粘土固结参数变化的分析

本文依据土力学中已建立的基本概念,通过试验研究,首先找出正常固结粘土的渗透系数K与孔隙比e的关系,压缩系数a_V与孔隙比e或有效固结压力σ′的关系,从而推导出固结系数C_V与孔隙比或有效固结压力的关系表达式。分析不同土类固结系数的变化,归纳出三种典型的情况,即:C_V随e的减小而减小;C_V随e的减小而增大和C_V基本上与e无关。并指出特殊土类的C_V有特殊的变化规律。其次,分析了固结指数m变化的物理依据,讨论了m值与有效固结压力和上层厚度H的关系,最后,说明C_V和m变化的相互关系以及实用计算中应注意的问题。     

孔隙变化对吹填土地基真空预压固结的影响

吹填地基真空加固过程中,吹填土由液体泥浆变为固态土体,其孔隙降低非常大。由于土体的渗透性和压缩性是孔隙比的函数,因此,吹填土在固结过程中固结系数变化很大,而现行设计方法中固结系数取为常数,这导致预测结果和实际结果差异较大。为考虑固结过程中孔隙变化对固结过程的影响,推导了真空荷载作用下土体固结系数与有效应力的关系,并将该关系应用于巴隆固结理论,从而建立吹填土地基真空固结分析模型。通过室内模型试验,验证了该模型的合理性。计算结果表明,考虑孔隙变化的影响时,吹填土地基前期固结速度快,而在后期逐渐变慢。由于排水面附近土体渗透系数迅速降低,阻碍了周围土体中孔隙水向排水面排出,因此,与现行固结设计方法计算结果相比,吹填土地基后期固结速度慢,总体固结时间长。     

基于变固结系数的静压桩周土体力学特性研究

以静压沉桩后桩周土体的应力状态为初始条件,根据桩周土体孔隙比、渗透系数和有效应力之间的相关性,在考虑固结系数随固结时间变化的条件下改进了轴对称条件下的太沙基固结控制方程。随后,采用分离变量法和离散化分析推导得出了桩周超孔隙水压力消散的半解析半数值解,并将解答与实测数据进行对比验证。在此基础上,采用空间滑动面理论改进的修正剑桥模型（SMP-MCC）定义土体三维不排水抗剪强度,研究了静压桩周土体强度、剪切模量随固结时间的变化规律。研究结果表明：由于解答考虑了固结系数随固结时间的变化,因而与实测结果吻合良好;土体压缩指数与渗透指数之比对土体固结系数和孔压消散速率影响较大;当土体压缩指数与渗透指数之比为1时,土体固结系数保持不变,解答退化为经典的太沙基轴对称固结方程;土体强度和剪切模量随固结时间的增长而逐步增加,固结完成后其值超越了土体原位强度和原位剪切模量。     

考虑井阻时空变化的竖井地基非线性固结解析解

软土固结过程中展现出明显的非线性压缩和渗透特性,同时竖井的淤堵效应常导致井阻在固结过程中随深度和时间不断演化,但目前能考虑井阻随时空演化的竖井地基非线性固结解析解还很鲜见。通过引入孔隙比与有效应力及孔隙比与渗透系数间的半对数模型描述了土体的非线性固结特性,建立了能同时考虑井阻随时空变化和涂抹影响的竖井地基非线性固结模型,并采用分离变量法获得了固结模型的解析解。将特定参数下固结解的计算结果与实测数据、已有的竖井地基固结解答进行了对比分析以验证其可靠性。最后,对竖井地基的非线性固结性状开展了大量计算分析。结果表明：竖井渗透系数随深度线性衰减越明显则地基固结速率越慢;外荷载一定时,随着软土压缩指数c_c与渗透率指数c_k之比的增大,竖井地基固结速度减慢;在c_c /c_k值不变的情况下,外荷载增加,地基固结速率加快。在涂抹区的3种径向渗透系数变化模式中,抛物线变化模式下的地基固结速度最快,线性变化模式下的地基固结速度次之,恒定模式下的地基固结速度最慢,且这种性状并不因为考虑井阻变化或土体非线性固结特性而发生改变。     

应力历史对饱和软土固结系数的影响

为了探究不同固结状态下的饱和软土固结系数的变化规律,在太沙基固结理论的基础上,利用渗透系数和孔隙比的关系、孔隙比和固结应力的关系,分别推导出了在正常固结和超固结状态下固结系数（C_v）随固结应力变化的关系式,将关系式代入Terzaghi方程,进而获得考虑应力历史和固结应力影响的修正Terzaghi一维固结方程;通过室内固结试验和工程应用分析对固结系数关系式和修正的Terzaghi一维固结方程的准确性进行验证.结果表明,对于正常固结的软土,当固结应力小于前期固结应力时,固结系数随应力的增大而增大;当固结应力大于前期固结应力时,固结系数随应力的增大而减小.对于超固结状态的软土,固结系数随应力的增大而增大,最后趋于平缓.当上覆荷载较小时,修正前后的Terzaghi一维固结方程计算结果相近;但当上覆荷载较大时,修正后的Terzaghi一维固结方程计算的固结度明显滞后于修正前的计算结果.前期的应力历史和后期的固结应力对软土固结系数的影响是不容忽视的,修正后的Terzaghi一维固结方程更能真实反映土体的固结性状.      

淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律

针对土坝黏土铺盖裂缝的淤填固结问题,在充分考虑固相、液相连续性条件和平衡条件的情况下,建立了以孔隙比为控制变量的微分方程。选用两种黏性土进行渗透诱发固结试验,确定各自的孔隙比、渗透系数、有效应力之间的关系。采用软件Matlab的内置函数求解微分方程,得到孔隙比的时空分布曲线。通过试验对数值计算结果进行了验证,结果表明,数值计算得到的孔隙比分布曲线与实测的孔隙比分布曲线基本吻合,具有相同的分布规律,为研究土坝铺盖裂缝处淤填土的固结问题提供了科学依据。     

超载预压法的卸载控制理论研究

超载预压法是处理软土地基的一种有效的方法,其处理效果可以从工后沉降（后续变形）得到反映,而工后沉降与超载预压的超载比及卸载时地基达到的平均固结度有关。对于超载卸除前地基应达到的平均固结度（即卸载控制问题）,目前还缺乏简单有效的计算模型。从超载预压的原理出发,基于 曲线,提出了考虑土体骨架非线性弹塑性应力-应变关系的二元件固结模型,给出了该模型的固结微分方程,并用差分法进行了求解,与传统卸载控制理论相比显示出了较理想的结果。同时,基于该模型讨论了渗透系数和土骨架的弹塑性应变的比例对卸载控制的影响。     

Deformation Properties of Xiamen Muck

This paper presents the variations of void ratios, compression coefficients, compression index and compression modulus of Xiamen muck with consolidated pressure at beginning. The second section describes the laws of coefficient of consolidation variation with pressure or void ratio. At last, it is discussed that the pressure secondary consolidation deformation develops with time at a given constant temperature and pressure. The ratio of secondary consolidation deformation to primary’s one, and quantitative relations between secondary consolidation deformation and pressure are described.     

厦门淤泥的变形性质

本文首先研究厦门淤泥的孔隙比、压缩系数、压缩指数和压缩模量随固结压力的变化特性。其次,研究了固结系数随固结压力、孔隙比的变化规律。最后,讨论淤泥在恒温恒压条件下次固结变形随时间的变化发展过程,定量地描述次固结量和主固结量的比值与次固结时间和固结压力水平的关系。     

分级连续加载条件下原状膨胀土固结变形研究

由固结系数Cv与有效应力 和孔隙比的关系,推导了考虑固结系数变化的分级连续加载固结控制方程。根据方程的解析解得到了分级连续加载的沉降计算公式。结合云桂高速铁路建设,以高路堤分段堆载方式为研究依据,在GDS三轴试验系统开展原状膨胀土分级连续加载K0固结试验。结果表明：沉降与时间关系在加载期呈折线式发展,稳载期呈双曲线变化;膨胀土的应力-应变关系呈阶梯式变化;当 ≤ 时,固结系数随有效应力呈先增大而后减小,当 ＞ 时,固结系数随有效应力呈波动持续减小。固结度理论计算值与试验结果相比,考虑固结系数变化的固结度计算比固结系数为定值更准确。分级连续加载沉降计算公式可作为分析高速铁路路基沉降-时间关系的参考方法。     

考虑幂函数渗透压缩变化的双层砂井地基固结性状

采用Barron轴对称固结及大变形固结问题的某些简化与假定,推导建立了砂井地基大变形固结控制方程,利用建立的双层砂井地基大变形固结方程及编制的计算程序,通过引入软土渗透系数、有效应力与孔隙比之间的幂函数关系k =ced与e=a( )b,对瞬时加载下双层砂井地基固结性状进行算例计算。结果表明：（1）双层软土幂函数渗透关系及压缩关系中诸参数对双层砂井地基固结性状有重要影响：随着两层软土幂函数渗透关系中参数c1、c2的增加（渗透性增加）、或幂函数压缩关系中参数a1、a2的增加,各土层水平径向与竖向孔隙比减小更快,沉降发展速率与超静孔压消散速率也相应增加,且沉降发展速率快于孔压消散速率。（2）两层土在分界面处的孔隙比及平均超静孔压均出现明显的突变,将沿深度分布曲线分成形状不同的两段,表现出不同的固结性状。     

饱和软土大变形非线性自重固结模型

基于分段线性方法,建立了饱和软土一维自重固结模型（简称SWC模型）。该模型能考虑自重固结过程中土体的大变形效应和材料参数的非线性变化。将该模型的计算结果与相关解析解、现场试验及室内试验结果进行了对比验证,证明了SWC模型能准确计算出大变形和非线性条件下饱和软土的自重固结过程,包括沉降量、平均固结度、孔隙比分布和超孔隙水压力分布等参数随时间的变化过程。随后,以现场试验为基础,采用SWC模型对饱和软土自重固结的4个主要影响因素（即土体初始高度、边界排水条件、初始孔隙比和土粒相对密度）进行了参数分析。结果表明,上述4个参数对软土自重固结过程均具有重要影响：土体初始高度越高,则自重固结沉降量和最终平均应变值越大;边界排水条件对土体自重固结的速度有重要影响,但不影响自重固结的最终沉降量;初始孔隙比越大,则自重固结沉降量越大,其完成自重固结所需时间越短;土粒相对密度越大,则土体的最终沉降量越大,完成自重固结所需时间越短。     

关于固结度计算的一点看法

通过探寻渗透系数、压缩系数(或体积压缩系数)与孔隙比在固结过程中的变化规律来确定固结系数与固结时间的关系并将其用于固结度计算是无益的,原因在于固结度计算公式只在固结系数为常数时才成立。     

原状土的抗剪强度研究

为了研究土的现场原位与室内试验抗剪强度指标的关系,根据饱和土固结理论,土的固结过程就是在某一压力作用下有效应力增大、孔隙水压力消散的过程。因此,随着有效应力增大土的孔隙比减小,而土的抗剪强度增大,土的压缩曲线与土的抗剪强度线之间有一一对应关系,从土的现场原位和室内压缩曲线出发,研究了加、卸载过程中土的抗剪强度的变化规律,然后根据土的卸载抗剪强度的计算方法推导出土的黏聚力和土的内摩擦角两者之间的相互关系,最后分析得到了原状土抗剪强度的计算方法     

饱和土体一维复杂非线性固结特性研究

结合大量宁波软土室内固结与压缩试验数据,采用偏微分有限元软件FLEXPDE,同时考虑土体固结过程中材料和几何的复杂非线性,进行了土体固结特性研究。在压缩指数和渗透指数不同比值条件下,进行了解析解推导和有限元数值分析,得出了不同条件下土体有效应力和孔隙比沿高度的变化规律。结果表明,压缩指数和渗透指数比值不等于1时,由于数值解法充分考虑土体的复杂非线性,其结果与实际更加符合;而在比值等于1时所得出的结果与Gibson得出的结果一致;考虑土体材料和几何复杂非线性使得有效应力及固结度预测偏于安全。     

One-dimensional self-weight consolidation with continuous drainage boundary conditions: Solution and application to clay-drain reclamation

Traditional consolidation theories cannot provide good predictions of consolidation settlement in land reclamation because of their assumptions that the influence of soil's self-weight is often neglected, and the drainage boundary is considered as fully pervious/impervious. In view of these limitations, an analytical solution is derived for one-dimensional self-weight consolidation problems with a continuous drainage boundary using the finite Fourier sine transform method. Following the classical Terzaghi's small strain theory, the soil's self-weight is considered to produce consolidation settlement in dredged materials with a constant coefficient of consolidation. The continuous drainage boundary can essentially describe the time-dependent variation of drainage capacity at the interface between two adjacent soil layers. By reducing the interface parameters, the effectiveness of the calculation is demonstrated against the Terzaghi's solution. The influence of interface parameters and soil's self-weight stress coefficient on self-weight consolidation is discussed. As expected, the rate of consolidation considering the self-weight stress is faster, although the dependency of consolidation rate on the material property of void ratio is neglected. Moreover, the plane of maximum excess pore-water pressure is estimated as a function of time factor, based on which a design chart is developed to optimize the layout of horizontal drains in land reclamation.     

互补算法在一维非线性固结求解中的应用

以一维非线性固结为例,介绍了互补算法在固结问题求解中的应用。将地基土体的压缩特性曲线进行分段线性拟合并引入控制变量,得到土体孔隙比与有效应力间的统一关系式,并获得压缩曲线中的互补关系;详细推导了以孔隙比与有效应力为变量的一维非线性固结微分方程,通过对其进行差分求解,并结合压缩曲线中的互补条件,使得不同时刻的非线性固结问题转化为标准的线性互补问题。这样,非线性固结问题可通过在线性固结差分法中嵌入互补模型算法进行求解。该法的合理性通过与普通迭代算法进行对比获得证明。在此基础上,对一维固结问题线性与非线性解答的差异及影响非线性计算的因素进行了分析。计算中发现,互补模型算法在计算效率方面优于普通迭代法;线性计算程序中嵌入互补模型算法计算非线性固结在程序上容易实现;互补模型算法中通过对控制变量的求解,可判断地基土体所处的压缩状况     

利用EVP模型确定堆载预压法的卸载时机

在Bjerrum等时 曲线图的基础上,利用殷建华和Graham的一维EVP模型,在考虑土体次固结沉降的情况下,依据运行期限和运行期允许的沉降量等参数获得等载预压卸载时的临界孔隙比,进而求得控制超载预压和欠载预压卸载时的临界孔隙比,由此可计算出控制堆载预压卸载时机的临界沉降量,克服传统堆载预压依据主固结理论无法反映堆载预压降低次固结变形的缺陷。根据欠载预压的临界孔隙比公式,可计算出最小预压荷载。在推导欠载预压临界孔隙比的过程中,提出新假说A理论,证明了新假说A与假说B近似等价的充分条件。算例表明,由于考虑了软土预压期的次固结变形,堆载预压地基的总沉降量和卸载时的临界沉降量要比有效应力面积比法的大。     

饱和土体一维固结三参数概率特性研究

在考虑岩土参数空间变异性的情况下,对软粘土地基一维固结平均固结度的概率特征进行了研究,分析了平均固结度的概率特征对渗透系数、孔隙比和压缩系数三参数变异性的敏感性,进行了岩土参数分布类型对平均固结度影响的正交试验,并根据试验结果进行了方差分析,为进一步开展多层地基固结的可靠性分析打下了基础.     

温州浅滩淤泥固结系数与固结应力关系研究

固结系数在软土压缩过程中并非常数,其变化规律与土体的工程特性、先期固结压力、有效固结应力等因素有关。当固结应力小于土体的先期固结压力时（ ）,随着应力的增加,固结系数减小;当固结应力达到其先期固结压力时（ ）,固结系数取最小值;当固结应力超过先期固结压力后（ ）,随着应力的继续增加,淤泥固结系数又逐渐增大。温州淤泥的固结系数与固结应力之间存在显著的双对数（ln( 或 )- ）线性相关性,其分段拟合公式在先期固结压力 的前后分为两段。利用“改进的门田法”求解的淤泥层在压缩过程中,固结系数的变化规律,进一步说明和验证了这一结论。利用双对数拟合公式可较准确推求整个加载过程中淤泥的固结系数,为固结沉降计算提供重要的参数。