土力学第五章-渗透固结理论.ppt

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1、饱和土的压缩过程 饱和土中，孔隙全被水充满，在外荷作 用下，试样排水，引起孔隙体积减小。 随时间增加，压缩量增大。 饱和土中水的排出速度，主要取决于土 的渗透性和土的厚度。 土层越厚、土的渗透性越小，水的排出 速度越小，化的时间越长。 渗透固结 主固结 ：指与土体中自由水的渗透速度 有关的饱和土的固结过程。 次固结 ：与土骨架蠕变性、矿物颗粒的 重新排列和自由变形以及土颗粒间薄膜 水的粘滞性有关的固结过程。 当土层受无限铅直均布荷载作用产生单 向压缩时，饱和土的变形速率主要由渗 透固结控制。 太沙基渗透固结模型 模型构成 ：太沙基渗透固结模型由三部 分组成：容器、弹簧、侧压管。 模拟 ：整个容

2、器模拟饱和土，弹簧代表 土颗粒，容器中的水代表土体中的水， 容器上的带孔活塞表示土体中的连通孔 隙。 压缩 ：当在活塞上作用外力后，活塞下 降，水就从孔口排出来，表示饱和土的 排水过程。 饱和土的渗透固结过程 -1 主要讨论施加外荷后，随着时间的增加， 饱和土中孔隙水压力和有效应力的变化。 1）没有外荷载作用时，容器水位与侧压 管水位齐平； 2）加荷瞬时，时间为 0，来不及排水，外 荷全部由水承担，土骨架不受力，这时有 效应力为 0； 3）过一段时间，沿活塞孔口排出水，活 塞下降，弹簧受到压缩，这时产生了有效 应力，外荷载由水和弹簧承担； 饱和土的渗透固结过程 -2 4）随着时间增加，容器中的

3、水不断排出， 活塞继续下降，弹簧受力增大，即有效 应力增大。最后，水停止排出，弹簧内 的应力与外荷平衡，活塞不再下降。这 时外荷全部由土颗粒承担，有效应力达 到最大，孔隙水压力为 0，表示饱和土的 渗透固结完成。 饱和土的有效应力原理 1）在饱和土的渗透固结过程中，存在着 孔隙水压力向有效应力的转化； 2）随着渗透固结过程的继续，饱和土中 的孔隙水压力逐渐减小，而有效应力逐 渐增大； 3）最后，孔隙水压力全部转化为有效应 力，孔隙水压力为 0，有效应力达到最大， 但孔隙水压力和有效应力之和始终等于 外荷载。 =+u 单向渗透固结的概念 单向渗透固结 ：指在土层中，只沿一个方向 的排水固结。它与

4、土层的透水性和排水性有 关。 土层的透水性 ：分为透水层和不透水层。 透水层：指水能透过的土层； 不透水层：指水不能透过的土层。 土层的排水性： 分为单面排水和双面排水。 单面排水：只沿土层的上面或下面的排水； 双面排水：能同时沿土层的上下面的排水。 单向渗透固结基本假定 1）土是均匀、各向同性的饱和土； 2）土的压缩完全是由于孔隙体积减小的结 果，不计土颗粒和水的压缩变形； 3）土的压缩和排水只在铅直方向； 4）土的压缩速率取决于土中自由水的排出 速度，且孔隙水的排出符合达西定律； 5）整个固结过程中，渗透系数和压缩系数 保持不变； 6）荷载一次施加。 单向渗透固结微分方程的建立 1）根据单

5、向渗透固结的假定条件，在单面 排水土层中，任取一微分单元，分析任一 时段内，流进微分单元水量和流出微分单 元水量的变化； 2）根据达西定律和压缩定律，确定此刻微 微分单元体积的变化； 3）根据微分单元水量的变化等于微分单元 体积的变化，建立起孔隙水压力随时间和 土层深度的变化关系，即微分方程。 单向渗透固结微分方程 微分方程 ：反映土层中任一深度、任一 时刻孔隙水压力情况。 固结系数 ： 2 2 z u C t u v v v a ek C )1( 1 单向渗透固结微分方程的求解 方程解 ：考虑土层的初始条件和边界条件， 用分离变量法可得到单向渗透固结微分方程 的解为： 时间因素 ： 最远排水

6、距离 H：单面排水就是土层厚度， 双面排水就是土层厚度的一半。 1 4 , 2 2 ) 2 s i n ( 14 m Tm ztz v e H zm m u 2H tCT v v 固结度的基本概念 固结度： 指在某一固结应力作用下，经过 一段时间后，土体发生固结或孔隙水压力 消散的程度。 固结度 就是土中孔隙水压力向有效应力转 化过程的完成程度。 00 0 1 u u u uu U tt 平均固结度 平均固结度 ：指地基在固结过程中，任一 时刻的沉降量与最终沉降量之比。 变化 ：地基的固结度在 0100%之间变化， 随着固结过程的继续，固结度逐渐增大， 到渗透固结完成时，固结度达到 100%，

7、这 时，土层达到压缩稳定状态，其压缩量为 最终压缩量。 S SU t t 固结度的基本表达式 根据平均固结度的概念，结合土层压缩量 的计算，注意引起土层产生压缩的是有效 应力，可得到固结度与孔隙水压力、有效 应力以及总应力之间的关系： H z H tz H z v H tz v t t dz dzu dz e a dz e a S S U 0 0 , 01 0 , 1 1 1 1 单面排水条件下的固结度 根据附加应力分布情况，单面排水分为： 情况 0：附加应力均匀分布，成矩形； 情况 1：附加应力分布成三角形，三角形的 顶点在透水边上； 情况 2：附加应力分布成三角形，三角形的 顶点在不透水边

8、上； 情况 3：附加应力分布成梯形，梯形短边在 透水边上； 情况 4：附加应力分布成梯形，梯形短边在 不透水边上。 情况 0的固结度 情况 0： 指附加应力成矩形分布，将 uz,t 代入固结度的表达式中，整理简化可得： 可知，固结度只与时间因素有关。 vv TT t eeU 44 20 22 81.01 8 1 排水相同厚度不同固结度 在压缩应力分布及排水条件相同的情况下， 两个土质相同而厚度不同的土层，要达到 相同的固结度，其时间因素应相等。 即达到同一固结度所花时间之比，等于两 土层最远排水距离之比。 21 vv TT 2 2 2 2 1 1 H tC H tC vv 2 2 2 1 2

9、1 H H t t 厚度相同排水不同固结度 在相同土层和相同压缩应力条件下，如 单面排水该为双面排水，达到相同固结 度，时间因素相等，所需时间减小为原 来的 1/4。 21 vv TT 2 2 2 1 ) 2 1 ( H tC H tC vv 4 1 1 2 t t 情况 1的固结度 情况 1： 指附加应力成三角形分布，三 角形的 0点在透水边上，将 uz,t代入固结 度的表达式中，整理简化可得： 可知，固结度只与时间因素有关。 vv TT t eeU 44 31 22 03.11 32 1 情况 2的固结度 情况 2： 指附加应力成三角形分布，三角 形的 0点在不透水边上。这种固结度计算 用

10、叠加原理。 叠加原理 ：在某种附加应力作用下，任一 历时内均质土层的变形，等于应力分布图 形各组成部分在同一历时内所引起的变形 之和。 vTttt eUUU 4102 2 59.012 情况 3、情况 4的固结度 情况 3、情况 4： 指附加应力成梯形分布， 但情况 3梯形的短边在透水边上，情况 4梯 形的短边在不透水边上。 两种情况的固结度用叠加原理计算 ： 1 )1(2 10 tt t UUU z z 不透水面上的附加应力 透水面上的附加应力 各种情况固结度比较 在各种附加应力分布情况下，其固结度都 可统一写成： 只要知道情况 0和情况 1的固结度，其它各 种情况的固结度都可计算。 情况

11、0： =1； 情况 1： =0； 情况 2： = 情况 3： =01； 情况 4： 1 1 )1(2 10 tt t UU U 渗透固结理论曲线 作图 ：由于在各种附加应力分布情况下的 固结度只与附加应力分布情况 和时间因素 有关，因而将 固结度、时间因素和附加应 力比值 之间的 关系表示成曲线 渗透固 结理论曲线。 它是以时间因素为横坐标，以固结度为纵 坐标，反映不同 情况下的一组曲线。 根据这组曲线，即可计算不同附加应力分 布情况下的固结度或达到一定固结度所化 的时间。 双面排水的固结度 前面讲的是单面排水条件下的固结度问题。 对双面排水，按叠加原理计算。 计算 ：根据叠加原理，在双面排水

12、条件下， 不论土层中附加应力如何分布，只要是线 性分布，均质土层的固结度均可按 情况 0计 算，这时的最远排水距离为土层厚度的一 半。 vv TT t eeU 44 20 22 81.01 8 1 固结系数的确定方法 方法 ：确定固结系数的方法分为时间平 方根法和时间对数法两种。 时间平方根法： 就是根据时间的平方根 与压缩量之间的关系（ t1/2S）来确定固 结系数； 时间对数法： 就是根据时间的对数与压 缩量之间的关系（ logtS）来确定固结系 数。 时间平方根法确定固结系数 1）将 t1/2S主段直线向左上方延长交纵坐标 轴，得真正零点读数； 2）过零点绘一直线，该线上各点的横坐标 是主 直线段的 1.15倍，交于原曲线 C点 ； 3） C点的纵坐标相应于固结度 90%的压缩量， 找出对应的时间 t1/2； 4）按情况 0计算固结系数： 9.0 2848.0 t H C v 时间对数法确定固结系数 1）取试验曲线主段切线与尾段切线的交点 的纵坐标，作为固结度 100%的最终压缩量； 2）在曲线首段上按 1： 4的时间比找出 两点 的压缩量读数差，向上推相同的读数差，得 固结度为 0的真正零点读数； 3）根据固结度 100%和固结度为 0的压缩量， 计算出固结度 50%的压缩量及相应历时； 4）按情况 0计算固结系数： 5.0 21 9 7.0 t H C v