊狀兩類。①骨架顆粒形態(tài)表征傳力性能和變形性質(zhì)；②骨架顆粒的連接形式，直接影響到黃土結(jié)構(gòu)體系的膠結(jié)強(qiáng)度；③骨架顆粒的排列方式?jīng)Q定結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性；④膠結(jié)粒的賦存狀態(tài)和碳酸鈣的存在形式也對黃土的結(jié)構(gòu)特征有著重要影響。黃土骨架顆粒：骨架顆粒連接形式有點(diǎn)接觸和面膠結(jié)兩種。點(diǎn)接觸一般是顆粒直接接觸，接觸面小，顆粒之間包裹著集粒的粘土膜、鹽晶膜，這種連接多出現(xiàn)在氣候干燥的西北地區(qū)；其連接強(qiáng)度主要是由接觸造成的原始凝聚力和鹽晶膠膜造成的加固凝聚力所形成；由于接觸面積小，部分鹽晶在浸水情況下溶解，在極小的壓力下，通過這些接觸點(diǎn)的斷裂和錯(cuò)動(dòng)，結(jié)構(gòu)連接遭到破壞，因而容易發(fā)生濕陷和自重濕陷。 面接觸的接觸面積較大，接觸處有較厚粘土膜或粘土片和鹽晶粒，浸水時(shí)其殘余強(qiáng)度較高，不發(fā)生自重濕陷，速度也較慢。 骨架顆粒排列方式有大孔隙、架空孔隙和粒間空隙等；大孔隙壁顆粒多為碳酸鈣膠結(jié)筒壁狀，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；架空孔隙骨架顆粒堆積而成，孔徑大，易濕陷；粒間孔隙土顆粒犬牙交錯(cuò)，鑲嵌排列而成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。濕陷性黃土地基處治方法主要有：灰土墊層：作為傳統(tǒng)方法用于高層建筑更能發(fā)揮其作用，灰土墊層具有一定的膠凝強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，在基礎(chǔ)壓力作用下以一定的剛性角向外擴(kuò)散應(yīng)力，常用作剛性基礎(chǔ)的底腳。砂石墊層：用于地下水位較高的軟弱土層，墊層厚約1-3m，其下為工程性能良好的下臥層。強(qiáng)夯法：是處理濕陷性黃土地基最經(jīng)濟(jì)的方法，一般用梅納提出的公表="、QH估算其處理土層厚度?；彝翑D密樁：是處理大厚度濕陷性黃土地基方法之一，其作用是擠密樁周圍的土體，降低或者消除樁深度內(nèi)地基土的濕陷性，提高承載力。振沖碎石樁：主要用于飽和黃土的地基處理，以振沖置換作用為主?；炷令A(yù)制樁：錘擊沉入的鋼筋混凝土預(yù)制樁，質(zhì)量穩(wěn)定，工藝簡便，是目前高層建筑基礎(chǔ)應(yīng)用較廣的一種。灌注樁：用于飽和黃土填土地基，利用挖空或沉樁機(jī)將鋼制樁管沉入土中成孔，放置鋼筋網(wǎng)，然后向樁管內(nèi)灌入混凝土，逐漸慢速提升樁管，在土中形成剛勁混凝土樁體。深層水泥攪拌樁：加固軟土地基，在沿海及南方地區(qū)已大量使用，工藝也相當(dāng)成熟；用于處理飽和黃土地基也取得了顯著成效，具有無振動(dòng)，無污染，功效高，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。大直徑擴(kuò)底灌注樁：多用于高層和高聳構(gòu)筑物，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果好，解決了大荷載下的基礎(chǔ)工程。2砂土液化定義、外觀表現(xiàn)、形成機(jī)理、影響因素、判別方法及其防治措施。砂土液化：飽和砂土在地震、動(dòng)荷載或其外力作用下，受到強(qiáng)烈振動(dòng)而喪失抗剪強(qiáng)度，使砂粒處于懸浮狀態(tài)，致使地基失效的作用或現(xiàn)象為砂土液化。外觀表現(xiàn)：①噴砂冒水：振動(dòng)時(shí)在砂層中產(chǎn)生相對高的孔隙水壓力，使得砂水混合物噴出的現(xiàn)象；②震陷：液化時(shí)噴砂冒水帶走了大量砂土，加之飽和疏松砂因振動(dòng)而密實(shí)，地面隨之下沉，導(dǎo)致建筑物地基下沉或產(chǎn)生不均沉降的現(xiàn)象；③滑動(dòng)：在岸坡或壩坡中的飽和砂層，地震使下伏砂層或敏感粘土層液化和流動(dòng)，抗剪強(qiáng)度喪失形成滑坡；④地基失穩(wěn)：建筑物地基中的砂土層因液化而使有效應(yīng)力完成喪失，地基失去承載力發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。形成機(jī)理：在振動(dòng)荷載作用下，飽和松砂由于剪縮性趨于密實(shí)，而粉細(xì)砂的透水性并不強(qiáng)，孔隙水一時(shí)間來不及排出，從而導(dǎo)致孔隙水壓力上上升，有效應(yīng)力減小，隨著振動(dòng)作用時(shí)間的增長，超孔隙水壓力不斷積累增大直至等于總應(yīng)力時(shí)，有效應(yīng)力降為零，沒有粘聚力的砂土抗剪強(qiáng)度完全喪失，處于無法抵抗外荷載的懸浮狀態(tài)，進(jìn)而隨水流動(dòng)，即產(chǎn)生了砂土液化。影響因素：①土性：包括土的顆粒組成、顆粒形狀、密度等；液化土主要為砂土和粉土，細(xì)顆粒、低密實(shí)度、均勻顆粒以及Ip為7的粉土更易液化；②埋藏：包括飽和砂土層的厚度、埋深、上覆非液化土層厚度及地下水埋深等，它們決定了土體孔隙水壓力與有效應(yīng)力的大?。虎蹌?dòng)荷：包括動(dòng)荷波形、振幅、頻率、持續(xù)時(shí)間以及作用方向等；動(dòng)荷越強(qiáng)、歷時(shí)越長，則破壞越嚴(yán)重；抗液化能力在沖擊型波作用時(shí)最大，振動(dòng)型波時(shí)次之，正弦波時(shí)最小。判別方法：標(biāo)準(zhǔn)貫人試驗(yàn)判別；靜力觸探試驗(yàn)判別；剪切波速試驗(yàn)判別；土的相對密實(shí)度判別。防治措施：地基液化范圍不大時(shí)，可根據(jù)具體情況選擇避開或挖除換填，液化范圍太深時(shí)一般只能采取加固措施，我國目前常用的加固方法分為：①人工加密：采用振沖、振動(dòng)、擠密、強(qiáng)夯等方法加密液化砂土層提高其密實(shí)度（密度），進(jìn)而提高其抗液化性能；②圍封：用板樁將可能液化的區(qū)域包圍起來；③樁基或深基礎(chǔ)：讓建筑物基礎(chǔ)穿透可能液化的土層，支承在下部不液化的密實(shí)土層上；④蓋重：加大可能液化土層的上覆壓力，同時(shí)采取排水措施。3.軟土地基的處理方法軟土：指濱海、湖沼相沉積的天然含水率高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低的細(xì)粒土；除此之外軟土還具有固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時(shí)間長、靈敏度高、擾動(dòng)性大、透水性差等特點(diǎn)。軟土廣泛分布于我國沿海及內(nèi)陸地區(qū)，工程力學(xué)性質(zhì)很差，處理方法有以下八大類：置換法：用物理力學(xué)性質(zhì)較好的巖土材料置換天然地基中的部分或全部軟弱土，形成成層地基或復(fù)合地基；排水固結(jié)：通過設(shè)置豎向排水通道，讓地基土在一定荷載作用下排水固結(jié)，使土體孔隙比減少、抗剪強(qiáng)度提高，達(dá)到地基處理的目的；灌入固化物：向地基土體中灌入或拌入水泥、石灰或其他化學(xué)固化漿材，使其在地基中形成增強(qiáng)體；振密、擠密：用振動(dòng)或擠密的方法使未飽和土密實(shí)以達(dá)到地基處理的目的；加筋：在地基土體中設(shè)置強(qiáng)度高、模量大的筋材（也包括設(shè)置混凝土樁）以達(dá)到地基處理的目的；冷熱處理：通過凍結(jié)或加熱土體改變其物理力學(xué)性質(zhì)以達(dá)到地基處理的目的；托換：對原有建筑物地基和基礎(chǔ)進(jìn)行處理、加固或改建；糾傾：對沉降不均勻造成傾斜的建筑進(jìn)行校正。4軟土路基分級加載作用機(jī)理、路堤分級加荷施工地基中的應(yīng)力路徑應(yīng)力路徑：指在外力作用下，土中某一點(diǎn)的應(yīng)力變化在應(yīng)力坐標(biāo)圖中的軌跡。應(yīng)力路徑是描述土體在外力作用下應(yīng)力變化過程的一種方法。對于同一種土，當(dāng)采用不同的試驗(yàn)手段和加荷方法使之剪切破壞時(shí)，其應(yīng)力變化過程是不同的，相應(yīng)的土的變形與強(qiáng)度特性也將出現(xiàn)很大差異。通過土的應(yīng)力路徑可以模擬土體實(shí)際的應(yīng)力歷史，對全面研究應(yīng)力變化過程對土力學(xué)性質(zhì)的影響、進(jìn)而在土體的變形和強(qiáng)度分析中反映土的應(yīng)力歷史條件等具有十分重要的意義。若地基土是正常固結(jié)的，路堤填土施工是分級填筑的，則路基分級加荷施工時(shí)地基中的應(yīng)力路徑如下圖所示，圖中L線為抗剪強(qiáng)度線，曲線a點(diǎn)表示地基某點(diǎn)的初始應(yīng)力狀態(tài)；從應(yīng)力路徑圖可以看出：若采用一次加荷，在荷重施加瞬間，土樣來不及排水，因而產(chǎn)生孔隙水壓力，應(yīng)力路徑沿圖中a-1發(fā)展t* 1至b點(diǎn)而破壞，相應(yīng)的破壞抗剪強(qiáng)度為^。若采用分級加荷，每級荷重施加后給予一定的排水固結(jié)時(shí)間再施加下一級荷重，則應(yīng)力路徑將沿圖. 中a-1-1’-2-2’-....發(fā)展，若最后一級加荷至4點(diǎn)，則相應(yīng)破壞的抗剪強(qiáng)度T卷|為沿圖中4點(diǎn)發(fā)展至c點(diǎn)，相應(yīng)的破壞的抗剪強(qiáng)度為"可見分級加荷廣' L——，’可使土的抗剪強(qiáng)度提高了*="-%。因此，通過應(yīng)力路徑圖可明顯看出 一'，分級加荷施工方法使地基土體得以有效的排水固結(jié)，從而提高了抗剪強(qiáng) 一|U度，同時(shí)也說明了由于應(yīng)力路徑不同，強(qiáng)度不是一個(gè)單一的確定值。 土列舉三種土坡穩(wěn)定分析的極限平衡法，并討論其優(yōu)缺點(diǎn)。常用的土坡穩(wěn)定分析的極限平衡法有瑞典圓弧法、簡化畢肖普法和簡布法。瑞典圓弧法：以整體性分析土坡穩(wěn)定性，滿足整體力矩平衡，但不滿足土條力矩、垂直力和水平力的平衡，可以手算和電算，適合的滑面為圓弧，均值土坡均可以適用，相對簡單但有一定計(jì)算誤差。簡化畢肖普法：將土坡分條，并假定土條間的合力是水平的，同時(shí)假定土條只發(fā)揮出一部分強(qiáng)度。滿足整體力矩平衡和土條垂直力平衡，但不滿足土條力矩和水平力平衡，滑面為圓弧，適合手算和電算。簡布法：假定整個(gè)滑面的安全系數(shù)均一樣，并假定推力線的位置已知，方向平行于底部滑面。滿足整體力矩、土條力矩、垂直力和水平力的平衡，滑面可以為任意滑面，可以手算和電算，但是電算有可能出現(xiàn)收斂困難。樁基負(fù)摩阻力定義、影響、成因、防治及計(jì)算。定義：當(dāng)樁周土體因某種原因發(fā)生下沉，其沉降變形大于樁身的沉降變形，樁身發(fā)生相對樁周土體向上的位移時(shí)，在樁側(cè)表面將出現(xiàn)向下作用的摩阻力，稱其為樁基負(fù)摩阻力。影響：樁的負(fù)摩阻力的發(fā)生將使樁側(cè)土的部分重力傳遞給樁，因此負(fù)摩阻力不但不能成為樁承載力的一部分，反而會成為施加在樁上的外荷載，對入土深度相同的樁來說，若有負(fù)摩阻力發(fā)生，則樁的外荷載增大，樁的承載力相對降低，樁基沉降加大，可能出現(xiàn)樁的承載力不足變形、破壞甚至失穩(wěn)。成因：當(dāng)樁穿過軟弱高壓縮性土層而支撐在堅(jiān)硬持力層上時(shí)，最易發(fā)生樁的負(fù)摩阻力問題，其發(fā)生的主要原因有：①在樁周附近有大量堆載或大面積填土?xí)r，引起地面沉降；②土層中因抽取地下水、基坑降水或者其他原因，地下水位下降，使土層產(chǎn)生自重固結(jié)沉降；③樁穿過欠壓密土層進(jìn)入硬持力層，土層產(chǎn)生自重固結(jié)沉降；④樁數(shù)很多的密集群樁打樁時(shí)，樁周土體中產(chǎn)生很大超孔隙水壓力，打樁停止后樁周土的再固結(jié)作用引起下沉；⑤在黃土、凍土、液化砂土中的樁因黃土濕陷、凍土融沉、液化砂土重新固結(jié)產(chǎn)生地面下沉。防治：①打樁前先預(yù)壓地基土，從根本上消除負(fù)摩阻力的產(chǎn)生；②在產(chǎn)生負(fù)摩阻力的樁段安裝套筒或者把樁身與周圍土體隔離；③在樁身涂滑動(dòng)膜如瀝青；④通過降低樁上部荷載，儲備一定承載力；⑤在地基和上部結(jié)構(gòu)允許的大沉降量情況下，采用摩擦樁。nnhq計(jì)算：N=qA-Ah產(chǎn)生負(fù)摩阻力深度范圍內(nèi)樁身表面積;a=2兀rhm」0負(fù)摩阻力強(qiáng)度,q=1q,Q為軟粘土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。nnhq；材 “' n2說nnhq土的壓實(shí)特性、壓實(shí)機(jī)理、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、影響因素及應(yīng)用壓實(shí)特性：土在外部壓實(shí)功作用下顆粒壓縮、孔隙水和氣排出、體積縮小的特性，與土中水和壓實(shí)功密切相關(guān)。壓實(shí)是指采用人工或機(jī)械對土施以夯壓能量使土塊變形和結(jié)構(gòu)調(diào)整以致密實(shí)，壓實(shí)作用使土在短時(shí)間內(nèi)得到新的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增強(qiáng)粗粒土之間的摩擦和咬合、增加細(xì)粒土之間的分子引力以改善土的性質(zhì)。壓實(shí)機(jī)理：土的擊實(shí)曲線理論上存在一個(gè)拐點(diǎn)，該點(diǎn)為通過擊實(shí)所能獲得的最大干密度，與之相應(yīng)的土體含水率為最優(yōu)含水率；試驗(yàn)表明：最優(yōu)含水率約于土的塑限相接近，土中粘土礦物越多最優(yōu)含水率越大，此外還與壓實(shí)功有關(guān)。夯擊時(shí)，土中水一方面起到潤滑作用，減小土粒運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力，另一方面水過多則 可能造成夯擊時(shí)排不出去，以致占據(jù)空間影響土的壓密。 土的壓實(shí)機(jī)理如下：①當(dāng)松散土的含水率偏小處于偏干狀態(tài)時(shí)，粒間引力使土保持比較疏松的凝聚結(jié)構(gòu)，土中孔隙大都相互連通，水少而氣多，在一定的外部壓實(shí)功能作用下，雖然土孔隙中的氣體容易排出，密度可以增大，但由于較薄的強(qiáng)結(jié)合水水膜潤滑作用不明顯以及外部功能不足以克服粒間引力，土粒相對移動(dòng)便不顯著，壓實(shí)效果比較差；②當(dāng)含水率逐漸增大時(shí)，結(jié)合水膜變厚、土塊變軟，粒間引力減弱，施以外部壓實(shí)功能則土粒移動(dòng)而擠密，加之水膜的潤滑作用，壓實(shí)效果漸佳；在最佳含水率附近時(shí)，土中所含的水量最有利于土粒受擊時(shí)發(fā)生相對移動(dòng)使土變密，以致能達(dá)到最大干密度；③當(dāng)含水率再增加偏濕狀態(tài)時(shí)，孔隙中出現(xiàn)了自由水，夯擊使土體很快接近飽和，而無法使土中多余的水和氣體排出，繼續(xù)夯擊僅能使土體變形、孔隙壓力升高，從而抵消了部分擊實(shí)功，擊實(shí)功效反而下降。在排水不暢的情況下，過多次數(shù)的反復(fù)擊實(shí)，甚至?xí)?dǎo)致土體密度不加大而土體結(jié)構(gòu)被破壞的結(jié)果，出現(xiàn)工程上所謂的“橡皮土”現(xiàn)象。影響因素：內(nèi)因主要包括土質(zhì)和濕度，外因可概括為壓實(shí)功能和壓實(shí)時(shí)的環(huán)境因素等。（1）土質(zhì)：土粒愈細(xì)，比面積愈大，土粒表面水膜所需濕度越多，其最佳含水量越大，最大干容重越小； （2）濕度：表現(xiàn)在孔隙水陽離子對粘土表面性質(zhì)包括水膜厚度的影響，在一定壓實(shí)功作用下，只有當(dāng)壓實(shí)土料為最佳含水量時(shí)，才能被壓實(shí)至最大干容重；（3）壓實(shí)功能：偏干時(shí)增加擊實(shí)功對干容重的提高較明顯，可提高地基強(qiáng)度和降低最佳含水量，偏濕時(shí)增加擊實(shí)功對則收效不大且可能造成“橡皮土” ；（4）環(huán)境因素：應(yīng)力歷史，在其他條件相同時(shí)，土樣所受超固結(jié)作用越強(qiáng)壓縮性越低；溫度對有機(jī)質(zhì)土、超固結(jié)土有較為明顯的影響。壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)：用壓實(shí)度表示現(xiàn)場壓實(shí)質(zhì)量，壓實(shí)度是指工地實(shí)際達(dá)到的干密度與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)所得的最大干密度的比值。應(yīng)用：土的壓實(shí)機(jī)理表明，在一定壓實(shí)功作用下，只有當(dāng)土料含水率為最佳含水率時(shí)，才能擊實(shí)至最為密實(shí)狀態(tài)的最大干密度；對實(shí)際填方工程，充分考慮土的壓實(shí)特性與變化規(guī)律，可使技術(shù)可靠和經(jīng)濟(jì)合理。壓實(shí)機(jī)理可用來：①判別某一擊實(shí)功作用下土的擊實(shí)性能是否良好；②確定土可能達(dá)到的最佳密實(shí)度范圍與相應(yīng)的含水量；③為填方設(shè)計(jì)選用合理的填筑含水率、密度及壓實(shí)功。本構(gòu)關(guān)系定義：土的本構(gòu)關(guān)系是指土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，也稱為本構(gòu)定律；主要分為彈性模型和彈塑性模型，彈性模型又分為線性和非線性兩種。線彈性模型：基于廣義胡克定律，只需彈性模量和泊松比兩個(gè)材料參數(shù)即可描述其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；理論形式簡單，參數(shù)少物理意義明確；缺點(diǎn)是過于簡化，在應(yīng)力水平不高且在一定邊界條件下比較實(shí)用。目前在地基附加應(yīng)力計(jì)算中仍采用線彈性理論的布辛尼斯克解和明德林解；地基沉降計(jì)算也是在經(jīng)典線彈性理論基礎(chǔ)上進(jìn)行的。非線性彈性模型：利用廣義虎克定律建立剛度矩陣［D］，考慮土的非線性，矩陣［D］中的彈性常數(shù)E、g不再視為常量，而是當(dāng)做隨應(yīng)力狀態(tài)而改變的變量。當(dāng)土體處于某一應(yīng)力狀態(tài)o］時(shí)，若施加微小的應(yīng)力增Sag］，則可用該應(yīng)力狀態(tài)下的彈性常數(shù)形成矩陣［D］或者逆矩陣［C］，來計(jì)算相應(yīng)應(yīng)變增量［△￡］。該模型假定全部變形都是彈性的，用改變彈性常數(shù)的方法來反映非線性，代表模型為鄧肯模型。優(yōu)點(diǎn)：它反映了土體變形的非線性；它把總變形中的塑性變形部分也當(dāng)做彈性變形處理，通過彈性常數(shù)的調(diào)整來近似考慮這部分塑性變形;它用于增量計(jì)算，能反映應(yīng)力路徑對變形的影響；它通過回彈模量Eur與加荷模量Et的差別部分體現(xiàn)加荷歷史對變形的影響。缺點(diǎn)：由于使用胡克定律，模型不能反映剪脹性，不反映平均正應(yīng)力對剪應(yīng)變的影響，亦即不反映壓縮和剪切的交義影響；模型只考慮硬化，不能反映軟化，不反映各向異性。彈塑性模型：它把總的變形分成彈性形變和塑性形變兩個(gè)部分，用胡克定律計(jì)算彈性變形，用塑性理論來解塑性變形。塑性變形需做三方面假定：破壞準(zhǔn)則和屈服準(zhǔn)則；硬化規(guī)律；流動(dòng)法則；其代表性模型為劍橋模型。它根據(jù)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果整理出排水剪試驗(yàn)、固結(jié)不排水試驗(yàn)下的土樣孔隙比與有效應(yīng)力關(guān)系曲線，提出了土體臨界狀態(tài)的概念，再引入硬化原理和能量方程，從而得出了劍橋模型；優(yōu)點(diǎn)：它考慮了土的塑性體積變形，較好的闡明了土體彈塑性變形特征，可較好的用于正常固結(jié)或弱超固結(jié)粘土，模型參數(shù)少，易于測定，便于推廣；缺點(diǎn)：受到傳統(tǒng)塑性位勢理論的限制；沒有充分考慮剪切應(yīng)變；只能反映剪縮；不能反映剪脹。萊特-鄧肯模型：較好地反映了砂土的破壞和剪脹性，為適用于砂土的代表性彈塑性模型，缺點(diǎn)：只能反映膨脹體積應(yīng)變，不能反映剪縮，比較難以應(yīng)用于實(shí)際工程。橢圓-拋物雙屈服面模型：它假定土體的塑性變形由滑移后引起體積壓縮的顆粒的位移變形和和引起體積膨脹的顆粒的位移變形兩部分組成，更具實(shí)用性。本構(gòu)模型研究方向：對現(xiàn)有模型進(jìn)行改進(jìn)、推進(jìn)和驗(yàn)證；建立解決實(shí)際工程問題的實(shí)用模型；將土的微觀結(jié)構(gòu)定量研究引入到土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系研究中；引進(jìn)非線性科學(xué)的基本理論。9.固結(jié)理論、比奧固結(jié)理論與太沙基固結(jié)理論的比較。固結(jié)：土體在荷載作用下內(nèi)部含水緩慢滲出、體積逐漸減小的現(xiàn)象。土的固結(jié)理論最早由太沙基提出，但它忽略了變形協(xié)調(diào)條件對固結(jié)過程中總應(yīng)力的影響，只在一維情況下是精確的；在多維固結(jié)問題中，常用比奧固結(jié)理論。太沙基一維固結(jié)理論：固結(jié)變形機(jī)理：太沙基一維固結(jié)理論認(rèn)為土顆粒、孔隙水壓縮性很小，一般認(rèn)為不可壓縮；土體變形是孔隙體積的減小、顆粒重新排列、粒間距離縮短、骨架體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果，而孔隙體積減小主要因?yàn)榭紫端疂B出。太沙基有效應(yīng)力原理認(rèn)為土中總應(yīng)力由孔隙水和土顆粒骨架共同承擔(dān)，分別為孔隙水壓力和有效應(yīng)力，它將飽和土的固結(jié)變形機(jī)理詮釋為：土體在荷載施加瞬間，孔隙水來不及排出、體積未減小，骨架顆粒未發(fā)生變形，土中應(yīng)力全部由孔隙水承擔(dān)；從而在荷載界面處形成水力梯度，孔隙水滲流，孔隙體積減小，土粒擠密，骨架顆粒開始受力變形，孔隙水壓力消散而有效應(yīng)力逐漸增加；當(dāng)孔隙壓力逐漸消散為零時(shí)，孔隙水不再排出，土中應(yīng)力全部由骨架顆粒承擔(dān)，土固結(jié)變形完成。因此，土體固結(jié)過程的實(shí)質(zhì)為孔隙水逐漸排出、孔隙體積減小以及骨架顆粒、孔隙水所受壓力的逐漸向骨架顆粒轉(zhuǎn)移和調(diào)整的過程，亦即孔隙水壓力消散、有效應(yīng)力增長的過程?？紫扼w積變化和顆粒重新排列需要過程，故土體固結(jié)變形和時(shí)間有關(guān)，土的壓縮性越高、滲透性越低，固結(jié)所需時(shí)間越長。基本假設(shè)：①土是均質(zhì)、各向同性、完全飽和的理想彈性材料；②土顆粒和孔隙水均不可壓縮，土體變形完全由孔隙體積縮小引起；③土體中只發(fā)生豎向壓縮變形和豎向孔隙水滲流；④孔隙水滲流服從達(dá)西定律，滲透系數(shù)喝壓縮系數(shù)均為常數(shù)；⑤荷載一次瞬時(shí)施加、連續(xù)均布且維持不變，土中總應(yīng)力不隨時(shí)間變化。比奧固結(jié)理論：比奧從較嚴(yán)格的固結(jié)機(jī)理出發(fā)推導(dǎo)了準(zhǔn)確反映孔隙壓力消散與土骨架變形相互關(guān)系的三維固結(jié)方程，稱為真三維固結(jié)理論。比奧固結(jié)方程是一個(gè)復(fù)雜的偏微分方程組，隨著計(jì)算技術(shù)、特別是有限單元法的發(fā)展，通過數(shù)值求解可廣泛解決各種實(shí)際工程的固結(jié)問題。比奧理論與太沙基理論的比較建立方程所依據(jù)的假定：兩種理論的假定基本一致，即骨架線性彈性、變形微小、滲流符合達(dá)西定律。但有一個(gè)原則區(qū)別，即太沙基假定固結(jié)過程中法向總應(yīng)力不隨時(shí)間改變。太沙基方程是比奧方程在這一假定下的簡化。孔隙壓力與位移的聯(lián)系：太沙基方程中只含孔隙壓力一個(gè)未知變量，與位移無關(guān)，因此孔隙壓力的消散僅僅決定于孔隙壓力初始條件和邊界條件而與固結(jié)過程中的位移無關(guān)；而比奧方程引入了物理方程和幾何方程，建立了包含孔隙壓力和位移的聯(lián)立方程組；不僅可同時(shí)解出初始沉降和固結(jié)沉降，還可解出水平位移。孔隙壓力隨時(shí)間的變化：太沙基理論曲線與泊松比無關(guān)，而比奧曲線受泊松比的影響很明顯，泊松比越小則固結(jié)越慢。對于比奧曲線，固結(jié)初期階段孔隙壓力會有所上升，并超過初始孔隙壓力，在泊松比較小時(shí)尤為顯著，而太沙基曲線則無此現(xiàn)象(曼德爾效應(yīng))?？倯?yīng)力與變形協(xié)調(diào)條件：太沙基固結(jié)理論在處理多維固結(jié)問題中忽略了變形協(xié)調(diào)條件對固結(jié)過程中總應(yīng)力的影響，所獲得的結(jié)果只是近似的。比奧固結(jié)理論考慮了這種影響，借助計(jì)算機(jī)和有限單元法等數(shù)值求解，可廣泛解決各種實(shí)際工程的固結(jié)問題。曼德爾效應(yīng)：指在用比奧理論分析飽和土的固結(jié)時(shí)，荷載施加初期孔隙壓力不是消散而是繼續(xù)上升，并超過應(yīng)有的初始孔隙壓力的現(xiàn)象稱為曼德爾效應(yīng)。產(chǎn)生原因：土體內(nèi)不同部位固結(jié)快慢不一致，由于要保持變形協(xié)調(diào)，從而發(fā)生應(yīng)力傳遞而導(dǎo)致的。在這個(gè)應(yīng)力傳遞的過程中，有可能使下部土體承受的總應(yīng)力超過初始瞬間的總應(yīng)力，而造成下部土體的超孔隙水壓力繼續(xù)上升。機(jī)理解釋：在表面透水的地基面上施加荷載，荷載施加初期（實(shí)際為滲透排水從邊界波及到中心所需的時(shí)間），靠近排水面的土體由于排水發(fā)生體積收縮，表層土的收縮必然對內(nèi)部土體產(chǎn)生一種收縮應(yīng)力，使土體內(nèi)部某區(qū)域的總應(yīng)力增大并超過初始值，但內(nèi)部土體還來不及排水，骨架顆粒尚未發(fā)生變形，不能承擔(dān)增加的應(yīng)力；增加的總應(yīng)力只能由孔隙水承擔(dān)，因此出現(xiàn)孔隙壓力上升并超過應(yīng)有的初始孔隙壓力的現(xiàn)象。曼德爾效應(yīng)在土骨架泊松比較小時(shí)較明顯，并隨泊松比增大而逐漸減弱。泊松比越小，體積變形越大，曼德爾效應(yīng)越顯著；當(dāng)泊松比為0.5時(shí)，土骨架沒有體積變形，也就不存在曼德爾效應(yīng)了。此外，表面排水性能越差，曼德爾效應(yīng)越不顯著。肱沉降計(jì)算中的沉降分量、形成機(jī)理及計(jì)算原理。地基土的總沉降按發(fā)生先后可分為瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三種。瞬時(shí)沉降：也稱初始沉降，指地基土在不排水條件下受荷載作用產(chǎn)生的地面沉降，由土的畸變引起并立即發(fā)生。由于基礎(chǔ)加載面積尺寸有限，加載后地基中、特別是在靠近基礎(chǔ)邊緣應(yīng)力集中部位會有剪應(yīng)變產(chǎn)生。對飽和或近飽和粘性土，加載瞬間土中水來不及排出，在不排水和恒體積條件下，剪應(yīng)變將引起側(cè)向變形進(jìn)而造成瞬時(shí)沉降。瞬時(shí)沉棒』一般采用彈性理論進(jìn)行計(jì)算，s=?PB（1-V2）,式中：E不排水變形模量、P0基底附加應(yīng)力，由于不排水條件下沒有體積變形所產(chǎn)生的沉降，所以泊松比v=5.5。 ^固結(jié)沉降:指飽和或近飽和粘性土在上部荷載作用下，隨著超靜孔隙水壓力的消散，土骨架產(chǎn)生變形所造成的沉降。固結(jié)沉降速率取決于孔隙水的排出速率，占粘性土地基沉降的絕大部分，可以用分層總和法計(jì)算。在無側(cè)向變形（一維）條件下，沒有瞬時(shí)沉降產(chǎn)生，固結(jié)沉降等于基底以下壓縮層范圍內(nèi)各層土壓縮量的總和或，乘以經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)W，后即認(rèn)為是基礎(chǔ)最終總沉降量S，亦即S=wS。若考慮的是有側(cè)向變形情況，固結(jié)沉降量S根據(jù)產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力計(jì)算，它與無側(cè)向變形下的固結(jié)沉降量S的美系為：C=斗，C為比例系數(shù)，其值取決于土的孔壓系數(shù)A、基礎(chǔ)形狀以及土層厚度H與基礎(chǔ)寬度B之比；此時(shí)：基礎(chǔ)的沉降量％（不考慮次固結(jié)沉降）等于有側(cè)向變形條件下的固結(jié)沉降S和不d排水情況下的瞬時(shí)沉降S'兩者之和，亦即S=S，+S/次固結(jié)沉降：是指主固結(jié)過程（超靜孔隙水壓力消^'散過程）結(jié)束后，在恒值有效應(yīng)力不變的情況下，土的骨架仍隨時(shí)間繼續(xù)發(fā)生的變形，其變形速率取決于土骨架的蠕變性質(zhì)。對粗粒土，其透水性大，超靜孔隙水壓力消散迅速，基本上沒有次固結(jié)；對一般粘性土，其數(shù)值不大；但對塑性指數(shù)較大的、正常固結(jié)的軟粘土，尤其是有機(jī)土，其值有可能很大，必須予以考慮。次固結(jié)沉降包括剪應(yīng)變和體積變化，采用流變理論等力學(xué)模型計(jì)算時(shí)比較復(fù)雜，且有關(guān)參數(shù)不易測定。試驗(yàn)表明，次固結(jié)沉降S與時(shí)間t在對數(shù)坐標(biāo)系下接近于直線關(guān)系：S=Hcig七，式中：C為次固結(jié)指數(shù)，H和e1分別為s s1+et ^s.--- 1涂層的厚度和初始孔隙比；t2為欲求次固結(jié)沉降量的那個(gè)時(shí)間，tf為主固結(jié)完成次固結(jié)開始時(shí)的時(shí)間。丑.試論述土的抗剪強(qiáng)度機(jī)理及其影響因素庫侖定律：土的抗剪強(qiáng)度7f=c+otan甲，其中c為粘聚強(qiáng)度；Ban甲為摩擦強(qiáng)度；它表明抗剪強(qiáng)度的由以下兩方面構(gòu)成：①摩擦力：粒間的表面摩擦和相互咬合，為將嵌入顆粒拔出所需的力；②粘聚力：分為原始內(nèi)聚力、加固內(nèi)聚力和毛細(xì)內(nèi)聚力。摩擦強(qiáng)度：可分為滑動(dòng)與咬合。固體顆粒表面間的滑動(dòng)摩擦是土摩擦強(qiáng)度的主要部分，可表示為：日=T=tan中，其中，N為正應(yīng)力；T為表面摩擦力；《為摩擦系數(shù)；幻為滑動(dòng)摩擦角。咬合摩擦：由于土顆粒間不可能是平面接觸!顆粒間的交錯(cuò)排列使在剪切面處的顆粒會發(fā)生提升錯(cuò)動(dòng)、"轉(zhuǎn)動(dòng)、拔出，并伴隨著體積的變化、顆粒的重新定向排列及顆粒本身的破壞斷裂。粘聚力：指破壞面沒有任何正應(yīng)力作用下的抗剪強(qiáng)度。土的粘聚力是土顆粒間的引力與斥力綜合作用的結(jié)果。粘聚強(qiáng)度主要包括：①原始粘聚力：由土粒間分子引力產(chǎn)生的粘聚力，當(dāng)土粒間的距離曲d縮小至0.5d時(shí)，斥力達(dá)到峰值后急劇下降并轉(zhuǎn)換為吸力，顆粒越近吸力越大，它與結(jié)構(gòu)是否擾動(dòng)無關(guān)，經(jīng)夯實(shí)可恢復(fù)；②加固粘聚力：由膠結(jié)、結(jié)晶等化學(xué)作用產(chǎn)生的粘聚力，一經(jīng)擾動(dòng)不可恢復(fù)；③毛細(xì)粘聚力：由孔隙毛細(xì)水的表面張力形成的毛細(xì)壓力產(chǎn)生的粘聚力，它僅在砂土中有一定作用（如使?jié)裆俺蓤F(tuán)），對粘性土的影響很小。影響因素：①土的物理性質(zhì)：包括土的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、礦物成分、剪切帶、粗粒土顆粒的幾何性質(zhì)等。外界因素：包括應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間、溫度、排水條件等；其中應(yīng)力因素是最基本的，它又包括圍壓或小主應(yīng)力、中主應(yīng)力、應(yīng)力歷史、應(yīng)力方向和加載速率等。12.公路橋梁基礎(chǔ)（1）公路橋梁基礎(chǔ)形式及計(jì)算內(nèi)容公路橋梁基礎(chǔ)形式分為淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)。其中：淺基礎(chǔ)有剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)，獨(dú)立基礎(chǔ)等；深基礎(chǔ)有樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)、管樁基礎(chǔ)、地下連續(xù)墻基礎(chǔ)等。常用的基礎(chǔ)類型有剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)等，其中以樁基礎(chǔ)應(yīng)用最為廣泛。剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)：是公路橋梁常用的基礎(chǔ)形式之一，由于地基強(qiáng)度一般較墩臺或墻樁圬工的強(qiáng)度低，因而需要將基礎(chǔ)平面尺寸擴(kuò)大以滿足地基強(qiáng)度要求。其計(jì)算內(nèi)容包括：①確定基礎(chǔ)埋置深度：這是地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要步驟，確定時(shí)必須綜合考慮地基的地質(zhì)，地形條件，河流的沖刷程度，當(dāng)?shù)氐膬鼋Y(jié)深度，上部結(jié)構(gòu)形式以及保持持力層穩(wěn)定所需的最小埋深和施工技術(shù)條件，造價(jià)等因素。②剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸的擬定：基礎(chǔ)厚度應(yīng)根據(jù)墩、臺身結(jié)構(gòu)形式，荷載大小，選用的基礎(chǔ)材料等因素確定；基底標(biāo)高應(yīng)按基礎(chǔ)埋深要求確定；基礎(chǔ)平面形式應(yīng)考慮墩、臺身底面的形狀而確定，平面形狀常用矩形；基礎(chǔ)的剖面形式一般做成矩形或臺階形。③地基承載力驗(yàn)算：包括持力層強(qiáng)度驗(yàn)算、軟弱下臥層承載力驗(yàn)算。④基底合力偏心矩驗(yàn)算：墩、臺基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算必須控制基底合力偏心矩，盡可能使基底應(yīng)力分布均勻，以免基底兩側(cè)應(yīng)力相差過大，造成基礎(chǔ)產(chǎn)生的不均勻沉降，墩、臺傾斜，影響正常使用。⑤基礎(chǔ)和地基穩(wěn)定性驗(yàn)算：包括基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、基礎(chǔ)互動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算。⑥基礎(chǔ)沉降驗(yàn)算：包括沉降量、相鄰基礎(chǔ)沉降差及地基不均勻沉降而發(fā)生的傾斜驗(yàn)算等。樁基礎(chǔ)：具有承載力高、穩(wěn)定性好、沉降量小而均勻等特點(diǎn)，其計(jì)算內(nèi)容主要為單樁承載力計(jì)算。單樁承載力是指單樁在軸向荷載作用下，地基土及樁自身強(qiáng)度、穩(wěn)定性均能保證，變形也在容許范圍內(nèi)，可保證結(jié)構(gòu)物正常使用時(shí)單樁所能承受的軸向最大荷載； 計(jì)算方法有靜載試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、靜力觸探法、動(dòng)測試樁法、靜力分析法等；地基土具有多變性、復(fù)雜性和地域性，常需選用多種方法綜合分析以確定合理的單樁承載力。其他計(jì)算內(nèi)容還有：樁底持力層承載力驗(yàn)算、下臥層強(qiáng)度驗(yàn)算、樁基沉降及變形驗(yàn)算、承臺強(qiáng)度及變形驗(yàn)算等。沉井基礎(chǔ)：通過井內(nèi)挖土、依靠自身重力克服井壁摩阻力下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后經(jīng)過混凝土封底并填塞井孔，使其成為橋梁墩臺或其他結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)。其特點(diǎn)是埋置深度大、整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，有較大的承載面積，能承受較大的垂直荷載和水平荷載。沉井既是基礎(chǔ)，又是施工時(shí)的擋土和擋土圍堰結(jié)構(gòu)物。作為整體深基礎(chǔ)，沉井設(shè)計(jì)主要依據(jù)上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、荷載大小以及水文、地質(zhì)情況，結(jié)合沉井的構(gòu)造要求及施工方法，擬定出沉井的平面尺寸、埋置深度，然后進(jìn)行沉井基礎(chǔ)的計(jì)算。公路橋梁常用的基礎(chǔ)類型及其設(shè)計(jì)計(jì)算的基本假定公路橋梁常用的基礎(chǔ)類型有剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)等，其中以樁基礎(chǔ)應(yīng)用最為廣泛。其設(shè)計(jì)計(jì)算的基本假定如下：剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)：計(jì)算時(shí)忽略了基礎(chǔ)側(cè)面土體的影響；而樁基、沉井基礎(chǔ)因埋入地層較深，結(jié)構(gòu)形式與施工方法較淺基礎(chǔ)復(fù)雜，在其設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要考慮側(cè)面土體的影響。樁基礎(chǔ)