<progress id="s1cjy"></progress>
<optgroup id="s1cjy"></optgroup>

<progress id="s1cjy"></progress>
<var id="s1cjy"><b id="s1cjy"><sub id="s1cjy"></sub></b></var>
  • <strong id="s1cjy"><tbody id="s1cjy"></tbody></strong>
  • <menu id="s1cjy"><div id="s1cjy"><ruby id="s1cjy"></ruby></div></menu>
  • 軟土強度指標盲人摸象之三 “φ=0”法原理及總強度

    2022-10-02 22:07  來源:巖土網  閱讀:137
    目前的大多收教材以及文獻對“φ=0 法”力學原理以及總強度的概念的介紹并不充分。本文在 Green 和 Marcuson(2014)工作的基礎上進一步點梳理總應力分析法的力學原理,澄清國內工程界對“φ=0 法”存在的一些誤解。

     

    對于滲透性低的飽和黏性土,由于剪切破壞時的超孔壓消散速度較慢,工程中主要關心的是不排水狀態下的抗剪強度以及穩定性問題,這一點已達成廣泛共識(Ladd,1991)[1]。由于破壞時的孔壓難以預估,限制了太沙基有效應力法的應用,因而軟土工程穩定性分析中通常采用總應力分析法。

    然而,工程應用中卻存在兩種體系。一種是我國特有的采用強度指標ccu、φcu的體系,以及由此衍生的“有效固結應力法”;另外一種是國際上廣泛采用的基于總強度Su以及強度比Su/σv’(其中Su為總強度或不排水抗剪強度,σv’為豎向有效固結應力)的總應力分析法,又被稱為“φ=0法”。國內廣泛采用三軸強度指標ccu、φcu作為飽和軟黏土的強度設計指標始于上世紀八十年代,目前廣泛出現在國內巖土工程領域的各類規范、著作以及教科書中,涉及邊坡穩定、土壓力分析、地基承載力分析等領域,由此形成替代“φ=0法”的趨勢。從上世紀九十年代開始,國內對 “φ=0法”的討論一直沒有間斷過(魏汝龍,1995,1999;陳愈炯,1999;李廣信,2000;沈珠江,1998)[2-6]。在國際上,對“φ=0法”力學原理的介紹也較為匱乏。Green和Marcuson(2014)[7]收集了巖土工程方面的教材和著作,發現了現有教材以及文獻中存在的對“φ=0法”力學原理的介紹不足以及應用中存在的一些問題。

    對于軟土工程中采用的“φ=0法”力學原理的剖析,對于我國軟土工程設計體系的認識和發展具有重要的價值。鑒于此,筆者在Green和Marcuson(2014)工作的基礎上進一步點梳理總應力分析法的力學原理,澄清國內工程界對“φ=0法”存在的一些誤解。對于當前將三軸指標ccu、φcu作為庫倫強度指標直接應用于邊坡穩定、土壓力分析、地基承載力分析中所導致計算結果錯誤的詳細分析,將另文分解。

    2 φ=0分析法(或總強度法)與總強度的概念

    在外界荷載作用下,飽和黏性土也會產生不同程度的固結,造成強度的增長。強度增長的大小顯然與排水條件以及有效應力的增加有關。但在時間較短的剪切破壞過程中,試驗結果證實飽和黏性土的不排水抗剪強度Su主要與其含水量(或有效固結應力)有關,與剪切破壞時總應力的大小以及應力路徑無關(限于各向同性材料,這一點在上一篇文章中已經專門給與闡述)。既然破壞時總應力σ對飽和黏性土的不排水抗剪強度Su不會產生影響,總應力空間中的強度線就是一條水平的直線。如果采用庫倫摩擦定律描述,就屬于φ=0的非摩擦材料,這樣描述摩擦破壞的庫倫強度準則退化為:

                                   (1)

    對應的,表述連續介質剪切破壞的摩爾-庫倫準則就退化為Treasca準則:   

                          (2)        

    表達式中σ1、σ3均為總應力,Su為不排水抗剪強度,也被稱為總強度。式(1)和(2)所示的φ=0法給出了飽和黏性土不排水剪切破壞的總應力表達式,理論上是嚴謹的。這樣,只要給出總應力場的分布以及土的總強度Su,便可以判斷土體是否處于屈服狀態,進而給出塑性區的范圍以及穩定性的評價。邊值問題分析中的一些復雜因素的考慮,比如有效固結應力大小、初始固結狀態、應力歷史、剪切速率等因素的考慮,統一納入總強度Su的確定中。這樣,軟黏土不排水剪切破壞分析的關鍵就集中在總強度Su的合理確定,這也是上世紀國際上軟土工程研究的一個重要內容。國內工程界傾向于采用三軸UU試驗來確定總強度Su,這種方法存在以下個問題:(1)結果離散性大,易受取樣質量的影響;(2)一個土層往往只能提供一個總強度值,不適合厚度較大的土層,也不能反映總強度隨深度增大的規律;(3)無法考慮強度各向異性,且三軸壓縮剪切試驗給出的總強度偏高。國際上目前認為比較可靠的是采用靜力觸探試驗或十字板剪切試驗來獲得總強度Su。


    3 剪切破壞面方向—對φ=0法的質疑

    φ=0法,國內外長期存在一個爭議,即剪切破壞面方向。大量的研究成果證實,真實的破壞面接近45o+φ’/2φ’為有效內摩擦角)。φ=0法給出的材料破壞面的方向為45o,與有效應力法以及試驗結果給出的真實的破壞面方向顯然不一致(見圖1)。既然給出的破壞面是錯誤的,為何稱其是理論嚴謹的?另外,總強度確定的依據是什么?為什么要采用圖1中總應力圓定點a點對應的強度而不采用有效應力圓切點b或者其他點對應的強度?這也是國內一些文獻中對φ=0法(或總應力法)的最大質疑,并影響了這種方法的推廣。以文獻9(沈珠江,1998)[6]為例,原文中是這樣表述的:“與有效應力法相比,總應力法的缺點是明顯的。除了室內排水條件難以符合實際以外,式(9)中的三個公式還暗含著破壞面的位置因排水條件而不同…”。國際上同樣存在類似的認識上模糊的情況。Green和Marcuson(2014)[7]查閱了1930年以來60多年間出版的巖土工程經典教科書,得到的結果是“The view showed that most of the texts just state the φ=0 concept without putting it into proper theoretical or contextual perspective.”, 并列舉了一些錯誤應用φ=0分析法的例子。

    關于這個重要的質疑,需要從材料力學中摩擦材料剪切破壞的摩爾圓分析方法的原理予以澄清。φ=0分析法其實并不是土力學中特有的方法,而是材料力學中的摩爾圓分析法所演化出的一種分析材料剪切破壞的方法(Green和Marcuson,2014)。這一點在土力學著作與教材中的介紹并不充分,由此導致了對其力學原理的誤解。



    4 摩擦材料剪切破壞的摩爾圓分析方法

    破壞應力摩爾圓上的每一點給出了材料剪切破壞時不同斜截面上的正應力σnf與剪應力τf,其中庫倫破壞面是真實的破壞面,其角度為45o+φ/2。一個關鍵點是,應用摩爾圓分析材v料的極限狀態,其重點是破壞應力狀態(主應力σ1fσ3f)的正確解答,并不在于哪個斜截面是真正的剪切破壞面。因此,在摩爾圓分析中可以隨意假設破壞面的方向,但需要采用與假設破壞面應力狀態點的切線(強度線)所對應的內聚力和內摩擦角,然后再將這套參數代入摩爾-庫倫強度準則中進行極限狀態分析。采用這種方法,強度參數和剪切破壞面不唯一,但極限狀態的解答是唯一的。

    下面結合算例來具體說明這一原理。如圖2所示,一材料在最小主應力σ3=100kPa、最大主應力 σ1=170kPa時破壞,由此可以繪制出圖2所示的應力摩爾圓。過這個摩爾圓做兩條切線,一條與摩爾圓頂點(點1)相切,角度為0o,理論破壞面角度為45 o,對應的強度參數為c=35kPa、φ=0;另外一條切線過原點并與摩爾圓相切于點2,角度為150,對應的強度參數為c=0kPa、φ=150,理論破壞面角度為450+150/2 。假定破壞時最小主應力σ3=100kPa已知,求解破壞時最大主應力 σ1。將兩組參數(1)c=35kPa,φ=0(2)c=0kPa,φ=150分別代入摩爾-庫倫強度準則中(式2),可以得到σ3=100kPa 時的σ1均為170kPa。

    下面再考慮另外一種分析方法,即總強度分析法:采用總強度Su,不再區分內聚力和摩擦力。2中給出了三個點(點1、2、3)對應的總強度Su。注意這三個點代表三種典型的總強度取值:點1代表傳統的總強度定義;點2代表強度線與摩爾圓的切點;點3對應真正的破壞面,即庫倫破壞面。三個點對應的總強度Su分別為35kPa、33.8kPa和30.3kPa,對應的斜截面角度分別為450、450+150/2 和 450+300/2。根據圖2所給出分析模型,根據力平衡原理同樣可以得到σ3=100kPa 時的最大主應力 σ1均為170kPa。這個例子表明,在總強度分析中,總強度Su不一定要取點1(450斜面)所對應的破壞剪應力。

    從上述算例可以看出,對于摩擦材料的剪切破壞,盡管材料的庫倫破壞面及其對應的抗剪強度參數是唯一的,但采用摩爾圓進行極限平衡分析時的破壞面以及強度參數的選擇是靈活的,由此產生了相對較為簡單的φ=0分析法。因此,一個重要的原理就是在極限平衡分析中,破壞面并不一定必須取真實的破壞面。這一點對理解飽和黏性土的總強度Su的定義也很重要。如果總強度Su取破壞時偏應力的一半,那么破壞面的傾角必須為450。同樣的,如果總強度取為真實的庫倫破壞面上的剪應力,即圖2中的Su3,那么破壞面必須為庫倫破壞面(即角度為450+φ’/2)。根據一些文獻,這個原理在更為復雜邊值問題的分析中也是成立的。Hansen(1957)[8]給出了一些關于各向同性飽和黏性土地基的土壓力和地基承載力分析的例子,其中破壞面為庫倫破壞面(即與最大主應力作用面的夾角為450+φ’/2,φ’為有效內摩擦角),根據平衡方程和破壞準則推導給出了采用傳統總強度Su(破壞偏應力的一半)表示的土壓力以及地基承載力表達式。這些理論表達式均與當作無摩擦材料的φ=0法給出的結果完全相同,盡管兩種分析中采用了不同的破壞面形態。

    需要進一步指出,以上由破壞摩爾圓確定的某一斜截面上的總強度,并不等同于沿著這個斜截面真正發生破壞時的強度。因為材料破壞時,真正的破壞面是庫倫破壞面。對于各向同性材料,總強度的大小與剪切面的方向無關。因而在邊坡穩定性分析中,并不需要根據滑動面的方向采用不同的總強度,除非需要考慮K0固結土的各向異性。這也是在兩種情況下(一種是采用庫倫摩擦定律分析土體沿著某一滑裂面的破壞,一種是采用摩爾圓分析法分析單元體的破壞),確定總強度主要不同之處。



    5 總結

    (1)   φ=0法”基于的是軟土不排水抗剪強度與總應力路徑和大小無關的事實,即不排水剪切情況下總應力的變化并不會影響摩擦力的發揮。

    (2)   采用“φ=0法”進行極限平衡分析時,總強度Su需要與破壞面角度相一致。如果破壞面采用總應力場確定,破壞面的角度為450,那么總強度Su應取破壞時偏應力的一半,即(σ1f-σ3f)/2;如果破壞面采用有效應力場確定,破壞面的角度為450+/2,總強度Su應取庫倫破壞面對應的總強度,即 [(σ1f-σ3f)/2 ]cos(φ’)。

    (3)   φ=0法”給出的破壞面不一定是真實的,但得到的極限荷載的解答是真實的。

         

    [1] LADD C C. Stability Evaluation during Staged Construction[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1991, 117(4): 540-615.

    [2]魏汝龍. 總應力法計算土壓力的幾個問題[J]. 巖土工程學報, 1995,17(6):120.

     [3]魏汝龍.再論總應力法及水和土壓力——與陳愈炯教授商榷[J]. 巖土工程學報, 1999, 21 (4): 509-510.

     [4]陳愈炯, 溫彥鋒. 基坑支護結構上的水土壓力[J].巖土工程學報, 1999(2): 4-8.

     [5]李廣信. 基坑支護結構上水土壓力的分算與合算[J]. 巖土工程學報, 2000, 22(3): 348.

     [6]沈珠江. 軟土工程特性和軟土地基設計[J]. 巖土工程學報, 1998, 20(1): 100-111.

     [7] GREEN R A, MARCUSON I. The φ = 0 Concept: Review of its Theoretical Basis and Pragmatic Issues with Implementation[C]. Geo-Congress, 2014: 308-321.

    [8]HANSEN J B. A general plasticity theory for clay[J]. Geotechnique, 1957, 3(4): 154-164.


    (0)
    (1)

    我有話說

    全部評論(0)

    沙發空缺中,還不快搶~

    高彥斌

    高彥斌+加關注被關注:86訪問量:19816
    博士副教授
    TA的評論分類經驗心得(5)行業觀察(0)熱點解讀(0)巖土雜談(0)
    TA發表的最新評論
    軟土強度指標盲人摸象之四—現行規范中的一些問題
    選取規范以及教科書中的一些典型的“直接代入法”,通過算例對比這些“直接代
    閱讀(389)2022-10-03
    軟土強度指標盲人摸象之三 “φ=0”法原理及總強度
    目前的大多收教材以及文獻對“φ=0 法”力學原理以及總強度的概念的介紹并
    閱讀(136)2022-10-02
    軟土強度指標“盲人摸象”之二 —理論與指標(2)
    主要內容: (1)三軸CU指標φcu、直剪固結快剪指標φcq的力學本質
    閱讀(6386)2022-03-08
    最新關注TA的人86人關注
    lpy9964lpy9964LqintaoLqintao看星星的兔子李看星星的兔子李miracle918miracle918WHU_hongguangWHU_hongguangliyan7107liyan71071375851887713758518877togogotogogoaskij9737askij9737Rome123Rome12314110192851411019285breeze1988breeze1988chuntian34chuntian34czggczggttj123ttj12311192380981119238098nancy34nancy34connorconnorjieming2022jieming2022leiwangleiwang1786218722017862187220wang?1362789717wang?1362789717礦山生態修復礦山生態修復coin1122coin1122
    掃一掃,關注微信
    日日摸夜夜添夜夜添视频
    <progress id="s1cjy"></progress>
    <optgroup id="s1cjy"></optgroup>

    <progress id="s1cjy"></progress>
    <var id="s1cjy"><b id="s1cjy"><sub id="s1cjy"></sub></b></var>
  • <strong id="s1cjy"><tbody id="s1cjy"></tbody></strong>
  • <menu id="s1cjy"><div id="s1cjy"><ruby id="s1cjy"></ruby></div></menu>