土力學(xué)第五章滲透固結(jié)理論

土力學(xué)第五章滲透固結(jié)理論第一頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日

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(guò)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(guò)程。當(dāng)土層受無(wú)限鉛直均布荷載作用產(chǎn)生單向壓縮時(shí)，飽和土的變形速率主要由滲透固結(jié)控制。第二頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日太沙基滲透固結(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(gè)容器模擬飽和土，彈簧代表土顆粒，容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(dāng)在活塞上作用外力后，活塞下降，水就從孔口排出來(lái)，表示飽和土的排水過(guò)程。第三頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日飽和土的滲透固結(jié)過(guò)程-1主要討論施加外荷后，隨著時(shí)間的增加，飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的變化。1）沒(méi)有外荷載作用時(shí)，容器水位與側(cè)壓管水位齊平；2）加荷瞬時(shí)，時(shí)間為0，來(lái)不及排水，外荷全部由水承擔(dān)，土骨架不受力，這時(shí)有效應(yīng)力為0；3）過(guò)一段時(shí)間，沿活塞孔口排出水，活塞下降，彈簧受到壓縮，這時(shí)產(chǎn)生了有效應(yīng)力，外荷載由水和彈簧承擔(dān)；第四頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日飽和土的滲透固結(jié)過(guò)程-24）隨著時(shí)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(yīng)力增大。最后，水停止排出，彈簧內(nèi)的應(yīng)力與外荷平衡，活塞不再下降。這時(shí)外荷全部由土顆粒承擔(dān)，有效應(yīng)力達(dá)到最大，孔隙水壓力為0，表示飽和土的滲透固結(jié)完成。第五頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日飽和土的有效應(yīng)力原理1）在飽和土的滲透固結(jié)過(guò)程中，存在著孔隙水壓力向有效應(yīng)力的轉(zhuǎn)化；2）隨著滲透固結(jié)過(guò)程的繼續(xù)，飽和土中的孔隙水壓力逐漸減小，而有效應(yīng)力逐漸增大；3）最后，孔隙水壓力全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，孔隙水壓力為0，有效應(yīng)力達(dá)到最大，但孔隙水壓力和有效應(yīng)力之和始終等于外荷載。=+u第六頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日單向滲透固結(jié)的概念單向滲透固結(jié)：指在土層中，只沿一個(gè)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(guò)的土層；不透水層：指水不能透過(guò)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(shí)沿土層的上下面的排水。第七頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日單向滲透固結(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(jì)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(dá)西定律；5）整個(gè)固結(jié)過(guò)程中，滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)保持不變；6）荷載一次施加。第八頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日單向滲透固結(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(shí)段內(nèi)，流進(jìn)微分單元水量和流出微分單元水量的變化；2）根據(jù)達(dá)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(shí)間和土層深度的變化關(guān)系，即微分方程。第九頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日單向滲透固結(jié)微分方程微分方程：反映土層中任一深度、任一時(shí)刻孔隙水壓力情況。固結(jié)系數(shù)：第十頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日單向滲透固結(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(shí)間因素：最遠(yuǎn)排水距離H：?jiǎn)蚊媾潘褪峭翆雍穸?，雙面排水就是土層厚度的一半。第十一頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日固結(jié)度的基本概念固結(jié)度：指在某一固結(jié)應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(yīng)力轉(zhuǎn)化過(guò)程的完成程度。第十二頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日平均固結(jié)度平均固結(jié)度：指地基在固結(jié)過(guò)程中，任一時(shí)刻的沉降量與最終沉降量之比。變化：地基的固結(jié)度在0~100%之間變化，隨著固結(jié)過(guò)程的繼續(xù)，固結(jié)度逐漸增大，到滲透固結(jié)完成時(shí)，固結(jié)度達(dá)到100%，這時(shí)，土層達(dá)到壓縮穩(wěn)定狀態(tài)，其壓縮量為最終壓縮量。第十三頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日固結(jié)度的基本表達(dá)式根據(jù)平均固結(jié)度的概念，結(jié)合土層壓縮量的計(jì)算，注意引起土層產(chǎn)生壓縮的是有效應(yīng)力，可得到固結(jié)度與孔隙水壓力、有效應(yīng)力以及總應(yīng)力之間的關(guān)系：第十四頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日單面排水條件下的固結(jié)度根據(jù)附加應(yīng)力分布情況，單面排水分為：情況0：附加應(yīng)力均勻分布，成矩形；情況1：附加應(yīng)力分布成三角形，三角形的頂點(diǎn)在透水邊上；情況2：附加應(yīng)力分布成三角形，三角形的頂點(diǎn)在不透水邊上；情況3：附加應(yīng)力分布成梯形，梯形短邊在透水邊上；情況4：附加應(yīng)力分布成梯形，梯形短邊在不透水邊上。第十五頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日情況0的固結(jié)度情況0：指附加應(yīng)力成矩形分布，將uz,t代入固結(jié)度的表達(dá)式中，整理簡(jiǎn)化可得：可知，固結(jié)度只與時(shí)間因素有關(guān)。第十六頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日排水相同厚度不同固結(jié)度在壓縮應(yīng)力分布及排水條件相同的情況下，兩個(gè)土質(zhì)相同而厚度不同的土層，要達(dá)到相同的固結(jié)度，其時(shí)間因素應(yīng)相等。即達(dá)到同一固結(jié)度所花時(shí)間之比，等于兩土層最遠(yuǎn)排水距離之比。第十七頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日厚度相同排水不同固結(jié)度在相同土層和相同壓縮應(yīng)力條件下，如單面排水該為雙面排水，達(dá)到相同固結(jié)度，時(shí)間因素相等，所需時(shí)間減小為原來(lái)的1/4。第十八頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日情況1的固結(jié)度情況1：指附加應(yīng)力成三角形分布，三角形的0點(diǎn)在透水邊上，將uz,t代入固結(jié)度的表達(dá)式中，整理簡(jiǎn)化可得：可知，固結(jié)度只與時(shí)間因素有關(guān)。第十九頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日情況2的固結(jié)度情況2：指附加應(yīng)力成三角形分布，三角形的0點(diǎn)在不透水邊上。這種固結(jié)度計(jì)算用疊加原理。疊加原理：在某種附加應(yīng)力作用下，任一歷時(shí)內(nèi)均質(zhì)土層的變形，等于應(yīng)力分布圖形各組成部分在同一歷時(shí)內(nèi)所引起的變形之和。第二十頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日情況3、情況4的固結(jié)度情況3、情況4：指附加應(yīng)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(jì)算：第二十一頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日各種情況固結(jié)度比較在各種附加應(yīng)力分布情況下，其固結(jié)度都可統(tǒng)一寫(xiě)成：只要知道情況0和情況1的固結(jié)度，其它各種情況的固結(jié)度都可計(jì)算。情況0：=1；情況1：=0；情況2：=情況3：=0~1；情況4：>1第二十二頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日滲透固結(jié)理論曲線作圖：由于在各種附加應(yīng)力分布情況下的固結(jié)度只與附加應(yīng)力分布情況和時(shí)間因素有關(guān)，因而將固結(jié)度、時(shí)間因素和附加應(yīng)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(shí)間因素為橫坐標(biāo)，以固結(jié)度為縱坐標(biāo)，反映不同情況下的一組曲線。根據(jù)這組曲線，即可計(jì)算不同附加應(yīng)力分布情況下的固結(jié)度或達(dá)到一定固結(jié)度所化的時(shí)間。第二十三頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日雙面排水的固結(jié)度前面講的是單面排水條件下的固結(jié)度問(wèn)題。對(duì)雙面排水，按疊加原理計(jì)算。計(jì)算：根據(jù)疊加原理，在雙面排水條件下，不論土層中附加應(yīng)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(jì)算，這時(shí)的最遠(yuǎn)排水距離為土層厚度的一半。第二十四頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日固結(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(shí)間平方根法和時(shí)間對(duì)數(shù)法兩種。時(shí)間平方根法：就是根據(jù)時(shí)間的平方根與壓縮量之間的關(guān)系（t1/2~S）來(lái)確定固結(jié)系數(shù)；時(shí)間對(duì)數(shù)法：就是根據(jù)時(shí)間的對(duì)數(shù)與壓縮量之間的關(guān)系（logt~S）來(lái)確定固結(jié)系數(shù)。第二十五頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日時(shí)間平方根法確定固結(jié)系數(shù)1）將t1/2~S主段直線向左上方延長(zhǎng)交縱坐標(biāo)軸，得真正零點(diǎn)讀數(shù)；2）過(guò)零點(diǎn)繪一直線，該線上各點(diǎn)的橫坐標(biāo)是主直線段的1.15倍，交于原曲線C點(diǎn)；3）C點(diǎn)的縱坐標(biāo)相應(yīng)于固結(jié)度90%的壓縮量，找出對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1/2；4）按情況0計(jì)算固結(jié)系數(shù)：第二十六頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日時(shí)間對(duì)數(shù)法確定固結(jié)系數(shù)