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软土地基一维非线性固结性状研究 摘要 软土地基一维非线性固结理论的研究己达四十年，但是目前关于软土非线性固结 性状的认识还不全面和深入。本文在前人工作的基础上，对饱和软粘土地基的一维非 线性固结性状进行了更全面细致的研究与分析，并绘制了大量固结计算曲线。 研究表明，除边界条件外，影响软土地基一维非线性固结性状的主要因素是压缩 指数昏渗透指数荷载大小与加荷速率、土层厚度等。 对于非线性固结，特别是成层地基，按沉降定义的平均固结度以大于按有效应 力定义的平均固结度，即沉降发展速率要快于超静孔压消散的速率。 当假定自重应力为常数时，c 以i 值、荷载和土层厚度的增加都会使沉降加大。随 着荷载的增大，超静孔压当c 如l 时增大，而当c j c k 一 1 ，b u ti tw i l lb ed e c r e a s e da tl a t e rs t a g eo f c o n s o l i d a t i o na sc d c k 1 t h ei n c r e a s eo fe i t h e r t h ev a l u eo f r a t i oc e c k o rt h et h i c k n e s so f s o i lw i l lr e s u l ti nt h ei n c r e a s eo f e x c e s sp o r ew a t e r p r e s s u r e - t h ei n f l u e n c eo ft h el e v e lo fl o a d i n go nu sa n do n a r ed i f f e r e n tf o rd i f f e r e n tv a l u e o ft h er a t i oc d c bt h ei n f l u e n c eo nu si sg r e a t e rt h a no nu pw h e nc d c , ( 1 ，b u ti tr e v e r s e s w h e nc 如1 k e y w o r d s ：s o f ts o i l s ；n o n l i n e a r ；o n e - d i m e n s i o n a lc o n s o l i d a t i o nb e h a v i o r ；s e m i a n a l y t i c a l s o l u t i o n ；l a y e r e ds o i l s 2 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性周结性状研究 第一章前言 i i 一维固结理论的研究现状 饱和土体在外加荷载的作用下，由于土体的可压缩性与可渗透性，土体中的孔 隙水将逐步渗出，体积逐渐缩小，直至所旌加的压力全部传递到土骨架上，土体达 到平衡稳定为止，这种现象就是土体的固结。在整个固结过程中，土体的压缩变形 速率不断减缓，而土体的强度却逐渐增加。当土体在荷载作用下土中水的流动与土 体的变形都仅发生在一个方向上，就称为一维固结( 或单向固结) 问题。 土体的固结压缩规律是相当复杂的，它不仅与士体的物理力学特性、应力历史 等有关，而且随着边界条件、荷载条件等的改变而发生变化。 k t e m a g h i ( 1 9 2 5 ) 最先提出了饱和土体的一维固结理论，奠定了近代土力学 的基础。针对均质饱和土，他采用了线弹性的应力应变关系和d a r e y 定律，并假设 土体的渗透系数与体积压缩系数m ，在固结过程中保持不变、与土体初始厚度相比 土体的固结变形为小变形以及荷载瞬时施加，得出了以下一维固结方程： ! ：! ! 型丝：塑( 1 1 ) y 。dv 8 z la t 显然，t e r z a 曲i 的一维固结理论是建立在一系列的简化假设的基础上的，这些假 设都是对实际情况的理想化，与现场实际情况相去甚远，因此，随后的不少专家学 者不懈努力，采用更精确的土力学模型以及采用更符合实际情况的初值与边值条件 来改进与优化t e r z a g h i 理论，从而建立了新的固结理论。 2 0 世纪6 0 年代开始了一维非线性固结理论的研究。l o ( 1 9 6 0 ) 在研究过程中尝 试着考虑固结系数的变化。r i e h a r t ( 1 9 5 7 ) 采用有限差分方法求解固结方程时考虑 了孔隙比的改变。s c h i f f i - n a n ( 1 9 5 8 ) 贝1 | 在研究中考虑了渗透系数的非线性变化。h a n s b o ( 1 9 6 0 ) 在研究粘土地基的砂井固结问题中考虑了土的渗透性的改变。许多学者在 同时考虑土的主固结与次固结方面也做了不少研究。 d a v i s & r a y m o n d ( 1 9 6 5 ) 在研究正常固结粘土的固结方程时，应用基于固结试 验的e l o g 一7 关系，通过假定固结过程中渗透系数与体积压缩系数m ，变化是同 步的，得到了固结系数c ，为恒量下的一维非线性固结方程，并且得到了其解析解。 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性周结性状研究 研究发现在有侧限一维固结条件下根据 r e r z a g h i 理论假设能得到较好的沉降结果， 但是在孔隙水消散率方面的估计是偏于不安全的。b a r d e n & b e r r y ( 1 9 6 5 ) 采用p 1 0 9a ，关系以及渗透系数与孔压“的简单关系式，采用有限差分方法得到了固结 曲线。 r e g i b s o n ( 1 9 6 7 ) 在研究均质饱和土体的非线性固结时考虑了在固结过程中 的渗透系数与体积压缩系数的改变。他同时指出d a r c y 定律是有限适用的，这 与土骨架形状的改变以及超静孔隙水压力减少的梯度有关；当较薄的粘土层发生固 结沉降，与外加的荷载相比，土体的自重应力是可以忽略不计的。m e s r i & r o k h s a r ( 1 9 7 4 ) 引用目前公认的e l o g 口7 关系和e l o g k v 关系，同样用有限差分方法得 到了相关固结曲线。 r e g i b s o n ( 1 9 8 1 ) 在考虑土体自重的前提下，在固结过程中考虑了渗透系数 与体积压缩系数珊，的改变，采用非线性大应变理论求解土体固结曲线，分析发现 该条件下的固结沉降速度要比传统固结理论要快，但是孔隙水压力的消散速度却相 对较慢。因此对于饱和土体而言，可能严重低估超静孔隙水压力，而当采用有效应 力分析方法，就会相应高估土体所承受的剪应力而产生潜在的不利影响。 李冰河( 1 9 9 9 ) 在其博士学位论文中指出g i b s o n ( 1 9 6 7 ) 提出的一维大应变固 结方程对土体的应力应变关系、土的渗透性、土层厚度变化大小及土体自重影响都 没有限制，是一维固结方程的通用形式。当采用小应变假设时，如采用线弹性的应 力应交关系并假设渗透系数在固结过程中保持不变，该方程就转变为最简单的 t e r z a g h i 一维固结方程，而当不考虑土体的自重，同时引入了e l o g t 7 7 关系并假 定生q 型_ d o ：恒量，就得到d a v i s & r a y m o n d ( 1 9 6 5 ) 关于非线性小应变的固结 ，w a e 方程。因此s c h i f f m a n ( 1 9 8 0 ) 提出无论线性或非线性的小应变固结理论都是大应变 固结理论的特例。 z n i d a r c i c 等( 1 9 8 6 ，1 9 8 7 ) 采用实验分析的方法研究非线性固结问甄。他们在 实验分析中考虑土体自重的影响，采用实验拟合的孔隙比e 与渗透系数岛的曲线来 反分析土体的固结，结果表明采用实验与理论分析结合的方法能较好地估计软粘土 的固结变形。 李作勤( 1 9 9 2 ) 分析土体固结变形时讨论了体变与畸变的同时性与依存性以及 在次固结变形时间和变形量的有限性前提下的土体一维非线性固结变形特性。通过 2 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 室内试验研究得出次固结变形随时间变化的规律以及次固结变形量的增长速率随固 结压力变化的规律。提出可用预压消除次固结变形的隐患。 j h y m & j g r a h a m ( 1 9 9 6 ) 在固结方程中采用了粘弹性的本构模型来计算基 于多级竖向加荷条件下的一维土体沉降和超静孔隙水压力变化。并采用有限差分法 求解一维非线性固结方程。在与实测数据进行对比中发现土的粘滞性对土体的有效 应力与超静孔隙水压力有很大的影响。 x i ek h 等( 1 9 9 6 ) 在d a v i s 等的研究基础上，获得了考虑荷载随时间变化时的 解析解，并且区分了非线性固结问题中按照变形定义与按照孔压定义的固结度的异 同。 王奎华等( 1 9 9 8 ) 考虑了土的流变特性研究具有双面透水边界的饱和土体的一 维粘弹性固结理论，并得出了相应的解析解：分析了影响固结过程的主要因素。粘 土层的顶面与底面的透水性能对土体固结有很大影响，而流变特性主要影响固结过 程的后半期。 李冰河等( 1 9 9 9 a ，1 9 9 9 b ，2 0 0 0 ) 针对以前的非线性固结理论研究都是假设初 始有效应力为恒值而非随深度变化，而天然沉积土层中的自重应力均沿深度变化的 状况，研究了初始有效应力随深度变化、土体的渗透系数岛与体积压缩系数m y 非线 性变化的一维固结问题；并运用半解析法求得了解答。还采用c r a n k - n i c o l s o n 有限 差分法求解了一维非线性固结曲线，并分析了考虑非线性对土体固结影响的必要性。 洪宝宁等( 1 9 9 8 ) 考虑了土体固结过程中超静孔隙水压力的消散及土体具有流 变性的耦合作用影响，提出了一种计算一维土体固结变形的数值方法，同时分析了 两者在土体固结过程中不同阶段所起的作用。 徐登文等( 2 0 0 0 ) 针对工程中许多外加荷载是逐渐增加的状况，探讨了荷重随 时间变化下的单向压密沉陷行为，并采用粘弹性理论推导求解。发现土体的固结系 数“随荷载改变而发生改变，高塑性指数及低加荷速率下的粘土单向固结的变形量 较大。 1 2 层状土体固结理论的发展现状 由于实际地基土大多是由性状不一的层状土组成，而且随着地基处理技术的不 断发展，人工形成的成层土地基将越来越多，因此成层土地基的固结问题也越来越 3 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 多地被学者们关注。g r a y ( 1 9 4 5 ) 给出了双层地基在瞬时加荷条件下的解析解，但 是未能考虑加荷随时间的变化，同时也未能考虑初始孔压沿深度非均布的状况。 栾茂田等( 1 9 9 2 ) 运用分离变量法直接求解太沙基所建立的一维固结方程，得 到了双层地基在不同时刻各深度处的孔隙水压力及总固结度的解析计算公式。通过 各种参数的不同组合，得出了土层孔隙水压力消散的规律并计算了按照变形定义的 土体固结度。 谢康和等( 1 9 9 3 ，1 9 9 4 ) 分析介绍了双层地基固结的基本理论，考虑了瞬时加 荷或等速加荷下的双层地基平均固结度的计算公式并绘制了曲线；同时给出了按照 沉降定义与按照平均孔压定义的平均固结度。首次论述了成层土地基平均固结度两 种定义的差异，指出仅当上下土层的刚度相同时两种平均固结度才能等同。还指出 加权固结系数法和平均指标法都有其局限性，由于没有考虑两种固结度定义的不同， 无法获得其固结度的具体定义，故难以获得合理的结果。同时指出对于双面排水条 件，双层土的固结系数相同且厚度相同时，按照加权平均法比较精确；而当 1 m ，l = 2 m 记时，不论单面排水或双面排水，用平均指标法计算按照沉降定义的平均 固结度均能获得较理想的结果。 谢康和( 1 9 9 4 ) 给出了考虑荷载随时间任意变化及起始孔压沿深度任意分布条 件下的双层地基一维固结问题的解答，同时表明对于双层地基，土的固结系数不是 决定士体固结特性的唯一土性指标，除边界、荷载、起始条件及土层厚度外，还随 着土体的渗透性与压缩性的变化而改变；土层的刚度对地基的固结有重要影响，土 层越硬地基固结速度越快。 谢康等( 1 9 9 5 ) 研究了不同边界排水条件下，任意层地基受随时间任意变化的 连续均布荷载作用的一维固结问题，给出了完整的解析解，并指出对于成层地基中 的某层土来说，其平均固结度按照沉降定义或按照变形定义是一致的，而对于整个 地基而言，其整体固结度按照两种方法定义是有区别的，仅当各层士的压缩系数m ， 或压缩模量西相同时才有相同解。对于层状土地基，谢康和( 1 9 9 6 ) 还研究了其在 半透水边界条件下的一维固结特性，讨论了边界排水条件及土的成层性对固结的影 响。 i cp y r a h ( 1 9 9 6 ) 研究了具有相同固结系数c v 的双层土地基一维固结问题。基 于不同的渗透系数及压缩系数m v 条件，通过两个标准土层组合成不同成层土剖面 4 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 的分析，可以了解不同土层中不同土颗粒组成结构对于双层土地基一维固结的影响。 gz h u 等( 1 9 9 9 ) 研究了外加荷载随时间改变状况下，土体总应力随时间及深 度变化的成层土地基固结问题。同时指出当竖向总应力随深度改变时，o l s o n ( 1 9 7 7 ) 导出的解答就不能用来计算超静孔隙水压力。他们还分析了渗透系数、压缩系数及 土层厚度对孔隙水压力与固结度的影响。 徐长节等( 1 9 9 9 ) 也研究了地表荷载随时间任意变化( 复变荷载) 下成层土弹 性地基的一维固结方程及其求解；对其中成层土地基孔压消散机制及固结变形发展 规律进行了探讨。 谢康和等( 2 0 0 3 ) 研究了变荷载下成层地基一维非线性固结问题，并采用半解 析法对此复杂问题作了求解。 1 3 本文主要工作 鉴于目前关于软土地基非线性固结性状的认识还不够全面，可直接用于非线性 固结分析的计算曲线还比较缺乏，本文拟在现有研究基础上，对软土地基非线性固 结性状作较为全面系统的研究，同时绘制多种固结曲线以供实际参考使用。具体主 要工作包括： l 、单层饱和软土地基一维非线性固结性状分析。 2 、双层地基在荷载变化及土性参数改变等影响下的一维非线性固结性状分析。 3 、多层地基的一维非线性固结性状分析。 本文未考虑土的流变性对固结的影响，也没有考虑应力历史等对土体固结的影 响。 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 第二章一维非线性固结问题及其半解析法 2 1 问题的描述 考虑如图2 1 所示厚度为h 的单层饱和软土地基，其地表受连续均布荷载g = g ( ，) 的作用，其初值为q ( 0 ) = q o ，加荷历时站后达到恒值吼，如图2 2 所示。土层的顶面 是透水的，而其底面是透水或不透水的。 图2 1 单层地基示意图2 2 荷载与时间的关系 土体的渗透系数、土体的孔隙比e 以及土体中的有效应力a7 是随着固结过 程的进行而不断变化的。在实际地基中土体的初始有效应力( 即自重应力) 口。7 是 沿深度线性增加的，即有盯。= 加( y 为土体的有效重度) ；但是为了简化并便于同 t e r z a g h i 一维固结理论对照，将土体初始有效应力近似为常数，即仃。= y 7 - 1 2 ( 即 取其为土层中点的自重应力值) 。 土体在固结过程中的渗透系数和孔隙比的变化可以根据目前比较公认的e l o g o7 和e l o g 关系确定： e e o = c 。1 0 9 ( “盯) ( 2 1 a ) e - e o = c il o g ( k ，k ) ( 2 1 b ) 可以求得： 同时： = 七( c r ；a ) 7 “ 肌，一击生0 0 啪；o r )肌v 一而一钏p 。吲 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中：e o 为初始孔隙比，a 。7 为初始有效应力，为初始渗透系数，岛为压缩指数 ( e l o ga7 曲线的斜率) ，“为渗透指数( e l o g k v 曲线的斜率) ， m v 0 = f 。【( 1 + e o ) “l n l 0 】为初始体积压缩系数。b e r r y & w i l k i n s o n 指出一般c 如在 0 5 2 0 之间，而m e s r i 等则指出对于大量粘土和页岩而言，靠的范围在0 0 2 5 0 之间，其中对于软粘土，常见的范围为0 5 2 0 之间。 6 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 根据太沙基的一维固结理论，一维饱和土体的连续方程为： 昙( k 7 1 。a 出u ) = 两1 瓦o e ( 2 4 ) 也 h 出l + 8 0 扰 在如图2 2 所示均布荷载口( r ) 的作用下，土体任意时刻的有效应力可以表示 为：盯= 盯；+ q ( t ) 一u ，贝u 有 a 盯d ao u 百2 言一百 ( 2 5 ) 将( 2 1 a ) 、( 2 2 ) 、( 2 5 ) 代入式( 2 4 ) ，可以得到一维非线性固结控制方程： 昙c c 之专毒老，= 面丽1 石c c c 等一争 c z 神 式中，仃；= + 吼= 盯为最终有效应力。 该方程的初始条件与边界条件为： 1 )r = o “= g ( o ) 2 ) o t 1 ) ；对于工程中常 见的单级匀速加载，有： 虻 。嚣 czsu，0 i。 则可以获得在任意一时间段k 内，任意一小土层i 的一维固结微分方程： c 。可( 9 2 u t = 百c l u i ( 一l z z j ；f = 1 ，2 ，撑) ( 2 9 ) 其中“产嘶( z ，t d 为土层i 在对应时段k 内任意一点的超静孔压。c v ，为土层i 在该时 段的竖向固结系数，可以由前一时段末该土层计算出的平均孔压近似推算出，七v ， m ，的取值与f = 纯l 时的值对应，则有 朋w = m v o 粤 ( 2 1 0 a ) k 。= b ) 幽 ( 2 1 0 b ) = 生l = c ( 乓) 讹一1 ( 2 1 0 c ) 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 其中：m 矿i n + e o ) o oh a l o ：且：坐盐趔 m v o ，wc c ，w 方程( 2 9 ) 的求解条件如下： 边界条件： z = o ，m = o ； z ：h ，挚：o ( 底面不透水) ，u n ：o ( 底面透水) ( 2 “a ) 层面交接处的连续条件： 肛弘坼刮m ，k 警= k v o + 1 ) 警 ( f _ 1 ，2 ，加1 ) ( 2 1 l b ) 各个时间段的初始条件： “o = “o 。+ g 七 ( 2 1 l c ) 对于方程2 9 ，可以获得满足所有求解条件的解答如下( 谢康和等。1 9 9 5 ) ： “，= ：l q “z ) p 一肌i = 1 , 2 ，玎 ( 2 1 2 ) 式中： c m = 尾= 走c 。h 2 ( 2 1 2 a ) ( z ) 2 厶，s i n ( “以旁+ 巩，c 。s ( “厶寺) ( 2 1 2 b ) 2 ：甜。五万 4 。( c l + d f 。) + 吃。( 置+ 。一4 ) 】 ：，鬲【鸬房厶( 。+ 焉，) + ( 或。一彳二) ( d f + ，丑+ 。一百动i 五i 云面i j 五丽 ( 2 1 2 c ) 式( 2 1 2 b ) 中的系数爿“和巩。可以由以下递推公式计算 擞群三姥0t叫bm0_or，行)(212d)bm i 1 , 2【一。r 。】1 = s 【以( “)= ，行， 其中s i 为以下矩阵 s ，_ 孝台二砖c f q d f ：4 c j 量】f ：1 ，2 ，刀 (212d e ) “| l c l b l i a i d ic | d + a , 4 , a l j i l j h 、 矩阵中的系数a ，、b j 、c f 、d r 和函的计算式为： 9 浙江大学硕士学位论文；软土地基一维非线性固结性状研究 其中 d i = 4 = s i n ( u ，以百z i - i ) e = s 叫阼t 九号 c f = c 。s ( 鸬以等) 口f ：善 6 ：塑：鱼 m “占“ 尸，2 吉2 i 炉是= 菇 ( 2 1 2 f ) ( 2 1 2 9 ) 而 m 为以下超越方程的正根 砖+ 1 鼠鼠_ 1 马墨= 0 ( 2 1 2 h ) s l = 1o 】7 其中 q 一【玩+ 。见+ 。】 ( 底面透水) ( 2 1 2 i ) 山“一1 【d 。一吃+ 。】( 底面不透水) 根据以上孔压的解答，可以进一步得到平均固结度的表达式： 按孔压定义的平均固结度： 警一硒1 厶。“如= 扣沪。；。蹬型止繁d 监竺) 按变形定义的平均固结度： u 2 糕2 丽1 爱。t 毗音；。缝 攀矿】 上述各种固结度均是对最终荷载轧而言的。在t e r z a g h i 一维固结理论中，平均 固结度按沉降定义和按平均孔压定义是相同的，即u s 【= 配，但是对于考虑土体非 线性的一维固结问题，从上式可以发现，总平均固结度按照沉降定义和按照平均孔 压定义是大不相同的。上述分析对是否考虑土体自重的影响都是适用的。 1 0 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性周结性状研究 图2 4计算程序结构框图 l l 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 时加荷条件下c 。q = 1 时的孔压甜和按沉降定义的土体固结度u 的解析表达式( 此 “= 町 1 _ ( ) 匹吾睁 ( 2 1 3 ) 其中：m ：t 2 m - 1 石聊：1 ，2 ，3 瓦= 等 用 占= ：。石2s i n ( 争e 砒 和m ：乏：垡去丝表示，则有： “：导生( 1 一虬一。) ( 2 1 4 a ) 虬一1 、 。 ”妾= 器= - i f ( 1 - b ) 出= 1 - 二旺m ， 咿一击f ：r 妇= 击噜f 矿， 眨， 其中，当町“= n 。= 1 时，对式( 2 1 4 c ) 求极限可得到l 铲以，也就是太沙 忙 肾n q - - t _ 1 ( 1 - 。e ，- b ) 羞 渤， 浙江大学硕士学位论文；软土地基一维非线性固结性状研究 其中 u ，= u p = 志c ，- 聋c 1 】“f - 眨m ， 卜壶：。二m 2 一c 2 佗，z 南专p 出一争。 南咕p 出一寺川。 瓦= c ，i h 2 且= ：，唁2s 叫等矿2 c 1 】 呸= ：。嚅2s i n 学) 一耳c ：】 ，。一铬，v 。( m2 ) 口- 1 ) 1 c - 剐”1 【l n n 攒】 r 1 。鲁 ，。f 。( m 2 ) ( ，- 1 ) 1 c ：一e ”1 阻：= t 攒】 2 3 计算程序验证 r ：生盟二! 堡 乇 ( 2 1 5 c ) 基于上述的半解析法，采用f o r t r a n 语言编制了饱和土非线性一维固结计算程 序n a o d c s ( n o n l i n e a ra n a l y s i so fo n e - d i m e n s i o n a lc o n s o l i d a t i o no f s a t u r a t e d s o f t s ) 。程序的框图如图2 4 所示。 在应用半解析法及计算程序进行分析以前，先对其进行验证非常熏要。由于非 线性一维固结方程的复杂性，其解析解一般不易求得，因此只能利用前述c 。唧= 1 简 化条件下获得的一维非线性固结方程的解析解来进行验证。 表2 1 地基土性参数 f 岛c ke oy s a t 日 g h ( 1 0 - 7 e r a s )( k n m 3 )( m )( k p a ) io 50 58 1 51 5 2 21 7 8 12 01 0 0 图2 5 和图2 6 为单面排水条件下采用如表2 1 所示基本参数所得的半解析解 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 与解析解计算结果的对比，从图中可以发现，两者是非常吻合的，表明本文采用的 半解析法与计算程序是可靠的。 邑 s 图2 5 半解析解与解析解的以比较 图2 6 半解析解与解析解的比较 1 4 o m国乃蚰 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 第三章单层地基一维非线性固结性状分析 本章主要应用前述计算程序分析当土层中自重应力均布时单层地基在不同 巳q 情况下的一维非线性固结性状，以及荷载变化和土层厚度变化带来的影响。 3 i c c q = 1 时的固结性状 计算选用的参数如表3 1 所示。计算中假设地基是单面排水的，且自重应力沿厚 度均布( 即o o = 7 7 2 ) 。计算的目的是分析荷载( 或即n o - 值) 变化对固结性状的 影响，其中虬为最终有效应力与初始有效应力之比， ， 肌虬：2 ：哗( 3 1 ) 仃oo _ l岛靠( 1 0 - t c m s )p 04 07 ( k p a ) ，勋( k n m 3 ) 日( m ) l 0 5 0 00 5 0 08 1 5 01 5 2 24 0 0 0 01 7 8 1 01 0 0 0 0 3 i 1 瞬间加荷时 变化对固结和沉降的影响 假设荷载是瞬间旌加的，选取不同的荷载知值使虬的数值分别为1 5 、2 0 、2 5 、 3 0 、3 5 。图3 i 3 2 分别是兀卸0 5 ( t = 1 5 0 天) 和丁产o 5 ( t = 1 4 9 9 天) 时的超静孔 压沿深度变化的曲线。从中可见在固结的初期( t = 1 5 0 天) l 的变化引起超静孔压 在土层中部有差异，但在底面由于不透水孔压不易消散故差异很小；而随着时间的 增大( t = 1 4 9 9 天) 和固结的进行，在土层底面孔压消散的差异逐渐加大。此外，超 静孔压u 显然随着 的增大而增大。 00 20 4 ，0 6 u q 0 8 图3 1 珩o 0 5 时超静孔压沿深度变化曲线( c c c k = 1 ，咒 - o ) 1 5 o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l o o 0 0 o o 0 0 o 王秘 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 0 o 1 0 2 0 3 o 4 毫0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 00 10 20 30 40 50 6 “g 。 图3 2 驴o 5 时超静孔压沿深度变化曲线( c 。= 1 ，k = 0 ) 0 2 0 4 0 一 要6 0 的 8 0 1 0 0 1 2 0 o o o l0 0 10 1l r 。 图3 3 沉降量随耳变化曲线( c q = 1 ，l 产o ) 0 0 0 10 0 l0 1 r ， 图3 4 固结度以随耳变化曲线( c q = 1 ，咒产o ) o m加如们如鲫弛蛐知 摹一s 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 蓦 寸 1 0 1 0 2 0 3 0 0 0 o o 0 0 0 0 0 0 10 0 l0 1 i1 0 r ， 图3 5 固结度随兀变化曲线( c 。c t = 1 ，= o ) 图3 3 是 0 变化时沉降量随咒变化的曲线。显然随着。的增加，沉降量也是 随之增加的。图3 4 3 5 分别是固结度已和随兀变化的曲线。可见，在瞬间加 荷条件下，固结度乩与。的变化无关，结合上章式( 2 1 4 o ) 可以发现其与太沙基 解相同；而固结度则随着 0 的增加而减小。 3 1 2 逐渐加荷时变化对固结和沉降的影响 现假设荷载是逐渐匀速单级施加的，加荷完成时z o 2 ，同样选取不同的最终 荷载吼值使。的数值分别为1 5 、2 0 、2 5 、3 0 、3 5 a 图3 6 3 7 分别是z o 0 5 ( t = 1 5 0 天) 和z 0 5 ( t = 1 4 9 9 天) 时的超静孔压沿深度的变化曲线。与瞬间加荷类 似，在固结初期( t = 1 5 0 天) 孔压随 0 变化较小，而随着时间的增大( t = 1 4 9 9 天) 和固结进行差异越来越大。同时超静孔压”随着 0 的增大而增大。 一- 、 、 虬= i 5 ，2 0 , 2 5 , 3 0 , 3 5 l 、 1 5 2 0 - 2 5 - 3 0 3 5 u q 图3 6 驴o 0 5 时超静孔压沿深度变化曲线( c c 吼= l ，7 k = o 2 ) 1 7 o 2 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l o 0 o 0 0 o 0 0 o 壬王菌 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 0 0 1 0 2 0 3 0 4 毫o 5 0 6 o 7 0 8 0 9 1 00 10 20 30 4 0 50 6 u q 图3 7 华o 5 时超静孔压沿深度变化曲线( c e q = l ，= o 2 ) 02468 s ( c m ) 图3 8 t v = 0 0 5 时土体变形沿深度变化曲线( c c “= 1 ，t ：o 2 ) 图3 8 是z v _ o 0 5 时土体变形沿深度变化曲线。可见随着。的增加土体变形也 增加；在固结初期，土体变形的差异就较大，表明在固结初期孔压消散的速率要小 于土体变形增加的速率，并且土体变形与孔压消散均主要产生于土层的上部。图3 9 是沉降量随兀变化的曲线，同样说明随着。的增加沉降量不断增加。 图3 1 0 3 1 1 分别是固结度和随瓦变化曲线。在匀速加荷条件下，固结 度醵随 0 的增加而增加，这与瞬间加荷条件下得出的结论完全不同；而固结度 随着。的增加而减小。同时可以发现，。增加对的影响要比大得多。与瞬 间加荷相比，在匀速加荷条件下固结初期由于荷载较小 0 增加对的影响比瞬间 加荷条件下的影响要小得多。 o ，2 3 4 5 6 7 s 9 0 暑v h 浙江大学硕士学位论文：软土地基维非线性固结性状研究 o 2 0 4 0 一 亘6 0 的 8 0 1 0 0 1 2 0 0 o l ot。 1 图3 9 沉降量随l 变化曲线( c 。c i = 1 ，瓦产o 2 ) o 0 1o 1 r 。 图3 1 0 固结度以随l 变化曲线( c 。c k = 1 ，咒c _ o 2 ) 0 0 1o 1 r 。 图3 1 1 固结度随瓦变化曲线( e c c = 1 ，卿2 ) o如如如如知帅 一摹一寸 o m加如们如加如如 嚣一寸 3 2 c c c 。 i 时的固结性状 选用如表3 , 2 所示的参数分析c 。q 1 时。的变化对固结和沉降带来的影响。 计算时仍考虑地基是单面透水的。 l 岛c k( 1 0 一c m s ) e oo o7 ( k l a )j ，跏( k n m 3 ) ( m ) lo 3 0 00 5 0 0 8 1 5 01 5 2 24 0 0 0 01 7 8 1 01 0 0 0 0 3 2 1 瞬间加荷时 0 变化对固结和沉降的影响 假设荷载是瞬时施加的，同样选取虬的值分别为1 5 、2 0 、2 5 、3 0 、3 5 。其 他的计算参数如表3 2 所示。此时c 。q = 0 6 。 00 20 40 60 81 匀。 图3 1 2 野= 0 0 5 时超静孔压沿深度变化曲线( c 。q = 0 6 ，= o ) 00 10 2 ”q ” 图3 1 3 t ，- - o 5 时超静孔压沿深度变化曲线( c 。c = 0 6 ，= o ) 0 4 o l 2 3 4 5 6 7 8 9 l o o o o o o o o o 霉袖 o 2 3 4 5 6 7 8 9 1 o o o o o o o o 0 壬王 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 图3 1 2 3 1 3 分别是丁o 0 5 ( t = 9 0 天) 和驴o 5 ( t = 8 9 9 天) 时超静孔压沿深 度变化的曲线。同样可见在固结初期 0 改变仅使孔压在土层中部有差异，而底面由 于不透水孔压还没有消散故差异很小：随着固结的进行底面的孔压差异逐渐加大。 此外，在固结的初期( t v = 0 0 5 ) ，孔压随着。的增大而增大( 图3 1 2 ) ，但在固结后 期孔压随着 0 的增大而减少( 图3 1 3 ) 。与c 。c 。= 1 时相比，图3 1 3 显示孔压消散 比图3 2 要快得多。 图3 1 4 沉降量随l 变化曲线( c 。吼= 0 6 ，耻o ) 图3 1 4 是沉降量随瓦变化曲线，可见随着 0 的增加，沉降量也随之增加，但 是与图3 3 相比，改变岛值使c 。q l 时的沉降量显然比c 。c 。= 1 时的沉降量要小得 多。同时可以发现如果仅岛值改变，其他参数保持不变，则沉降量也近似随岛值变 化成比例变化。 0 0 10 1 110 r 。 固结度u s 随兀变化曲线( c 。= 0 6 ，= o ) 2 l o加加如帅如加舯蛐 暴一s 53 图 0 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 图3 1 6 固结度随l 变化曲线( c = 0 6 。凡印) 图3 1 5 3 1 6 分别是固结度和随兀变化曲线，当c 。c 。 1 时单层地基 0 变化对固结和沉降的影响。 假定地基单面透水。 2 4 o加加蚰如加如知 享一s o加如柏如如 一邑寸 。 浙江大学硕士学位论文：软土地基一维非线性固结性状研究 l 岛c k( 1 0 m s )e o。o7 ( 1 0 a )，跏( k n m 3 )h ( m ) lo 6 0 00 5 0 08 1 5 01 5 2 24 0 0 0 0 1 7 8 1 01 0 0 0 0 3 3 1 瞬间加荷时。变化对固结和沉降的影响 假设荷载是瞬时施加的，