饱水粘性土主固结理论(续): 主固结过程粘性土含水量与时间的关系

论文的前文(饱水粘性土主固结理论) 已从理论上导出粘性土“主固结比(η) ”、“极限主固结量(S_η) ”及其主固结度U_η的计算方法, 它们取决于粘性土的初始含水量和液限(W_t、W_L) 而与固结应力p无关.作为前文的续篇, 主要是探求一维主固结过程含水量和时间(t) 的变化关系(W_t=f(t, z)).根据一维固结物理模型及假设条件建立的含水量为因变量的主固结二阶偏微分方程并通过特定的边界条件和初始条件, 利用分离变量法和三角函数正交原理解得主固结过程含水量和时间的关系式, 并获得主固结系数Θ及其时间因数Δ的新表达式, 它们在形式上与太沙基固结方程相似, 但实质内容上不一致, 前者是探索粘性土含水量变化, 后者是超静孔压u的变化, 利用新的一维主固结方程进一步导出主固结量(S_t), 平均主固结度(U_t) 及主固结剩余量(ΔS) 等新一组表达式, 利用工程实际数据分别计算表明新的主固结系数Θ所含的相关物理量除含水量外, 其他的物理量如渗透系数(K), 超静孔压水头高度(h₁), 粘性土比重(G_s) 等都不具实质的影响.      

软土主次固结划分及影响因素探讨

主、次固结的划分是正确预测和分析软土地基变形并采取有效工程措施的关键问题之一。利用单向固结仪和三轴剪切仪,对天津典型软土进行了一系列一维压缩次固结试验和三维次固结试验,得到荷载、孔隙比、孔隙水压力、体积应变和时间的关系曲线。试验结果表明:由孔隙水压力消散确定的主次固结划分时间滞后于体应变划分时间;所提出的采用应变速率和应变关系来划分主次固结的方法可以合理地适用于各种荷载条件;主固结时间随试样高度的增大而增大,随排水条件的加强而减小;随着荷载等级的增大,主固结时间延长;当荷载小于结构屈服应力时,加荷比对主次固结划分的影响较小,当荷载大于结构屈服应力时主固结时间随着加荷比的增大而延长;预压后土体的主固结应变与总应变的比值比无预压的情况增大30.7%,且该值随着预压荷载的增大而增大。     

竖向排水井地基工后沉降预测

预测工后沉降是排水固结预压加固软土地基的关键问题之一。根据等应变竖向排水井地基固结理论,提出了沉降曲线的近似计算方法。通过实测沉降资料与近似理论曲线的拟合,获得竖向排水井地基的最终沉降量和平均固结度,从而预估其工后沉降量。将该方法分别应用于真空预压和堆载预压处理的竖井地基,进行工后沉降预测,结果表明该方法是可行的     

超载预压处理软土的次固结特征及沉降计算

为了研究超载预压软土的次固结特征,分析超载预压处理软土地基的工后沉降,文章考虑应力历史对软土结构性的影响,模拟现场工况,对重塑洞庭湖软土试样进行超载预压后再压缩的一维固结蠕变试验。研究结果表明:经过超载预压的软土卸荷后再进行加载,压缩变形过程中主固结时间明显缩短,约为未经超载预压处理软土主固结时间的1/3,打设排水竖井对软土主固结时间几乎没影响;预压荷载越大,次固结系数越小,超载预压有利于消除软土的次固结沉降;随着建（构）筑物荷载的增加,次固结系数增大;打设排水竖井,未经预压处理软土的次固结系数略有增加,经过超载预压处理软土的次固结系数略有减小,但影响效果不是很明显。考虑应力历史,引入超载增量比,发现次固结系数与超载增量比呈线性递减关系,建立了相应的计算模型,提出了次固结沉降计算公式。试验及分析结果对预压处理地基的设计和施工具有一定的指导意义。     

成层软黏土地基的固结沉降计算分析

针对实际工程中软黏土地基的成层特性及竖井有时并未打穿软土层情况,采用太沙基一维固结理论和巴伦固结理论的基本假定,利用固结度联系孔压与变形,提出一种简化成层软黏土地基的固结沉降计算方法,对竖向排水地基的固结度及沉降等进行预测。对计算的几个关键问题进行探讨：如固结系数的反演选择、竖井未打穿土层时,竖井底部成层地基固结度计算、压缩土层厚度选取等问题。在上述理论的基础上,用FORTRAN语言编写排水竖井固结程序CONSOL,在工程实践中得到应用,取得良好的效果。     

一维小变形主、次固结耦合理论模型分析

基于丁洲祥等提出的大变形主、次固结耦合模型,研究了在小变形情况下退化的主、次固结耦合模型。首先对该模型进行了无量纲化处理,引入了新的主、次固结耦合系数 。当 0时,模型即退化为经典的Terzaghi固结模型。采用有限差分法分析了新模型中超静孔压的变化规律发现,当主、次固结耦合系数 时,固结初期的超静孔压出现类似Mandel效应的增大现象,并且 值越大,这种现象愈加明显;Terzaghi主固结理论预测的超静孔压值一般会偏小于考虑主、次固结耦合情况下的结果。上述现象区别于Mandel效应的本质原因在于主、次固结耦合效应,这与殷建华等的EVP模型较早论述的黏性效应本质是一致的,但本文模型的表述相对而言更为简洁。最后结合Mesri和Godlewski的 概念,提出了 的确定方法及模型的改进形式,其结果为主、次固结耦合理论的深入研究和工程应用提供了新的参考。     

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。     

承压水减压引起的沉降分析

由下卧承压水层减压引起的固结沉降计算与一般的由堆载或潜水位下降引起的固结沉降计算不同,本文着重研究了在深厚弱透水层下卧强透水承压层的复杂地质条件下,下卧承压水层减压引起的土中应力变化及周围地表沉降的计算方法;在假定一维竖向固结的条件下推导了减压引起的沉降固结度计算公式,该公式与常规的双向排水固结公式相同,表明排水减压固结与常规的双向排水固结有着相同的效果.最后,将此分析方法应用于潮州供水枢纽工程西溪水闸沉降分析中,实践的结果表明,该方法简单可行,能较好地满足工程要求.     

真空预压加固软土地基变形与固结计算研究

考虑真空度的衰减情况,对真空预压加固软基的变形和固结度计算方法进行了研究。先根据真空预压时砂井的真空压力状态建立了真空预压的空间轴对称变形模型,用位移法推导该模型在等应变条件下的变形及体积应变计算公式。在此基础之上结合Hansbo砂井地基固结理论和真空预压的边界条件,推导了忽略竖向渗流情况下的真空预压加固软土地基的固结解析解。比较文中计算方法与已有计算理论和现场试验实测资料结果表明,体积应变的计算对真空预压的孔压和固结度的计算有较大的影响,而直接引用传统堆载预压的体积应变计算公式计算会导致较大误差。在固结度计算中,采用Hansbo的近似方法能满足计算精度的要求,所得计算结果与实测结果吻合较好     

有效应力法和有效固结压力法在预压地基强度计算中的应用

计算预压地基抗剪强度的现行规范公式是基于土体不等向固结过程推导而来的,理论上并不适用于含有等向固结过程的预压地基。为此,分析现有强度增长理论(有效应力法和有效固结压力法)的计算原理,基于有效固结压力法并结合不同类型预压土体的固结过程,推导了计算预压地基抗剪强度的新公式;从理论分析的角度讨论了规范公式和新公式应用于真空预压和联合预压时的计算结果,最后结合某联合预压地基处理工程检验了规范公式和新公式的适用性,并对比分析了计算强度与实测强度的差异。结果表明:有效固结压力法可以考虑土体在等向固结和不等向固结中强度增长的差异,规范公式理论上仅适用于堆载预压地基的强度计算;规范公式对真空预压和联合预压地基强度的理论计算值均小于本文提出的新公式,两者相对误差的大小仅与土体内摩擦角φ_(cu)有关,且随φ_(cu)的增大而增大;在某联合预压地基处理工程中,新公式的强度预测值相较于规范公式与实测值更为接近,能更加准确地反映地基土强度增长规律。根据不同预压类型来选取相应的强度计算公式,这对于实际工程计算有一定的参考意义。     

库内层状软土地基的联合处理方法研究

介绍了利用重锤夯实法加固表层填土与排水固结法加固深层软土联合处理库内层状软土地基的方法,在填土静荷载和塑料排水板作用下淤泥质软土很快完成主固结沉降,重锤夯实法使表层填土受到动力压密,软土和填土强度得以提高.试验结果表明,排水固结过程中填土层的单位沉降量远小于淤泥质软土,重锤夯实法的有效加固深度可以达到地表下3.5 m,影响深度可达6.0 m.联合采用两种地基处理方法可以有效提高层状地基承载力.     

软土的一维次固结双曲线流变模型研究

软土的次固结对于软土的变形量非常重要。在软土次固结计算中,通常以次固结系数作为计算参数,但该系数不能反映荷载变化的影响,而且只适用于正常固结土。由于工程中所遇到的大都为超固结土,对超固结土的次固结计算还缺少合理的方法。通过室内试验开展了软土次固结沉降相关研究,进行了多组原状软土试样的分级加载次固结试验,试验结果表明,对于软土次固结计算,建议从次固结应变与时间关系的角度,采用双曲线形式进行拟合,并分别对正常固结和超固结状态的次固结应变参数进行分析,建立了一维次固结的经验模型公式,提出了一种考虑压力对次压缩影响的次固结沉降计算方法,并将该方法应用于现场工程项目,验证了该方法可以适用于正常固结土和超固结土,使得软土次固结沉降量的计算能够更好地反映实际工程问题。     

采用不同加固方案处理软土地基的对比研究

采用强夯法，排水固结法和动力排水固结法3种不同方案对某地基进行了加固处理，并且从孔隙水压力消散，动力触探，静力触探及室内土工试验等方面对不同方案的加固处理效果进行对比研究，证实了动力排水固结法是处理饱和软粘土地基的有效方法。     

洞庭湖区软土地基加固处理方案对比研究

采用强夯法、真空预压排水固结法、动力排水固结法对洞庭湖区一场地进行了加固处理,通过对处理后场地各项参数指标的对比研究,得出动力排水固结法处理软粘土地基是行之有效的方法,达到了预期的效果。此种软基处理方案既经济又合理,同时又满足了施工工期要求,可为类似工程提供有价值的参考。     

连云港软土蠕变特性及其工程应用

为了研究软土的蠕变固结特性,进行了一维的固结蠕变压缩试验。得到了连云港软土的蠕变特性。以参数Cα/?e100分析了次固结对固结过程的影响。把饱和粘性土骨架视为粘弹性体,提出了一种划分主次固结的方法,并且,此方法可以应用于实测资料进行主次固结划分。     

卸荷作用下软黏土回弹吸水试验研究

为了研究软黏土试样在经受卸荷作用后回弹变形中的吸水规律,设计了新的渗透固结试验仪器。以饱和软黏土试样为研究对象,通过室内试验,分析了卸荷作用下软土的回弹吸水特点。试验结果表明,研制的渗透固结仪器密封性能好,可以收集试样固结过程中排出的孔隙水。软黏土试样在大于临界卸荷比的情况下发生回弹吸水,其规律与预压荷载持续时间有关。当预压荷载持续时间为主固结完成时,则软黏土试样回弹变形引起的体积变化等于进入土体的孔隙水的体积;若荷载持续时间为24 h,则回弹变形可以分为主回弹阶段与次回弹阶段。在主回弹阶段,土样的体积变化等于吸入土体的孔隙水的体积;在次回弹阶段,试样并未吸水,仍然有少量变形。卸荷后软黏土试样吸入土体的水量与固结沉降排出土体的水量之比普遍小于10%。     

动力排水固结法加固吹填黏性土的模型试验研究

为了研究动力排水固结法加固吹填土地基的效果,研发了大比例尺的室内模拟试验装置并开展了试验。重点对夯沉量、土体内孔隙水压力的瞬时和长期变化进行了监测和分析,得到如下结论:夯击产生的能量以波的形式向土体内部传播,由于波的作用造成土体拉伸形成裂隙,这些裂隙成为初期的排水通道;孔隙水压力的动态变化具有明显的脉动特性,夯击瞬间出现负增长,然后再累积增长;不同深度土体的孔隙水压力增幅不一样;土体表面铺设的砂垫层不仅可以用做排水,还可以作为静力荷载,有助于土体的排水固结。     

软黏土层一维有限应变固结的超静孔压消散研究

根据土力学固结理论计算分析软黏土层固结过程的超静孔隙水压力值,确定软黏土体固结过程的强度增长,对排水固结法处理软土地基至关重要。软黏土层固结过程中土体变形较大时,有限应变固结理论和小应变固结理论计算分析软黏土固结所得结果差异较大。利用非线性有限元法及程序,通过对软黏土层固结工程算例的计算结果分析,研究了有限应变固结理论和小应变固结理论计算分析软黏土层一维固结超静孔压值消散的差异;探讨了软黏土体一维固结过程中,几何非线性、土体渗透性变化和压缩性变化对超静孔隙水压力消散的影响。研究结果表明,当土体的变形较大时,有限应变固结理论计算出的超静孔压要比小应变固结理论得到的值消散的更快。考虑土体固结过程中渗透性的变化时,超静孔压消散变慢;可用软黏土渗透性变化指数ck 反映渗透性变化对超静孔压消散的影响,渗透性变化指数ck值越小、超静孔压消散越慢。固结过程中软黏土压缩性的大小及变化也影响超静孔压的消散,可用软黏土的压缩指数cc反映固结过程中压缩性的大小及变化对超静孔压消散的影响,软黏土的压缩指数cc越小,固结过程软黏土层中的超静孔压消散越快。     

动力排水固结法的加固机理及工艺特征

在分析动力排水固结法加固软粘土地基的机理和特点的基础上,提出了适用于处理软粘土地基的动力排水固结法施工工艺。     

絮凝−电渗法联合治理淤泥质土试验研究

针对传统电渗法治理淤泥质土过程中排水效率低且治理后土体不均匀等问题,从改变软黏土颗粒自身持水特性角度出发,提出采用新型有机高分子材料阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）联合电渗法治理淤泥质土的思路。利用自制的一维电渗固结试验装置,探究絮凝−电渗法联合作用机制以及不同絮凝剂掺入比对电渗排水加固效果的影响规律。试验结果表明：与传统电渗法相比较,絮凝剂 APAM 的掺入减少了软黏土颗粒表面的结合水膜厚度,使得淤泥质土的前期电渗排水速率和累计排水量显著提升,从而降低了电渗法的平均能耗系数;同时,絮凝剂高分子长链的“吸附架桥”作用增强了土颗粒的黏结力和絮凝沉积效果,有效缓解了电渗过程中细小黏粒迁移集聚而造成的阴极淤堵问题;治理后淤泥质土的抗剪强度大幅增高,土体的均匀性也得到了明显改善,且当絮凝剂 APAM 掺入比为 0.30% 时,土体的电渗排水固结效果最佳。