土体应力

中性应力和有效应力

土是一种以固体颗粒为骨架的有孔物质，孔隙中部分地或全部充满着水，水不能承受剪应力，但能承受正应力，所以饱和土体中某平面上由荷载引起的剪应力只能由土骨架承受，而正应力则可能由土骨架和孔隙水共同承受。由于正应力中由孔隙水传递的那一部分只能对土粒四周或不透水边界加压，并不能使土骨架受力和产生体积压缩，也不直接影响土的抗剪强度，土的压缩和强度实际上是受土骨架传递的那一部分正应力所控制，所以土力学中常将由孔隙水传递的正应力部分，称为中性应力(u),而将由土骨架传递的正应力部分，称为有效应力(σ′),两者的代数和称总应力（σ）。为了确定实际控制土的力学效应的有效应力，需先确定被考虑平面上的总应力，然后按照该平面上孔隙水的受力条件确定中性应力（包括静水压力和可引起水流动的超静水压力）， 有效应力就可用代数式σ′=σ-u计算。

自重应力和初始应力

在研究自重应力时，通常把天然地面下的土体理想化成为一个以水平面为边界的、水平向均质同性的半空间体，土层分界面也被假定成水平面。这样的土体在水平面和垂直平面上都不会由于自重产生剪应力,所以这些面都是主平面,它的自重应力状态就可用三个主应力表示（见图）。对正常压密的土层，距地面深度h处的垂直总应力为σ1=∑γihi，式中hi和γi分别为第i层土的厚度和容量。与σ1相应的有效应力σí=σ－u。当孔隙水处于或接近于静止状态时，在地下水位处u=0；在地下水位以下某一深度z处u=γwz;在地下水位以上的毛细水饱和区中的某一高度z′处u=－γwz′，式中γw为孔隙水容重。 距地面h深度处的水平有效应力则可表为σ姟=σ岉=K0σí,式中K0为计算点所在土层的静止侧压力系数，可通过试验或按经验公式估计，其值一般小于 1。如果现地面是经过地质剥蚀后遗留下来的，或者所考虑的土层曾受过其他的超压密作用,则K0可能大于1。这样求得的σ1、σ2和σ3就代表天然土层中一点的应力状态。

在将土当成线性变形体的假定前提下，均质各向同性半无限空间土体中，任意一点由外加荷载引起的附加应力，可用弹性力学中对界面上有集中荷载作用的应力计算公式，按实际加载面积的几何形状和给定的接触压力分布形式通过积分求解。为了简化计算，在土力学教科书中都列有数值表可供查用。对条形基础和土堤等接近于平面变形问题中的附加应力，可用界面上有均布线荷载作用的计算公式，通过相应的积分求解。至于接触应力则是一个牵涉到土与建筑物相互作用的复杂问题。刚性基础底面的接触压力通常按线性分布的假定用简化的静力平衡分析法求解。复杂情况下的土体应力可用数值分析法求解。2100433B

受荷载的土体中各点的所有不同方向的平面上的应力都是不相同的，这种随着点的位置不同而呈现的应力变化，称为土体中的应力分布。而通过一点的所有平面上的应力的总体，则称为该点的应力状态。土体中一点的应力状态可以用通过该点的任意三个互相正交的平面上的三个法应力分量σx、σy、σz和三个独立的剪应力分量τxy、τyz、τzx完全确定;在已知三个主平面方向的条件下，也可用三个主应力 σ1、σ2和σ3完全确定；在近代土力学研究中，则常用八面体法应力σoct、八面体剪应力 τoct和罗台应力角θσ 表示。由于各种荷载通常都不是瞬时地施加的，所以土体中任何一点的应力状态都会随着加（卸）载的过程而变化，如果在主应力空间把加（卸）载过程中代表各不同时刻的应力状态的各点顺次地连接起来，这条连线就称应力路径。因绘制空间应力路径比较麻烦,所以常常把它绘在σoct－τoct平面或称p-q平面上。

利用三轴试验土样变形数字图像测量系统，开展基于局部变形测量结果的土体应力应变特性研究，与整体变形的测量结果对比分析，确定土样端部约束的影响范围、约束效应对土体应力应变特性的影响程度。选用经典非线性弹性模型和弹塑性模型，针对代表性土类开展应力应变特性研究，根据试验结果和模型的特点，对模型本身和模型参数整理方法进行改进使之更接近和如实反映土体应力应变特性。利用三轴土样图像测量局部变形和传统测量整体数据，分析泊松比的变化规律及取值对计算结果的影响，研究土体泊松比参数的试验方法和数值分析取值依据。从弹塑性模型出发，研究砂土材料在加卸载过程中的变形特性，分析颗粒破碎等物态变化对砂土应力应变影响，定量研究加载体胀和卸载体缩规律。 2100433B

平面应变仪主要功能

1.进行平面应变状态下的土样抗剪强度试验，研究不同应力状态对抗剪强度指标的影响。

2.开展平面应变条件下土体应力应变关系的研究，并对计算土体应力应变特性经常采用的数学模型（例如邓肯模型）在平面应变状态下的适用性作出评价。

3.在平面应变仪上同时实现对二对主应力组合的控制，开展应力路径对抗剪强度影响的研究。

4.利用所得的应力-应变-强度-时间关系（即SST关系），在八面体应力空间对土在平面应变状态下的本构关系进行研究。

平面应变仪可开展的试验项目

1.σ₁=σ₃情况下固结的不排水剪切试验

2.K₀固结条件下的主动不排水剪切试验

3.固结条件下的被动不排水剪切试验

4. σ₁=σ₃情况下的固结排水剪切试验

5. K₀固结条件下的主动排水剪切试验

6. K₀固结条件下的被动排水剪切试验

7.应力路径对抗剪强度影响的试验