土力学第五章-渗透固结理论.ppt

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：,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。,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。,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%，这时，土层达到压缩稳定状态，其压缩量为最终压缩量。,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：,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。,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。,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。,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。,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。,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：,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0：=1；情况1：=0； 情况2：= 情况3：=01；情况4：1,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。,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：,时间对数法