土與結(jié)構(gòu)

1、,土與結(jié)構(gòu),,土的工程分類,1、首先按土的粒長分為巨粒土、粗粒土、細(xì)粒土和特殊土四個大組。 2、對于中粗粒土和細(xì)粒土根據(jù)土的粒度成分、土的塑性指數(shù)及液限進(jìn)一步劃分。,11地基與結(jié)構(gòu)的非線性特征和共同作用,土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系土的變形特征和本構(gòu)模型鋼筋混凝土的材料變形性質(zhì)的非線性特征地基土與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的非線性共同作用和反演分析理論,11.1 概述,應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系：亦稱本構(gòu)關(guān)系，是在整理分析試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出來的。在試驗基礎(chǔ)上

2、提出某種數(shù)學(xué)模型，把特定條件下的試驗結(jié)果推廣到一般情況，這種數(shù)學(xué)模型就叫做本構(gòu)模型 。,彈性變形、塑性變形,一般情況下巖土類介質(zhì)在應(yīng)力超過一定限度（彈性極限或稱屈服應(yīng)力）后，其變形在卸載后有一部分變形可恢復(fù)，另一部分變形是不可恢復(fù)的，前者稱可逆變形或彈性變形，后者一般稱為不可逆變形或是塑性變形。,,傳統(tǒng)的彈性理論是基于金屬材料的變形機(jī)制發(fā)展起來的 。巖土的變形性態(tài)不完全等同于金屬材料，土有別于金屬和混凝土等連續(xù)的統(tǒng)一體固體材料，需要研

3、究巖土彈塑性狀態(tài)下特有的屬性。,應(yīng)力與應(yīng)變,應(yīng)力球張量和應(yīng)力偏張量 I1 J1 J2,共同作用分析,結(jié)構(gòu)物的重量由土的支承力和地下水的浮力來平衡，即通常所說的靜力平衡。上部結(jié)構(gòu)與其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和支承介質(zhì)地基土組成靜力平衡體系，這三部分是彼此不可分離的整體，每一部分的工作性狀都是三者共同作用的結(jié)果。,11.3 土的本構(gòu)模型,11.3.1 土的變形特性三軸壓縮試驗：真三軸，常規(guī)三軸1）非線性和彈塑性,

4、土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 (a) 硬化型 (b) 軟化型,,土體具有的剪縮和剪脹特征統(tǒng)稱剪脹性 。對于軟土和松砂，剪應(yīng)力引起土體壓縮，稱為剪縮；對于密實粘土和緊砂，剪應(yīng)力引起土體膨脹，稱為剪脹 。,砂土的剪脹性,正常固結(jié)粘土與松砂應(yīng)力－應(yīng)變雙曲線,超固結(jié)粘土或密實砂,2）應(yīng)力路徑和應(yīng)力歷史的影響,應(yīng)力路徑是指應(yīng)力空間中代表應(yīng)力狀態(tài)點在加載時移動的軌跡。不同的應(yīng)力路徑代表不同的加荷方式。 應(yīng)力歷史即指歷史上的應(yīng)力路徑，也影響著土體今后的變

5、形。,3）中主應(yīng)力的影響,中主應(yīng)力σ2對土體變形有影響 。,4）固結(jié)壓力的影響,在土體的三軸試驗中，大幅度地改變固結(jié)壓力σ3將發(fā)現(xiàn)其（σ1-σ3）~εa和εa~εv曲線的特征有所不同。 統(tǒng)統(tǒng)表現(xiàn)出剪縮和硬化現(xiàn)象。,三軸壓縮試驗：常規(guī)三軸,5）各向異性,地基土的各向異性分原生和再生兩種。原生各向異性是由于地基土水平向成層，水平和豎向土的結(jié)構(gòu)有差異，導(dǎo)致土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和滲透性的各向異性。再生各向異性是土體各向應(yīng)力狀態(tài)不同引起的新的

6、各向異性。,6）流變性,具有彈性、塑性和粘滯性的粘彈塑性體。土體的應(yīng)變和強(qiáng)度除與有效應(yīng)力有關(guān)外，還受到時間的影響，這種特征稱為土的流變性質(zhì)。,11.3.2 彈性非線性模型,1.Duncan-chang模型；Duncan等人利用常規(guī)三軸壓縮試驗所得的一組試驗曲線，找出其共同數(shù)學(xué)公式，從這一數(shù)學(xué)公式導(dǎo)出切線彈性模量Et的變化公式：,,,,第一類是以彈性模量和泊松比兩個常數(shù)表達(dá)，稱作 非線性彈性模型；第二類稱作

7、 非線性模型,,國內(nèi)外廣泛采用，既適用于粘性土，也適用于砂土，但不適應(yīng)于密砂，超固結(jié)土。主要優(yōu)點：可以利用常規(guī)三軸剪切實驗所確定的計算參數(shù)。局限性：非線性彈性模型一般只適用于荷載不太大的條件，不太接近破壞的條件。 此模型應(yīng)用單一剪切試驗結(jié)果進(jìn)行全部應(yīng)力應(yīng)變分析，均根據(jù)圍壓為常量的試驗結(jié)果推算，因此它適應(yīng)于土體的穩(wěn)定分析為主的工程。Duncan-chang模型沒有考慮剪脹性和應(yīng)力路徑問題,11.3.3 彈塑性模型

8、,彈塑性模型把總應(yīng)變分為彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變兩部分 。LADE-DANCAN模型，清華大學(xué)的模型。從能量公式出發(fā)，推導(dǎo)其屈服函數(shù)，并選出加工硬化定律，從而建立應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如著名劍橋模型。,11.4 地基土與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的非線性共同作用,對地基土和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料（鋼筋混凝土）分別采用前述的非線性本構(gòu)關(guān)系，用荷載增量法，即可按共同作用方程進(jìn)行非線性共同作用分析。 對每級荷載建立平衡方程，地基土和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度系按上一級荷載施加后累計的應(yīng)力水

9、平來確定。,（1）地基上的有限大板,,考慮基礎(chǔ)材料的非線性可大大提高承載能力的估計值。,（2）地基上的無限大板,,(3)空間問題的試驗驗證,地基與基礎(chǔ)不同非線性組合下共同作用的結(jié)果,①板為線彈性，地基土亦為線彈性；②板為非線性彈性，地基土仍為線彈性；③板為線彈性，地基土為非線性彈性。④板和地基土均為非線性彈性。,,剛性板:地基土的非線性對基底反力和板內(nèi)力的分布形式與數(shù)值大小起著決定性的影響。柔性板:決定反力和內(nèi)力分布形式與大小的

10、主要因素是鋼筋混凝土的非線性，而地基土的非線性所起作用相比較而言就很小。,不同非線性組合下基礎(chǔ)板計算結(jié)果,11.5 地下工程反分析,首先建立問題的力學(xué)模型，然后根據(jù)介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)、受力狀態(tài)和邊界條件以及施工條件，求出巖土體的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等物理量，這一過程稱之為正分析。從結(jié)果反過來尋求巖土體的本構(gòu)模型和相應(yīng)的計算參數(shù)的過程與正分析正好相反，稱之為反分析。位移為依據(jù)的位移反分析法為巖土工程反分析中應(yīng)用最為廣泛的方法。,,位移反分析法可