孔隙壓力、有效應力和排水

1、第六章第六章孔隙壓力、有效應力和排水孔隙壓力、有效應力和排水6.1引言引言通常所說的土是由固體顆粒和水兩部分組成的，基礎或擋墻上的荷載包含土顆粒和孔隙水上面的應力兩部分。在沒有土顆粒的船體外表面，法向應力就等于水壓力；而在沒有水的裝有糖的盆底，應力就等于所裝的糖的重量。問題就是土顆粒應力和孔隙水壓力的哪種組合決定著土的性質(zhì)。要研究這個問題，我們首先研究地基中的應力和水壓力。6.2地基中的應力地基中的應力在地基中，某一深度的豎向應力是由上

2、面的一切東西的重量產(chǎn)生的——土顆粒、水和基礎，所以應力隨著深度的增加而增大。圖6.1(a)中的豎向應力為：(6.1)zz???其中為土的容重（見5.5節(jié)）。如果地基在水平面以下或者在湖底、海底的話（如圖?6.1(b)所示），豎向應力計算公式就變?yōu)椋?6.2)wwzzz?????如果在基礎或路堤表面有荷載作用的話（如圖6.1(c)所示），那么豎向應力計算公式q就變?yōu)椋?6.3)qzz????這里面的是單位體積的土顆粒和水重量之和。因為是由

3、土體的總重量產(chǎn)生的，所?z?以成為總應力。注意，圖6.1(b)中所示的湖中的水把總應力作用在底部同玻璃杯中的水把總應力作用在杯底的方式相同。土顆粒的重度變化不大，一般來講，飽和土的，干土的，水的。320mkN??316mkN??310mkN??同時也有水平向的總應力，但是在和之間沒有簡單的關系。在以后的章節(jié)h?z?h?我們會對水平向的應力進行研究。6.3地下水和孔隙水壓力地下水和孔隙水壓力飽和土的孔隙水中存在的壓力叫做孔隙水壓力。在豎管

4、中經(jīng)常用來簡單地代替，uwh最應該注意的一點就是飽和土中也可能產(chǎn)生負的孔隙水壓力。這就暗示了水承受了張力，地下水位面以上的土體中的水像毛細試管中的水那樣上升。地下水位面上面飽和區(qū)域的高度主要取決于土顆粒的尺寸，更多的取決于孔隙的尺寸：土顆粒和孔隙越小，有負孔隙水壓力的飽和土區(qū)域的高度就越大，飽和區(qū)域頂部和負孔隙水壓力就越大。在干土和飽和土之間存在著非飽和土，包括土顆粒、水和氣，一般是空氣或者水蒸氣。在這部分，孔隙中的水壓和氣壓是不同的，

5、孔隙水的引力如圖6.3所示那樣增加或減小。目前針對非飽和土還沒有簡單并且令人滿意的理論，所以這本書中只研究干土和飽和土。因為實際的邊坡、基礎、擋土墻和其它重要的土木工程建筑中，土通常是飽和的，至少在溫和的或潮濕的氣候條件下是飽和的。而只有在非常接近地表的土、密室土和干燥炎熱的氣候條件下的土中才可能存在非飽和土。6.4有效應力有效應力由基礎荷載或邊坡開挖所產(chǎn)生的總應力可能會導致地面出現(xiàn)移動和失穩(wěn)現(xiàn)象，這是顯而易見的。但是由于孔隙水壓力的變

6、化而導致地面出現(xiàn)移動和失穩(wěn)現(xiàn)象，這可能是不明顯的。例如，穩(wěn)定的邊坡可能在暴風雨后發(fā)生破壞，因為水的抽出導致地面出現(xiàn)沉降，從而地下水位降低，下雨天雨水入滲，孔隙水壓力升高（如果有人告訴你雨后發(fā)生滑坡是因為雨水對土的潤滑作用的話，你就問問他，沙丘里的潮濕砂子的強度為什么比干燥砂土的要大）。如果土的壓縮和強度是隨總應力或孔隙水壓力的變化而變化的話，就說明土的性質(zhì)很可能和和的組合有關。這種組合應該稱為有效應力，因為它對于決定土的性質(zhì)是有效?u的

7、。太沙基（1936）首先揭示了總應力、有效應力和孔隙水壓力之間的關系。他是這樣定義有效應力的：所有能夠測量到的由應力變化產(chǎn)生的效果，如壓縮、扭曲變形、剪切阻力，主要是因為有效應力的變化而導致的。有效應力和總應力以及孔隙水壓力之間的關系為：?。u????圖6.4是在同一個坐標系下繪制的有效應力和總應力的摩爾應力圓。因為、u??11??，所以兩個圓的直徑是相等。點和代表同一平面上的總應力和有效應力，u??33??TE顯然，總剪應力和有效剪應