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土木考研 土力学应力路径的概念与应用
上班养鱼两不误
2020年06月23日 02:22

基础篇

应力路径的概念比较绕口,初学者往往难以理解,简单来说,应力路径就是指:描述界面上的应力(σ,τ)在外力作用下的大小变化过程。

其实就是类似于结构力学的影响线,对于影响线我相信很多人就比较熟悉了,影响线是指:竖向集中力沿着结构移动时,某一截面指定量值(如弯矩)随着移动荷载变化规律的图形。

那么如何从一点的应力(σ,τ)过渡到形象的应力路径呢?请看下面的简单递进关系:

点(σ,τ)→σ–τ坐标→连成曲线→应力路径

应力圆和应力路径的区别:我们知道二维平面问题的应力变化过程可用一系列应力圆表示,但是应力变化是连续的过程,存在加载、卸载等复杂工况,所以应力圆难以表示这个变化过程,这就体现出应力路径无可比拟的优势。应力圆是我们熟悉的,但是它始终有不足的地方。

表示方法:①σ–τ坐标系②p–q(或p'–q&#​39;)坐标系

①表示任意平面上(σ–τ)的变化过程

②表示τmax界面上(σ,τ)变化过程

如图

试验结果显示,不同应力路径得到的内摩擦角φ大致相同,但不同应力路径剪切破坏时的偏应力△σ相差很大。

三条重要界限线:K0线、Kf线、f线

(1)K0线定义:地基土原始应力状态线,描述地基土静止的状态。如下图:

K0线作用很大,由于其描述的是静止状态,所以不同的应力路径可以和它比较来确定土样变形状态。如下图:

①有效应力路径平行K0线,土样就不产生侧向变形

②有效应力路径倾角>K0线,土样侧向膨胀

③有效应力路径倾角<K0线,土样侧向收缩

(2)Kf线定义:多个极限应力圆顶点的连线,是剪切破坏界限,表示最大剪应力面上的应力变化

作用是任意土样的应力路径或者应力圆可以以Kf线为标准判断土样是否剪破。

(3)f线很容易和Kf线混淆,f线其实就是摩尔强度破坏包线。

Kf线与f线的关系如下图:

从图中我们可以得到几何关系:

因为AB和AD为应力圆的半径,所以又有

又因为

所以进一步可以得到关系式

应用篇

将应力路径应用到实际工程中,实际工程工况下,地基中产生不同的应力变化,对应不同的应力路径,在下图所示的典型工程对应的应力路径图中:

(a)表示挡土墙后M点的应力路径,挡土墙远离土体,M点的竖向应力(自重应力)不变,侧向压力减小,土体侧向膨胀,所以应力路径一定在K0线上方(这就是K0线的作用),AB就是这种工程的应力路径。

(b)表示基础中心线下N点的受力情况,同样土体在上部荷载作用下,向两侧膨胀,所以应力路径在K0线上方,AC就是这种工况对应的应力路径。

(c)表示基坑开挖卸载情况(对于加载卸载的概念一定要建立,卸载了多少就相当于增加了多少的支座反力,所以基底反力向上,基底回弹)。基坑中心线下Q点因为开挖卸载,竖向应力减小(土层高度h减小),侧向应力认为不变,但是由于基底回弹,土体侧向收缩,所以对应的应力路径在K0线下方,用AD线表示。

(d)表示挡土墙后R点的应力路径,挡土墙向后移动,认为R点的竖向应力不变,侧向应力增加,土体侧向收缩,应力路径在K0下方,用AE表示。

「听说打赏这个结构力学老师的同学都考上了研」