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非饱和土双重有效应力的研究

姜小雷  
【摘要】:作为经典土力学基石的有效应力原理是土力学中最基本和最重要的原理。Terzaghi被誉为现代土力学之父,他的重要贡献之一就是“有效应力原理”。有效应力原理的提出,促使土力学发生了根本性的变化,使土力学从一般的力学中独立出来,成为一门独立的学科。虽然Terzaghi提出的有效应力方程具有形式简单、便于应用等优点,但是它在许多情况下,将产生一定的偏差。不少学者都致力于改进有效应力的计算公式,以期使其在工程实践中发挥更好的作用。非饱和土在地球表面是普遍存在的,它与土木工程建设密切相关,一直以来都受到工程界的广泛关注,并对其进行了大量的理论与实验研究。有效应力原理在饱和土中的成功应用,使得非饱和土有效应力原理的提出成为了必然结果。然而非饱和土是由三相不同的物质组成,其各方面性质非常复杂,到目前为止,对它的认识和理论描述还很有限。非饱和土有效应力的计算是非饱和土力学研究的重点,它是非饱和土其他性质研究的基础和前提。国内外学者在非饱和土有效应力原理方面已经取得了一定的成果,提出了多种形式的有效应力计算公式。在这些有效应力计算公式中,多数是以单个有效应力(土体骨架应力)来控制土体的变形和强度,忽略了土体颗粒自身的变形,或假设土颗粒是不可压缩的刚体。认为土体在应力作用下的变形只有土体结构破坏引起的变形,这显然和现实土体的真实变形特性是不相符的。同时,由于非饱和土中吸力的存在,使得非饱和土有效应力的计算变得复杂的多,而粒间吸力的计算又是非饱和土有效应力研究的重点。现有的关于非饱和土中粒间吸力的计算模型,多是假设土颗粒间为点接触,忽略了颗粒间胶结物质对于吸力的影响,使得粒间吸力的计算存在较大的误差。基于以上所讨论的非饱和土力学中存在的问题,本文做了相应的研究工作。首先,在考虑土颗粒间胶结面积的前提下(即认为土颗粒间为面接触),计算了非饱和土中粒间吸力的大小。其次,考虑土体在应力作用下的颗粒本体变形,引入多孔介质双重有效应力原理的假说。将土体的总应变分为本体应变和结构应变两部分,其中土体颗粒自身的变形由本体有效应力控制,土体结构破坏引起的变形由结构有效应力控制。结合现有的非饱和土有效应力原理,推导得到适用于非饱和土的双重有效应力原理。最后,对所得理论公式进行了实例验证和推广应用。


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