§2-2土的应力和变形的关系素材.ppt

§2-2 路基土的应力——应变特性 一、土基的变形特性 土基的受力特性是由构成土基用土的物理性质决定的。土基用土的种类很多，但不论何种土都是由固态矿物颗粒、孔隙中的水以及气体三大部分组成的。因此，土是一种由固体颗粒、水和气体组成的三相体系。土作为一种工程材料，由于其内部结构上的这种特殊性，使得它在工程力学性质上与其它工程材料，诸如钢材、水泥混凝土等，有较大差别，其中最突出的是土在受力时的非线性变形特性。 (一) 土基的非线性变形特性 土基在受力时的非线性变形特性是由土的非线性性质决定的。室内三轴试验表明，土的应力-应变关系曲线，一般没有直线段，应力消失后恢复不到原先的形状。这是因为土在受力后，三相结构改变了原来的状态，作为土的骨架的矿物颗粒发生相对移动，而这种移动引起的变形，有一部分是属于不可恢复的残余变形。由此说明，土除了具有非线性变形性质外，还有塑性变形性质。 弹性模量是表征弹性材料或弹性体在受力时应力-应变关系的比例常数，但由于土的应力-应变关系呈非线性，因此，只有认为土的弹性模量E是一个条件变量，它是随应力-应变关系的改变而变化的。 在路面设计中，如果完全按照土基的非线性、塑性变形等特性决定它的计算参数(主要是土的弹性模量E)，则会使设计方法复杂化，甚至需改变路面设计的理论体系。因此，必须根据土基在路面结构中的实际工作状态，对其非线性性质作相应的修正或简化处理。修正或简化的原则是表征土基应力-应变特性的参数在理论计算中应与实际状况吻合。对土的应力-应变关系曲线进行线性处理的最简单的方法是切线法和割线法，即将土的应力-应变关系曲线上某点的切线斜率或某一范围的割线斜率作为土基的模量。 图2-18 土的应力——应变关系曲线 （二）应力—应变曲线上的模量值E取用： (1) 初始切线模量——应力值为零时的应力——应变曲线的斜率； (2) 切线模量——某一应力级位处应力——应变曲线的斜率，反映该级应力处应力——应变变化的精确关系； (3) 割线模量——以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割线的斜率，反映土基在工作应力范围内的应力——应变的平均状态； (4) 回弹模量——应力卸除阶段，应力——应变曲线的割线模量。 前三种模量中的应变值包含残余应变和回弹应变，而回弹模量则仅包含回弹应变，它部分地反映了土的弹性性质。 图2-4土的变形荷载的持续时间关系 ①回弹变形；②塑性变形；③总变形 (二) 土基的流变性质 土是具有流变性质的材料，在荷载作用下的变形不仅与荷载大小有关，而且还与荷载作用的持续时间有关，土颗粒之间力的传递以及土颗粒与土颗粒之间相对移动都需要一定的时间，通常在施加荷载的初始阶段，变形的大小随着荷载持续时间的延长而增大，以后逐渐趋于稳定。室内模型试验表明，回弹变形与荷载的持续时间关系不大，因而土的流变性质主要同塑性变形有关，图4-4表示荷载作用时间与土的回弹变形，塑性变形以及总变形的关系。 车辆在路面上行使，车轮对路面下土基的作用时间随车辆行使的速度变化而变化，但通常都是很小的，在这短暂的一瞬间，产生的塑性变形比之于静荷载长期作用下的塑性变形小得多。因此，一般情况下，土基的流变性质可以不予考虑。 （三）重复荷载对路基土的影响 1、重复荷载作用导致的两种结果： ①土体逐渐密实，土体颗粒进一步靠拢，每一次加载产生的塑性变形越来越小至稳定。 ②土体破坏，每一次加载产生的剪切变形形成能引起土体整体破坏的剪切面。 2、影响因素：（到底产生哪一种结果） ①土的性质（类型）和状态（含水量、密实度、结构状态） ②重复荷载的大小以重复荷载同一次静载下的极限强度之比（相对荷载） ③荷载作用的性质（施加速度、每次作用时间、间隔） ? 回目录 二、土的压缩与固结 1、在外力作用下，土颗粒重新排列，土体体积缩小的现象称为压缩。 通常，土粒本身和孔隙水的压缩量可以忽略不计，在研究土的压缩 时，均认为土体压缩完全是由于土中孔隙体积减小的结果。 土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。 在三维应力边界条件下，饱和土体地基受荷载作用后产生的总沉降 量St可以看作由三部分组成：瞬时沉降Si、主固结沉降Sc、次固结 沉降Ss，即 St=Si+Sc+Ss 瞬时沉降是指在加荷后立即发生的沉降。对于饱和粘土来说，由于在很短的时间内，孔隙中的水来不及排出，加之土体中的水和土粒是不可压缩的，因而瞬时沉降是在没有体积变形的条件下发生的，它主要是由于土体的侧向变形引起的，是形状变形。如果饱和土体处于无侧向变形条件下，则可以认为Si=0。 在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排出导致土体体积随时间逐渐缩小