土的應(yīng)力應(yīng)變特性

1、1.4土的應(yīng)力應(yīng)變特性土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性土的剪脹性土體變形的彈塑性土應(yīng)力應(yīng)變的各向異性土的結(jié)構(gòu)性土的流變性1.4.7影響土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的應(yīng)力條件Stress由于土是巖石風(fēng)化而成的碎散顆粒的集合體，一般包含有固、液、氣三相，在其形成的漫長的地質(zhì)過程中，受風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積、固結(jié)和地殼運(yùn)動的影響，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系十分復(fù)雜，并且與諸多因素有關(guān)。其中主要的應(yīng)力應(yīng)變特性是其非線性、剪脹（縮）性和彈塑性。主要的影響因素是應(yīng)力水平（level）、應(yīng)力路徑（Stresspat。和應(yīng)力歷史（Stresshistory,亦稱3S影響。1.4.1土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性由于土由碎散的固體顆粒組成，土宏觀的變形主要不是

2、由于顆粒本身變形，而是由于顆粒間位置的變化。這樣在不同應(yīng)力水平下由相同應(yīng)力增量而引起的應(yīng)變增量就不會相同，亦即表現(xiàn)出非線性。虛線表圖2-3-1表示土的常規(guī)三軸壓縮試驗的一般結(jié)果，其中實線表示密實砂土或超固結(jié)粘土，示松砂或正常固結(jié)粘土。圖33-1土的二軸試驗魄型曲線最后逼從圖（a）可以看到，正常固結(jié)粘土和松砂的應(yīng)力隨應(yīng)變增加而增加，但增加速率越來越慢，近一漸近線；而在密砂和超固結(jié)土的試驗曲線中，應(yīng)力開始隨應(yīng)變增加而增加，達(dá)到一個峰值之后，應(yīng)力隨應(yīng)變增加而下降，最后也趨于穩(wěn)定。在塑性理論中，前者稱為應(yīng)變硬化（或加工硬化），后者稱為應(yīng)變軟化（或加工軟化）。應(yīng)變軟化過程實際上是一種不穩(wěn)定過程，有時伴隨

3、著應(yīng)力的局部化一一剪切帶的產(chǎn)出現(xiàn)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線對一些影響因素比較敏感。而且由于其應(yīng)力應(yīng)變間不成單值函數(shù)關(guān)系，所以反映土的應(yīng)變軟化的數(shù)學(xué)模型一般形式復(fù)雜，難以準(zhǔn)確反映這種應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)；此外，反映應(yīng)變軟化的數(shù)值計算方法也有較大難度。1.4.2土的剪脹性由于土是碎散的顆粒集合，在各向等壓或等比壓縮時，孔隙減少，從而發(fā)生較大的體積壓縮。這種體積壓縮大部分是不可恢復(fù)的，如圖2-3-2所示。圖2-3-2菩向等版和等比壓蝸忒驅(qū)曲線在圖2-3-1（b）中，可以發(fā)現(xiàn)，在三軸試驗中，對于密砂或強(qiáng)超固結(jié)粘土偏差應(yīng)力田一免增加引起了軸應(yīng)變S1的增加，但除開始時少量體積壓縮（正體應(yīng)變）夕卜，發(fā)生明顯的體脹（負(fù)體應(yīng)變）

4、。由于在常規(guī)三軸壓縮試驗中，平均主應(yīng)力增量？P=1/3（0-03）在加載過程中總是正的，不可能是體積的彈性回彈，因而這種體應(yīng)變只能是由剪應(yīng)力引起的，被稱為剪脹性（Dilatancy）。廣義的剪脹性指剪切引起的體積變化，包括體脹，也包括體縮。后者也常被稱為剪縮”。土的剪脹性實質(zhì)上是由于剪應(yīng)力引起土顆粒間相互位置的變化，使其排列發(fā)生變化而使顆粒間的孔隙加大（或減?。?，從而發(fā)生了體積變化。1.4.3土體變形的彈塑性在加載后卸載到原應(yīng)力狀態(tài)時，土一般不會恢復(fù)到原來的應(yīng)變狀態(tài)。其中有部分應(yīng)變是可恢復(fù)的，部分應(yīng)變是不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變，并且后者往往占很大比例?？梢员硎緸椋?#163;=M+P（2.3.1）其

5、中軟示彈性應(yīng)變，占表示塑性應(yīng)變。圖2-3-3表示的承德中密砂（一種天然均勻細(xì)砂）在免=100kPa的三軸試驗結(jié)果。其中單調(diào)加載試驗曲線用虛線表示；循環(huán)加載試驗曲線用實線表示。可見每一次應(yīng)力循環(huán)都有可恢復(fù)的彈性應(yīng)變及不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變，亦即永久變形。對于結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)的原狀土，如很硬的粘土，可能在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，它的變形幾乎是彈性”的，只有到一定的應(yīng)力水平時，亦即達(dá)到屈服條件時，才會產(chǎn)生塑性變形。一般土在加載過程中彈性和塑性變形幾乎是同時發(fā)生的，沒有明顯的屈服點(diǎn)，所以亦稱為彈塑性材料。土在應(yīng)力循環(huán)過程中另一個特性是存在滯回圈，在圖2-3-3中卸載初期應(yīng)力應(yīng)變曲線陡降，減少到一定偏差應(yīng)力時，卸載曲線

6、變緩，再加載曲線開始陡而隨后變緩。這就形成一滯回圈，越接近破壞應(yīng)力時，這一現(xiàn)象越明顯。a：-3-3單調(diào)fin她與整環(huán)就爭三曲試聯(lián)曲嵯在圖2-3-3中另一個值得注意的現(xiàn)象是卸載時試樣發(fā)生體縮。由于卸載時平均主應(yīng)力p是減少的，這種卸載體縮顯然無法用彈性理論解釋。人們認(rèn)為這主要源于土的剪脹變形的可恢復(fù)性和加載引起土結(jié)構(gòu)的變化?？傊?，即使是在同一應(yīng)力路徑上的卸載一一再加載過程，土的變形也并非是完全彈性的。但一般情況下，近似認(rèn)為是彈性變形。1.4.4土應(yīng)力應(yīng)變的各向異性所謂各向異性是指在不同方向上材料的物理力學(xué)性質(zhì)不同。由于土在沉積過程中，長寬比大于1的針、片、棒狀顆粒在重力作用下傾向于水平方向排列而處

7、于穩(wěn)定的狀態(tài)；另外，在隨后的固結(jié)過程中，豎向的上覆土體重力產(chǎn)生的豎向應(yīng)力與水平土壓力產(chǎn)生的水平應(yīng)力大小是不等的，這種不等向固結(jié)也會產(chǎn)生土的各向異性。土的各向異性主要表現(xiàn)為橫向各向同性，亦即在水平面各個方向的性質(zhì)大體上是相同的，而豎向與橫向性質(zhì)不同。土的各向異性可分為初始各向異性(Inherentanisotropy)和誘發(fā)各向異性(Inducedanisotropy)。天然沉積和固結(jié)造成的各向異性可歸入初始各向異性之列。在室內(nèi)重力場中，各種制樣過程也會使土試樣具有不同程度的初始各向異性。檢驗初始各向異性的最簡單的試驗是等向壓縮試驗。在對土樣進(jìn)行等向壓縮試驗時，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)軸向應(yīng)變小于1/3體應(yīng)變，

8、即客=(0.170.22)Ve這表明豎直方向比水平方向的壓縮性小。圖2-3-4是用自由下落的小玻璃珠制成模擬上”試樣在各向等壓試驗中的結(jié)果。其中x=粉2.2況§為豎直方向的應(yīng)變，衍5.4ze這種各向異性是由于小玻璃珠在不同方向的排列不同引起的。5W也玻堆珠模扣立方怖“砂土”試樣的備向誓壓試摧圖2-3-5表示的是砂土的試驗結(jié)果。試樣是在空氣中用撒砂雨的方法制成的立方體三軸試樣，用立方體真三軸儀進(jìn)行的常規(guī)三軸壓縮試驗。豎直方向大主應(yīng)力與砂土的沉積面(圖中陰影線表示)成夾角0,0=90°表示的是常規(guī)方法制樣試驗情況，即大主應(yīng)力舊與沉積面垂直。從圖可見不同方向試驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線是不

9、同的。從圖中可見，對于0=90°和A40°的試驗可以用一條曲線表示，X30°和0=20。的試驗結(jié)果也可以用一條曲線表示，而X0°用單獨(dú)一條曲線表示，最上部曲線是用常制樣(0=90°)和常規(guī)三軸儀進(jìn)行的常規(guī)三軸試驗結(jié)果。在X20°和X40°的試驗中，實測的兩個橫向應(yīng)變電與？3不等的，3>2(a)方向布。(b)不同9的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系HI【線圖2-3-5砂土的各向異性所謂誘發(fā)各向異性是指土顆粒受到一定的應(yīng)力發(fā)生應(yīng)變后，將發(fā)生空間位置的變化，從而改變了土的空間結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的變化對于土進(jìn)一步加載的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系將產(chǎn)生影響，并且不同

10、于初始加載時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。圖2-3-6表示的正常固結(jié)粘土的一種三軸試驗：一*應(yīng)力或地應(yīng)變埒量圖2-3-6正常固結(jié)粘土不同應(yīng)力增毋方向的試驗首先試樣被等比固結(jié)到曰（01-（3）/2=14.2kPa和嚀（q+饑/2=90kPa,然后在五個方向施加相同的應(yīng)力增量，量測相應(yīng)的應(yīng)變增量?？梢姴煌较驊?yīng)力增量引起的應(yīng)變增量方向和大小都不同，其中初始不等向固結(jié)所引起的各向異性是主要原因。例如對于沿原應(yīng)力路徑加載產(chǎn)生的應(yīng)變路徑與原固結(jié)的應(yīng)力路徑完全一致，而其他應(yīng)力路徑則不然。上述例子都是室內(nèi)制樣的情況，原狀天然土的各向異性往往更強(qiáng)烈，也比較復(fù)雜。原狀土的各向異性常常是其結(jié)構(gòu)性的一個方面的表現(xiàn)。1.4.5土的

11、結(jié)構(gòu)性土是由分散的顆粒組成的。土的強(qiáng)度、滲透性和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性是由這些顆粒的礦物、大小、形狀，顆粒間的排列和粒間的作用力決定的。所謂土的組構(gòu)（fabric）通常是指顆粒、粒組和孔隙空間的幾何排列方式；而土的結(jié)構(gòu)（structure）則更傾向于用來表示土的組成成分、空間排列和粒間作用力的綜合特性。所謂土的結(jié)構(gòu)性就是由于土顆粒的空間排列集合及土中各相間和顆粒間的作用力造成的力學(xué)特性。結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱表示土的結(jié)構(gòu)對于其力學(xué)性質(zhì)（強(qiáng)度、滲透及變形性質(zhì)）影響的強(qiáng)烈程度。由于在實驗室和野外土都不可避免地處于地球的重力場中，不可能達(dá)到完全隨機(jī)的排列及顆粒間相互完全獨(dú)立無聯(lián)系，如室內(nèi)制樣的方法、程序和環(huán)境，在天

12、然情況下土的生成、搬運(yùn)、沉積、固結(jié)及在千萬年地質(zhì)歷史中所受到的各種變故等。因而不管是原狀土還是室內(nèi)重塑土總是表現(xiàn)出不同的或特有的結(jié)構(gòu)性。一般講原狀土比重塑土表現(xiàn)出更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，這是由于它在漫長的沉積過程及隨后的各種地質(zhì)作用過程中，使土粒間排列和各種作用力表現(xiàn)特有的形式和作用。在粘性土中，敏感性指標(biāo)（靈敏度）是反映粘土結(jié)構(gòu)性的重要指標(biāo)。原狀粘土與重塑土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比稱為靈敏度。圖2-8-10為在側(cè)限壓縮試驗中，正常固結(jié)的原狀土與重塑土的試驗結(jié)果。可見在在一定的壓力范圍內(nèi)二者有明顯的差別，超過一定的壓力以后，兩曲線趨于平行。走力Q.xIDOkPa圖28-10結(jié)構(gòu)性土的壓縮曲統(tǒng)在圖2-8-11

13、中表示了在比最優(yōu)含水量更濕的情況下，用靜壓法和揉擠法制成壓實土樣的無側(cè)限壓縮試驗結(jié)果。由于靜壓法制樣形成更強(qiáng)的凝絮結(jié)構(gòu)，而揉擠則破壞了顆粒間的聯(lián)系及結(jié)構(gòu)性，二者的應(yīng)力應(yīng)變及強(qiáng)度相差很大。干密度(lb/Fta)含水量土兩種制樣方法b.無側(cè)眼壓縮試驗圖2*S-ll制樣方法對壓實粘土的無側(cè)限壓編試騙強(qiáng)度的影響圖2-8-12表示的是一種舊金山海濱淤泥土的原狀土與擾動土的不排水試驗結(jié)果。首先將原狀土樣從地層中取出放在三軸壓力室中，施加圍壓p=80kPa(不固結(jié))以平衡原位應(yīng)力。然后進(jìn)行不排水試驗直到破壞。然后拆開三軸壓力室，取出試樣，在橡皮膜中就地進(jìn)行重塑，再重裝壓力室，仍然施加80kPa圍壓(不固結(jié))

14、，再加軸向荷載，得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線和孔壓關(guān)系見圖2-8-12(a),這種試驗分別進(jìn)行了兩組?？梢妰煞N土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相差極大。對兩組試樣，由不排水強(qiáng)度計算的敏感度分別為4.5和3.1。這種差別主要是由于二者的有效應(yīng)力不同。由于擾動土的結(jié)構(gòu)破壞，使試樣內(nèi)超靜孔壓大大增加，有效應(yīng)力降低。二者的有效應(yīng)力路徑見圖2-8-12(b)。_E務(wù)J?5總點(diǎn)耍若J3兼向應(yīng)變，明101V,UndrMubBdstmjgfy=.0UfKWrfbrtwg.嘩dkRnrakrtd融向應(yīng)變。商i陣力成斐關(guān)系的線廿§53-占冬誤曩宅b.盡應(yīng)力席稅和有效做力路岐圖2=8-12重塑與原狀七的不排水試驗以往在土力學(xué)中研究

15、建立的理論及模型基本是建立在對重塑土試驗的基礎(chǔ)上，因而對于土的結(jié)構(gòu)性的考慮是不夠的。在自然界和工程實踐中，大量存在和涉及的是原狀土，因而考慮土的結(jié)構(gòu)性對土的力學(xué)性質(zhì)的影響是一個重要的課題。所謂的特殊土或區(qū)域性土往往具有更強(qiáng)烈或特殊的結(jié)構(gòu)性。土的結(jié)構(gòu)性對土的應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度的影響，以及土的結(jié)構(gòu)性破壞后應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度性質(zhì)的變化是土力學(xué)理論和實踐中一個重要研究領(lǐng)域。1.4.6土的流變性粘性土的應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度關(guān)系受時間的影響，這包括兩個方面：一是基于有效應(yīng)力原理的孔壓消散和土體固結(jié)，二是土的流變性的影響。與土的流變性有關(guān)的現(xiàn)象是土的蠕變與應(yīng)力松弛。所謂蠕變是指在應(yīng)力狀態(tài)不變的條件下，應(yīng)變隨時間逐漸增長的現(xiàn)象；

16、應(yīng)力松弛是指維持應(yīng)變不變，材料內(nèi)的應(yīng)力隨時間逐漸減小的現(xiàn)象。圖2-3-8表示土的蠕變和應(yīng)力松弛的現(xiàn)象。£ts虱跚變,耕始13中利段|第三段蝶受施巍二CrwpRuplurinr1h一應(yīng)力松弛圖2-3書粘E的蜻變與應(yīng)力松弛在圖2-3-8（a）中，在某一常應(yīng)力作用下，土的應(yīng)變不斷增加，但當(dāng)這個應(yīng)力值較小時，如圖中（s-C3）1和（0-C3）2,試樣變形逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)這個常應(yīng)力較大時，則應(yīng)變量會在相對穩(wěn)定之后又突然加快，最后達(dá)到蠕變破壞。這種蠕變強(qiáng)度低于常規(guī)試驗的強(qiáng)度，有時只有后者的50%左右。粘性土的蠕變性隨著其塑性、活動性和含水量的增加而加劇。在側(cè)限壓縮條件下，由于土的流變性而發(fā)生的壓

17、縮稱為次固結(jié)，長期的次固結(jié)可以使土體不斷加密而使正常固結(jié)土呈現(xiàn)出超固結(jié)土的特性，被稱為似超固結(jié)土或老粘土”。除了粘性土的流變性以外，近年來也發(fā)現(xiàn)一些高面板堆石壩的堆石體也隨著時間不斷發(fā)生變形，受到很大關(guān)注。這可能與巖石及堆石塊體之間的流變性有關(guān)。1.4.7影響土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的應(yīng)力條件1.應(yīng)力水平所謂應(yīng)力水平一般有兩層含義：一是指圍壓的絕對值的大小；二是指應(yīng)力（常為剪應(yīng)力）與破壞值之比，即S=q/qf。這里應(yīng)力水平是指圍壓。圖2-3-9表示了承德中密砂在不同圍壓下的三軸試驗曲線。芯M3一也=也也6i±rMPk4圖2-3-9承德中密砂在不同用壓下的三軸試驗曲線可見隨著宙增加，砂土的強(qiáng)度和

18、剛度都明顯提高，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線形狀也有變化。在很高圍壓下，即使很密實的土，也與松砂（見圖2-3-1）的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線相似：沒有剪脹性和應(yīng)變軟化現(xiàn)象。應(yīng)當(dāng)指出土的抗剪強(qiáng)度f或qf隨著正應(yīng)力（或圍壓03增加而升高，但破壞時的應(yīng)力比，或者砂土的內(nèi)摩擦角？，貝U常常隨著圍壓的增加而降低。土的變形模量隨著圍壓而提高的現(xiàn)象，也稱為土的壓硬性。由于土是由碎散的顆粒所組成，所以圍壓所提供的約束對于其強(qiáng)度和剛度是至關(guān)重要的。這也是土區(qū)別于其他材料的重要特性之一。簡布（Janb3在1963年用下式表示土在三軸試驗中初始模量Ei與圍壓宙之間的關(guān)系：牛?。ǜ?quot;（2舞）其中K與n為試驗常數(shù)。Pa為大氣壓，與e量綱相同。這個公式后來為許多本構(gòu)模型所應(yīng)用。2.應(yīng)力路徑圖2-3-10表示了不同應(yīng)力路徑的三軸試驗的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。可見它們受應(yīng)力路徑的影響很明顯。圖2-3-10表示的是蒙特雷（Monterey）松砂的兩種應(yīng)力路徑的三軸試驗。它們的起點(diǎn)A和終點(diǎn)B都相同，但路徑1是從A-1-B;路徑2是A-2-B。從圖2-3-10(a)可見路徑1發(fā)生了較大的軸向應(yīng)變。這是由于點(diǎn)1的應(yīng)力比高于點(diǎn)B,更接近于破壞線，這就產(chǎn)生較大的軸向應(yīng)變。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線應(yīng)力路徑Uj2-3-10松砂在不同域力路