土的临界状态模型及其性质(修改)

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1、土的临界状态模型及其性质6.0引言到目前为止，土的性质已经可以用单个图形来描述。该书第二章讲述了土的物理性质，第三章讲述了有效应力与应力路径，第四章讨论了土的一维固结，第五章讨论了土的剪切强度。很明显，土在高应力状态下固结，其剪切强度将会增大。增量的大小取决于土的种类、加载条件（排水或不排水）以及应力路径等。因此，应将那些单个的图形联系在一起进行分析。在本章中，将讨论如何将它们联系在一起。我们把这些单个的图形反映到一个图中去，然后用它来解释并分析土的性质。这里主要是将固结与剪切强度建立在一起，实际中的土需要用一个很复杂的图去描述。不仅因为土是一

2、种天然复杂的材料；而且荷载与加载路径没有设想的那样精确。这里将通过该图提供的简单框架来描述，解释和预测土体对各种加载的反应。此框架是建立在临界状态土体上的一个理论模型－临界状态模型（Shofield,Worth1968）。实验和现场的数据，尤其是从正常固结的软粘土得到的，对临界状态模型的发展起到了推动作用。这章的重点在于如何通过临界状态模型来解释土的特性，但不是推导数学公式。将要讨论的临界状态模型（CSM）是对土的性质的一个简化，从而达到理想化。但CSM描述的土的性质对于岩土工程师来说仍然是非常重要的。CSM模型的核心问题是所有的土将在（q,

3、p’,e）空间中唯一的破坏面上破坏，这样，CSM包含了破坏准则中的体积变化，该准则并不象莫尔库仑破坏准则那样仅说明了达到最大应力比时的破坏。由CSM知，破坏时的应力状态对于所确保的破坏并不够，土的结构一定要足够松散。当你无法用足够的实验来说明土的性质，或者必需预测建设中与工后土随加载变化的性质时，可以采用CSM来估计。尽管CSM在实际应用方面存在争论，但它的理论基础很简单，对于土的特性研究，特别是在“如果…那么…”的假设前提下，它是非常有用的。通过这章对CSM的学习，虽然它是一个简化了的准则，但有助于我们更好的理解土的其它模型。学完这一章你应该

4、能够了解：l估计土的破坏应力l估计破坏时的应变l根据从简单的实验得到的一些参数来预测土的应力－应变特性l预测当作用在土体上的荷载发生改变时土的破坏状态学习该章节时，可能要用到第二～五章中的知识，尤其是：l指数特性（第二章）l有效应力，应力变量以及应力路径（第三章）l基本的固结（第四章）l剪切强度（第五章）土样实际情况某油罐建于冲积软粘土上，要求事先对该粘土用一圆形堤加载，施加的荷载至少与油罐加满油时产生的总应力相等，砂土排水加速了固结的过程。油罐的基础是圆形的混凝土板，预先加载的目的是减少基础的总沉降。此时，应该告知业主怎样加满油罐才不会发生过

5、早的破坏。预加载后，业主往往会要求增加油罐的高度，这就需要判断土是否有足够的剪切强度来承担油罐高度增加引起的额外荷载，以及是否能达到预计的沉降数目，业主并不想再花钱做试验。6.1重要定义超固结比（R0）先期固结压力与现有固结压力的比值（R0＝p’c/p’o,其中p’c指先期最大的名义有效应力，p’o指现有的名义有效应力）。受压指数（l）在空隙比相对名义有效应力的自然对数坐标系中，正常固结线的斜率。卸载/加载指数或者重复受压指数（k）在空隙比相对名义有效应力的自然对数坐标系中，加载/卸载曲线的斜率平均值。临界状态线（CSL）代表了土的破坏状态。在

6、（q,p’）空间中，临界状态线的斜率为M,它与土在临界状态时的摩擦角有关。在（e,lnp）空间中，临界状态线的斜率为l,平行于正常固结线。在（q,p’,e）三维空间中，临界状态线变成了临界状态面。6.2指导学习的一些问题1.何谓土体的屈服2.土体的屈服与破坏的区别3.影响土体的屈服与破坏的参数4.破坏应力是否决定于固结压力5.何谓临界状态参数以及怎样根据土体的试验来确定6.在土体的破坏中，应变是否重要7.不同应力路径下，土体的应力－应变差异6.3基本概念6.3.1参数图形在临界状态的基本法概念中，我们将采用应力应变不变量作一些图，讨论轴对称加载

7、时的饱和土。这些概念和方法适用于任何加载情形。这里不仅作出了t~s’n、t~s’z图形，还作出了q~p’图形（见图6.1a）。这意味着必须知道作用在单元上的主应力。对于对称（三轴）的情形，只要知道两个主应力。在（t~s’z）空间中，斜率为f’cs=tan-1[tcs/(s’z)f]的莫尔－库仑破坏线，若在（q,p’）空间中，斜率变为M=qf/p’f,其中f代表破坏。类似的，用e~p’坐标代替e~s’z坐标（见图6.1b）；用e~p’坐标代替e~logs’z坐标（见图6.1c）；将e~lnp’空间中正常固结线斜率记为l，卸载加载线斜率记为k。那么

8、就能得到f’cs与M，Cc与l，Cr与k关系。正常固结线（NCL）斜率l与加载/卸载线（UCR）斜率k分别为（6.1）（6.2）受压时l与k均为正，对