土力學第五章滲透固結(jié)理論

1、飽和土的壓縮過程,飽和土中，孔隙全被水充滿，在外荷作用下，試樣排水，引起孔隙體積減小。隨時間增加，壓縮量增大。 飽和土中水的排出速度，主要取決于土的滲透性和土的厚度。 土層越厚、土的滲透性越小，水的排出速度越小，化的時間越長,滲透固結(jié),主固結(jié)：指與土體中自由水的滲透速度有關(guān)的飽和土的固結(jié)過程。 次固結(jié)：與土骨架蠕變性、礦物顆粒的重新排列和自由變形以及土顆粒間薄膜水的粘滯性有關(guān)的固結(jié)過程。 當土層受無限鉛直均布荷載作用產(chǎn)生單向壓縮時，飽和土的變形速率主要由滲透固結(jié)控制,太沙基滲透固結(jié)模型,模型構(gòu)成：太沙基滲透固結(jié)模型由三部分組成：容器、彈簧、側(cè)壓管。 模擬：整個容器模擬飽和土，彈簧代表土顆粒，容

2、器中的水代表土體中的水，容器上的帶孔活塞表示土體中的連通孔隙。 壓縮：當在活塞上作用外力后，活塞下降，水就從孔口排出來，表示飽和土的排水過程,飽和土的滲透固結(jié)過程-1,主要討論施加外荷后，隨著時間的增加，飽和土中孔隙水壓力和有效應力的變化。 1）沒有外荷載作用時，容器水位與側(cè)壓管水位齊平； 2）加荷瞬時，時間為0，來不及排水，外荷全部由水承擔，土骨架不受力，這時有效應力為0； 3）過一段時間，沿活塞孔口排出水，活塞下降，彈簧受到壓縮，這時產(chǎn)生了有效應力，外荷載由水和彈簧承擔,飽和土的滲透固結(jié)過程-2,4）隨著時間增加，容器中的水不斷排出，活塞繼續(xù)下降，彈簧受力增大，即有效應力增大。最后，水停止

3、排出，彈簧內(nèi)的應力與外荷平衡，活塞不再下降。這時外荷全部由土顆粒承擔，有效應力達到最大，孔隙水壓力為0，表示飽和土的滲透固結(jié)完成,飽和土的有效應力原理,1）在飽和土的滲透固結(jié)過程中，存在著孔隙水壓力向有效應力的轉(zhuǎn)化； 2）隨著滲透固結(jié)過程的繼續(xù)，飽和土中的孔隙水壓力逐漸減小，而有效應力逐漸增大； 3）最后，孔隙水壓力全部轉(zhuǎn)化為有效應力，孔隙水壓力為0，有效應力達到最大，但孔隙水壓力和有效應力之和始終等于外荷載。=+u,單向滲透固結(jié)的概念,單向滲透固結(jié)：指在土層中，只沿一個方向的排水固結(jié)。它與土層的透水性和排水性有關(guān)。 土層的透水性：分為透水層和不透水層。 透水層：指水能透過的土層； 不透水層：

4、指水不能透過的土層。 土層的排水性：分為單面排水和雙面排水。 單面排水：只沿土層的上面或下面的排水； 雙面排水：能同時沿土層的上下面的排水,單向滲透固結(jié)基本假定,1）土是均勻、各向同性的飽和土； 2）土的壓縮完全是由于孔隙體積減小的結(jié)果，不計土顆粒和水的壓縮變形； 3）土的壓縮和排水只在鉛直方向； 4）土的壓縮速率取決于土中自由水的排出速度，且孔隙水的排出符合達西定律； 5）整個固結(jié)過程中，滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)保持不變； 6）荷載一次施加,單向滲透固結(jié)微分方程的建立,1）根據(jù)單向滲透固結(jié)的假定條件，在單面排水土層中，任取一微分單元，分析任一時段內(nèi)，流進微分單元水量和流出微分單元水量的變化； 2）

5、根據(jù)達西定律和壓縮定律，確定此刻微微分單元體積的變化； 3）根據(jù)微分單元水量的變化等于微分單元體積的變化，建立起孔隙水壓力隨時間和土層深度的變化關(guān)系，即微分方程,單向滲透固結(jié)微分方程,微分方程：反映土層中任一深度、任一時刻孔隙水壓力情況。 固結(jié)系數(shù),單向滲透固結(jié)微分方程的求解,方程解：考慮土層的初始條件和邊界條件，用分離變量法可得到單向滲透固結(jié)微分方程的解為： 時間因素： 最遠排水距離H：單面排水就是土層厚度，雙面排水就是土層厚度的一半,固結(jié)度的基本概念,固結(jié)度：指在某一固結(jié)應力作用下，經(jīng)過一段時間后，土體發(fā)生固結(jié)或孔隙水壓力消散的程度。 固結(jié)度就是土中孔隙水壓力向有效應力轉(zhuǎn)化過程的完成程度,

6、平均固結(jié)度,平均固結(jié)度：指地基在固結(jié)過程中，任一時刻的沉降量與最終沉降量之比。 變化：地基的固結(jié)度在0100%之間變化，隨著固結(jié)過程的繼續(xù)，固結(jié)度逐漸增大，到滲透固結(jié)完成時，固結(jié)度達到100%，這時，土層達到壓縮穩(wěn)定狀態(tài)，其壓縮量為最終壓縮量,固結(jié)度的基本表達式,根據(jù)平均固結(jié)度的概念，結(jié)合土層壓縮量的計算，注意引起土層產(chǎn)生壓縮的是有效應力，可得到固結(jié)度與孔隙水壓力、有效應力以及總應力之間的關(guān)系,單面排水條件下的固結(jié)度,根據(jù)附加應力分布情況，單面排水分為： 情況0：附加應力均勻分布，成矩形； 情況1：附加應力分布成三角形，三角形的 頂點在透水邊上； 情況2：附加應力分布成三角形，三角形的 頂點在

7、不透水邊上； 情況3：附加應力分布成梯形，梯形短邊在 透水邊上； 情況4：附加應力分布成梯形，梯形短邊在 不透水邊上,情況0的固結(jié)度,情況0：指附加應力成矩形分布，將uz,t代入固結(jié)度的表達式中，整理簡化可得： 可知，固結(jié)度只與時間因素有關(guān),排水相同厚度不同固結(jié)度,在壓縮應力分布及排水條件相同的情況下，兩個土質(zhì)相同而厚度不同的土層，要達到相同的固結(jié)度，其時間因素應相等。 即達到同一固結(jié)度所花時間之比，等于兩土層最遠排水距離之比,厚度相同排水不同固結(jié)度,在相同土層和相同壓縮應力條件下，如單面排水該為雙面排水，達到相同固結(jié)度，時間因素相等，所需時間減小為原來的1/4,情況1的固結(jié)度,情況1：指附加

8、應力成三角形分布，三角形的0點在透水邊上，將uz,t代入固結(jié)度的表達式中，整理簡化可得： 可知，固結(jié)度只與時間因素有關(guān),情況2的固結(jié)度,情況2：指附加應力成三角形分布，三角形的0點在不透水邊上。這種固結(jié)度計算用疊加原理。 疊加原理：在某種附加應力作用下，任一歷時內(nèi)均質(zhì)土層的變形，等于應力分布圖形各組成部分在同一歷時內(nèi)所引起的變形之和,情況3、情況4的固結(jié)度,情況3、情況4：指附加應力成梯形分布，但情況3梯形的短邊在透水邊上，情況4梯形的短邊在不透水邊上。 兩種情況的固結(jié)度用疊加原理計算,各種情況固結(jié)度比較,在各種附加應力分布情況下，其固結(jié)度都可統(tǒng)一寫成： 只要知道情況0和情況1的固結(jié)度，其它各

9、種情況的固結(jié)度都可計算。 情況0：=1；情況1：=0； 情況2：= 情況3：=01；情況4：1,滲透固結(jié)理論曲線,作圖：由于在各種附加應力分布情況下的固結(jié)度只與附加應力分布情況和時間因素有關(guān)，因而將固結(jié)度、時間因素和附加應力比值之間的關(guān)系表示成曲線滲透固結(jié)理論曲線。 它是以時間因素為橫坐標，以固結(jié)度為縱坐標，反映不同情況下的一組曲線。 根據(jù)這組曲線，即可計算不同附加應力分布情況下的固結(jié)度或達到一定固結(jié)度所化的時間,雙面排水的固結(jié)度,前面講的是單面排水條件下的固結(jié)度問題。對雙面排水，按疊加原理計算。 計算：根據(jù)疊加原理，在雙面排水條件下，不論土層中附加應力如何分布，只要是線性分布，均質(zhì)土層的固結(jié)度均可按情況0計算，這時的最遠排水距離為土層厚度的一半,固結(jié)系數(shù)的確定方法,方法：確定固結(jié)系數(shù)的方法分為時間平方根法和時間對數(shù)法兩種。 時間平方根法：就是根據(jù)時間的平方根與壓縮量之間的關(guān)系（t1/2S）來確定固結(jié)系數(shù)； 時間對數(shù)法：就是根據(jù)時間的對數(shù)與壓縮量之間的關(guān)系（logtS）來確定固結(jié)系數(shù),時間平方根法確定固結(jié)系數(shù),1）將t1/2S主段直線向左上方延長交縱坐標 軸，得真正零點讀數(shù)； 2）過零點繪一直線，該線上各點的橫坐標是主 直線段的1.15倍，交于原曲線C點 ； 3）C點的縱坐標相應于固結(jié)度90%的壓縮量， 找出對應的時間t1/2； 4）按情況0計算固結(jié)系數(shù),時間對數(shù)