（岩土工程专业论文）土的连续加载固结试验方法分析.pdf

1 ) m i n u o u sl o a d i n gc o n s o l i d a t i o nmethodlh ec o n t l n u o u sl o a d i n gc o n s o l i d a t i o nt e s tm e t h o d r e s e a r c ho nt h es o i l ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：y a ob e i b e i s u p e r v i s o r ：p r o f x i ey o n g l i c h a n g a nu n i v e r s i t y ，x i a n ，c h i n a 5川5 iiiii03川7，川川jiy 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：始灾k z , o b 年多月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：自始欠灾加卜年莎月b 日 导师签 7 , - s1 。年d 月夕日 摘要 固结试验是研究土体在外荷载( 包括自重应力在内) 作用下的压缩特性。它是测定 土体在轴向压力作用下的压缩特性，试验所得指标可以用来判断土的压缩性和计算地基 的沉降。 本文采用长安大学研制的侧限式连续加载与分级加载固结仪进行了原状黄土、饱和 黄土、饱和软土的k o 固结试验，分别进行了分级加载民固结试验和等应变连续加载k 固结试验。分别研究了两种试验方法所得的轴向应变与轴向应力、割线模量与轴向应力、 凰的变化以及饱和土固结系数的变化规律，认为轴向应变与轴向应力呈良好的双曲线 关系，甄与轴向应力呈良好的双曲线关系。本文还利用连续加载固结仪进行了饱和软 土应力松弛的试验研究，得到了饱和软土松弛应力与应力水平及应变水平的关系呈良好 直线关系；同时进行了饱和软土加载卸载试验，得到饱和软土的塑性变形与轴向应力、 弹性变形与轴向应力之间呈良好的直线关系。本文通过试验分析，发现连续加载固结试 实际，并且所用时间较少，可以更好的应用到工程实际中去。 饱和黄土，饱和软土，分级加载k 试验，连续加载k 试验， a b s t r a c t c o n s o l i d a t i o nt e s ti sam e t h o dt os t u d yo n e d i m e n s i o n a ld e f o r m a t i o no fs o i l i nt h ef u l l l a t e r a lr e s t r a i n tb yt e s t i n gc o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o i lu n d e ra x i a lp r e s s u r e ，o fw h i c h t h ei n d e xc a l lb eu s e dt od e t e r m i n et h ec o m p r e s s i b i l i t yo fs o i la n dc a l c u l a t et h es e t t l e m e n to f f o u n d a t i o n i nt h i sp a p e r , k - z e r oc o n s o l i d a t i o no ft h eu n d i s t u r b e dl o e s s ，s a t u r a t e dl o e s sa n ds o f ts o i la r e s t u d i e du s i n gk - z e r oc o n s o l i d a t i o na p p a r a t u s ，w h i c hi st h ec o n f i n e dt h e c o n t i n u o u s c o n s o l i d a t i o n ，g r a d i n gl o a d i n gc o n s o l i d a t i o nb yc h a n g a nu n i v e r s i t y t h e r ea r es t a n d a r d k - z e r oc o n s o l i d a t i o nt e s ta n dt m i f o r i l ls t r a i nk - z e r oc o n s o l i d a t i o n t h eb e h a v i o r so f u n d i s t u r b e dl o e s s ，s a t u r a t e dl o e s sa n ds o f ts o i la r es t u d i e do nt h eb a s eo fk - z e r oc o n s o l i d a t i o n , s u c ha st h ea x i a ls t r e s sa n dt h ea x i a ls t r a i n ，s e c a n tm o d u l u sa n da x i a ls t r e s s ，t h ec h a n g i n go f k - z e r oa n dc o e 街c i e n to fc o m o l i d a t i o no fs a t u r a t e ds o i l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na x i a ls t r a i n a n ds t r e s sc a nb ed e s c r i b e dw i t hh y p e r b o l i cc u r v e ，a n dt h a to fk - z e r o - - 。a x i a ls t r e s sc u r v e i n t h i sp a p e r , t h es t r e s sr e l a x a t i o no fs a t u r a t e ds o f ts o i li ss t u d i e du s i n gc o n t i n u o u sl o a d i n g c o n s o l i d a t i o na p p a r a t u s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np l a s t i cd e f o r m a t i o na n da x i a ls t r e s so ft h e s a t u r a t e ds o f ts o i lc a nb ed e s c r i b e d 、析ml i n e a r , a n dt h a to fe l a s t i cd e f o r m a t i o na n da x i a ls t r e s s a c c o r d i n gt oa n a l y s i so ft e s t s ，s h o wt h a tc o n t i n u o u sl o a d i n gc o n s o l i d a t i o nt e s ti ss u i t a b l et o a c t u a lc o n d i t i o n s ，a n du s el e s st i m e ，c a nb eb e t t e ra p p l i e dt ot h ep r o j e c tt op r a c t i c e k e yw o r d ：t h eu n d i s t u r b e dl o e s s ；t h es a t u r a t e dl o e s s ；t h es a t u r a t e ds o f ts o i l ；t h es t a n d a r d k - z e r oc o n s o l i d a t i o nt e s t ；t h eu n i f o n ns t r a i nk - z e r oc o n s o l i d a t i o nt e s t ；t h es t r e s sr e l a x a t i o n 目录 第一章绪论。1 1 1 固结理论与试验方法研究现状1 1 1 1 固结理论研究现状1 1 1 2 固结试验方法研究现状5 1 2 连续加载固结试验的研究现状6 1 3 静止侧压力系数研究现状8 1 4 本文主要研究内容1 1 第二章试验方案 2 1 试验所用仪器的介绍及标定1 3 2 2 试验方案的提出1 4 2 3 试验方案的实现1 5 2 3 1 试验用土的基本性质1 5 2 3 2 试样及制样15 2 3 3 试验方法1 7 第三章原状黄土常规固结与连续加载固结试验1 9 3 1 原状黄土常规固结试验参数分析1 9 3 1 1 常规固结试验19 3 1 2 压缩曲线1 9 3 2 原状黄土连续加载试验参数分析2 9 3 3 本章小结。4 2 第四章饱和土常规固结与连续加载固结试验 4 3 4 1 饱和土常规固结试验参数分析4 3 4 1 1e 仃。曲线4 3 4 1 2 轴向应变与时间关系曲线分析4 4 4 1 3 轴向应变与轴向应力关系曲线分析4 5 i l l 4 1 4 割线模量分析4 6 4 1 5 静止侧压力系数分析4 7 4 2 饱和土连续加载固结试验参数分析4 8 4 2 1e q ，曲线。4 8 4 2 2 轴向应变与轴向应力关系图5 0 4 2 3 趴关系图和讹t 关系图5 0 4 2 4 割线模量分析5 2 4 2 5 静止侧压力系数分析5 5 4 2 6 固结系数分析5 8 4 3 本章小节6 1 第五章饱和软土应力松弛试验研究 5 1 饱和软土应力松弛试验分析：。6 3 5 1 1 轴向应力与时间关系图分析。6 4 5 1 2e 仃，曲线及e - q gc r ，曲线6 6 5 1 3 松弛应力与应力水平、松弛应力与应变水平关系图6 7 5 2 饱和软土加荷卸荷试验分析6 8 5 2 1 轴向应力与轴向应变关系图6 8 5 2 2 塑性应变与应力水平关系图6 9 5 2 3 弹性应变与应力水平关系图7 0 5 3 本章小结7 1 结论与展望 主要结论7 2 进一步研究建议7 3 参考文献 致谢。 i v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 黄土和黄土状土覆盖着全球大陆面积的9 3 ，在世界上分布较广。我国是世界上 分布最广泛的国家，分布面积大约是6 4 万平方公里，占我国国土面积的6 3 ，主要分 布在北纬3 4 - 4 l 之间的大陆内部，南部以秦岭状牛山为界，北部与沙漠、戈壁外缘 相接，东起太行山，西至乌鞘岭一带。虽然在此范围以外还有黄土和黄土状土的零星分 布，但主要集中分布在黄河中游的陕、甘、宁、晋、豫和冀等六省。而西北地区的黄土 地层则是最厚，最完整，并且分布连续，特性较为典型。我国许多学者对不同地区的黄 土做了大量的室内和现场的试验研究工作，取得了巨大的成果，他们为黄土力学的发展 做出了很大的贡献。本章则进一步归纳简述了黄土的结构和工程特性的研究成果。 软土是近代在滨海、湖泊、沼泽及河湾等地区海相、湖相沉积形成的一种特殊土体， 普遍具有含水量高、压缩性大，强度低、渗透性差、灵敏度高及流变性显著等特点。我 国软土分布也十分广泛，在滨海平原、河1 - - - 角洲、湖盆地周围、山间谷地均有分布。 土的结构性是指土颗粒或集合体的大小和形状、表面特征、排列形式以及它们之间 的连结特征。对土的各种工程特性影响较大的就是土的结构性，黄土特殊的结构决定了 黄土具有特殊的工程特性，因此黄土称之为特殊土。黄土的结构性及黄土的工程性质对 于我们工程应用中有着重要的意义，一般工程中经常会遇到的非饱和黄土，大多会采用 总应力法用来解决黄土建筑物的地基、边坡和堤坝材料，这样就很难正确的模拟工程实 际，从而就大大降低了用土力学来指导工程实践的作用。 1 1 固结理论与试验方法研究现状 1 1 1 固结理论研究现状 一一维固结理论 太沙基在1 9 2 5 年就建立了单向固结的微分方程，同时获得了一定的初始条件、边界 条件下的解析解，为便于分析和求解，太沙基做了如下假定： 1 土是均质的，完全饱和的理想弹性材料； 2 土体的变形是微小的，只发生竖向压缩变形，孔隙水的流动和与变形方向相同， 侧向变形受限； 3 土颗粒和孔隙水是不可压缩的，土的体积变化完全是孔隙水的排出而产生的； 第一章绪论 4 孔隙水渗流服从达西定律，在整个固结过程中渗透系数k 是常数，因此固结 系数c 矿也是常数； 5 在固结过程中，不考虑土层厚度的变化： 6 荷载一次瞬时施加并维持不变，土体承受的总应力不随时间变化。 根据以上假定，则可建立太沙基一维固结方程： 土体完全饱和土颗粒和孔隙水均不可压缩，因此单元土体的体积压缩量变化量 誓出应等于表面流量之差誓d z ，则有： 纠c=z 冬：孕 ( 1 - 1 ) 研c z 式中，g ，为体积应变，吼为单位面积流量。 由达西定律，得 k 加 吼2 一一_ ，宓 式中，k 为渗透系数；九为水容重；甜为孔隙水压力。 将式( 1 2 ) 代入式( 1 - 1 ) 中，得 如， 后a 2 “ 一= = a y 。a z 2 又设总应力不随时间变化，故弹性土体单向压缩时，有 鲁寺= 一害 一= - 二= 一m a t魂、a t 式中 s ：一竖向正应变； 佩一体积压缩系数，眠= 吼( 1 + e ) ； 吼一压缩系数； p 孔隙比。 将式( 卜4 ) 代入式( 卜3 ) ，即得到太沙基单向固结基本微分方程 害= c v 窘 一= i 一 街 ”如2 式中 g 一固结系数，c - - ( 1 + e ) k ) , 。a v 2 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) 长安大学硕士学位论文 从( 卜5 ) 看出了孔隙水压力随着时间沿土层深度变化而变化的规律，土层的排水条件 如图1 1 所示： 哥噩 z 逶未层 ( b ) 图1 1 土样排水的边界条件 ( 8 ) 双面排水：( b ) 单面排水 当是单面排水时边界条件为： 1 当2 = 00 r 0 0 时材= 0 2 当z = 2 h 0 r 0 0 时 ”= 0 3 当o z 2 ht = 0 时材= 仃 根据上述条件可得到微分方程( 1 - 5 ) 的解为： 甜= 喜( 耵喇s mm 2 日r zd z 、1 s i n 署e 冲( 扣 ( 1 - 6 ) 式中 “，( z ) 一沿z 方向初始孔隙水压力的分布； 丹一整数； h 一孔隙水像透水层流动的最远排水距离； t ，一时间因素，t ，= c z t h 2 。 假定孔隙水压力与粘土层的厚度无关，则材，( z ) 在压缩层内均匀分布，并为一定值， 则式( 1 - 6 ) 可简化为： 甜：妻一2 u os i n = m ze x p ( - m 2 r v ) ( 1 7 ) - m = 0m h l 式中朋一任意整数， 掰：半， 刀= o ，1 ，2 ， 。 为了衡量粘土层孔隙水压力消散的程度，也就是有效应力增长的程度，采用一个固结度 u 来表示，则： 3 第一章绪论 一薹砉e 纠 m 8 ， 事实上，太沙基固结理论适用与一维固结的情况，他的假定与实际情况不符，比如， 在固结过程中，荷载一次瞬时施加并维持不变，土体承受的总应力不随时间变化，而实 a 一 际中，固结过程中，体积应变g ，不断变化，从而等不可能为常量，所以总应力必随时 研 间而变：在太沙基固结理论里还假定了土体只发生竖向压缩变形和竖向孔隙水渗流，而 实际中，土体还发生了侧向变形，并且沿着径向渗流；基于这些情况，人们在处理某些 显著偏离太沙基理论的土体时，在利用太沙基理论进行计算的时候要对太沙基的一些假 定作部分修正。 二多维固结理论 受建筑物荷重作用的一般地基总要引起多方向的排水和变形，一维固结( 单向固结 实际上仅是特定条件下的情况。计算和实测沉降表明，在许多场合，按单向固结理论计 算的沉降速率往往比实际发生的要慢，主要原因之一是水平向的排水加速了超静水压力 的消散。建立三向固结理论要考虑土体在三个方向的排水和变形，解决三向固结问题主 要有以下两种方法： l 、1 9 3 6 年，太沙基与伦杜立克推导出了太沙基一伦杜立克固结理论，此理论以水 流连续条件和弹性的应力应变关系为基础而导得，除了保留了太沙基一维固结理论的 假设外，重要的假设是，固结过程中土体内的正应力之和( 总应力) 保持不变，忽略了 实际存在的应力和应变的耦合作用，没有考虑土体变形协调条件，因此被称为准三向固 结理论或“假二向或三向固结理论 。 2 、1 9 4 1 年，比奥( b i o t ) 从较严格的固结机理出发推导了准确反映孔隙压力消散 与土骨架变形相互关系的三维固结方程，它直接从弹性理论出发，满足土体的平衡条件、 弹性应力一应变关系和变形协调条件，还考虑了水流连续条件，因此称为“真二向或三 向固结理论 。 太沙基一伦杜立克固结理论和比奥固结理论的比较，两者都是假定外荷载一次瞬 时施加且恒定，应力，应变关系为线弹性，变形微小，孔隙水渗流符合达西定律等， 但不同的是，太沙基一伦杜立克固结理论又假定了在固结过程中法向总应力和是恒 定的，不随时间而变，而比奥固结理论没有这个假定，他认为法向应力之和随时间 不断变化。 4 长安大学硕士学位论文 1 1 2 固结试验方法研究现状 固结试验是用来研究测定土体在一维条件下的变形特性的试验方法，是测定土体在 轴向压力作用下的压缩特性，试验所得的各项压缩指标用来判断土体的压缩特性和计算 土工建筑物与地基的沉降，目的是测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形与压力，变 形与时间的变化规律。对于国内外经常使用的固结试验方法是增量分级加荷法，而固结 试验方法是建立在太沙基一维固结理论的基础之上的。从2 0 世纪5 0 年代开始，我国一 些工程中为了尽量缩短固结试验的时间，通常改为采用快速法，但是这种试验方法仅仅 是作为一种方法列入土工试验规程，其理论依据不足。到2 0 世纪8 0 年代，连续加荷固 结试验的研究取得了很大的发展，1 9 8 3 年美国将此方法列入了a s t m 标准中。 现有的固结试验的方法有以下三种： ( 1 ) 常规固结试验 常规固结试验为增量分级加荷法，该法规定标准加荷时间为2 4 h 一级，加荷率为1 ， 即每级压力为前级压力的一倍。 常规固结试验的仪器设备主要为固结仪，由环刀、护环、透水板、水槽、加压上盖 组成，常规固结试验分级施加荷载，待固结稳定后施加下一级荷载，达到要求荷载所用 时间较长。 ( 2 ) 快速法固结试验 快速法是指一个小时快速试验法。它是对于2 a m 厚的试样，在压力作用下l h 的固 结度一般可达9 0 以上，按此速率进行试验，对试验结果进行校正，可得到与常规固结 试验近似的结果。可以缩短试验历时，因此得到广泛应用。 快速法试验步骤与常规法基本相同，只是每级压力的历时缩短到1 h ，仅在最后以 及压力下，除测记1 h 变形量外，还应测记达到变形稳定时的读数。 根据经验认为：快速法测得的变形量小于常规试验测得的变形量，因此，对各级压 力下的压缩量需用大于l 的系数进行校正。但在实践经验中发现，对于某些扰动试样， 不一定符合以上规律，也有快速法压缩量大于常规法的，实际压缩量的大小并不单纯取 决于时间的长短，而与土的性质有关。快速法只有对透水性较大的地基土，或建筑物对 地基变形要求不高，不需要估算沉降发展过程的工程，才可用此法。 ( 3 ) 连续加荷固结试验 连续加荷固结试验是在整个试验过程中连续缓慢的对试样加荷，可以测定试样在任 第一章绪论 意时刻的变形量与试验过程中试样底部的孔隙水压力，这样在达到所需荷载时所用 时间与常规法相比较短，试样的受力与压缩较为均匀，而试样底部的孔隙水压力是 通过试验的加荷速率来控制的，所以可以用来控制沿试样高度的孔隙水压力的分布 形状。 1 2 连续加载固结试验的研究现状 l 、连续加荷试验分类及特点： 常规固结试验是在太沙基一维固结理论的基础上建立的，它是现在国内外较为通用 的试验方法，它主要是用来对土体压缩性、膨胀性以及固结特性进行评价的试验方法。 该试验方法所用仪器设备操作简单，并且试验的步骤以及试验结果资料的整理较为标准 化，但是这种试验方法也存在很多缺点，主要表现在：( 1 ) 采用常规固结试验进行一组 试样的固结试验通常需要十天以上，用时太长；( 2 ) 该试验方法所得的试验点的数据较 少，并且得到的曲线不连续，这样就会影响确定土体的前期固结压力仃r 以及压缩指数 c r 等参数指标的准确性；( 3 ) 在整个试验过程中，土体所受有效应力在靠近排水面处是 最大的，而靠近不排水面处是最小的，这样也就导致了整个试样所受有效应力o 分布 不均匀，也就是水力梯度随着高度的方向变化较大，在加载初期更为明显，导致试样的 压缩性分布极为不均匀，试样的原始结构就容易因为受到扰动而破坏。 连续加载固结试验是在整个试验过程中以缓慢的速率对试样连续施加荷载，测定试 样任意时刻的变形量与试样底部的孔隙水压力，按试验的控制条件，可将连续加载固结 试验分为以下三种： ( 1 ) 等应变速率试验简称c r s 试验( h a m i l t o n & c r a w f o r d ，1 9 5 9 ) ，在整个试验加荷过 程中，单位时间内的变形量为常量。 ( 2 ) 等加荷速率试验简称c r l 试验( a b o s h i 等，1 9 7 0 ) ，在整个试验加荷过程中，加 荷速率保持常量。 ( 3 ) 等梯度试验简称c g e 试验( l o r e 等，1 9 6 9 ) ，在整个试验过程中，试验不透水 底部的孔隙水压力保持不变。 连续加载固结试验与常规固结试验相比，除了能克服常规固结试验耗时较长的缺点 外，还具有以下一些特点：试验过程中整个试样的应力条件和试样的压缩率较为均匀， 要想达到所需要的最大压力可以用不同的压缩率来进行试验。连续加载固结试验过程中 6 长安大学硕士学位论文 可以通过控制不同的应变率进行试验，而常规固结试验过程中试样的应变率变化很大。 且在连续加载固结试验中，可以通过不同的加荷速率来控制试样底部的孔隙水压力，同 时控制了随试样高度变化的孔隙水压力分布形状，除了试验开始与结束的时刻外，试样 内的孔隙水压力等时线是相互平行的。要特别注意的是必须正确的测定试样内孔隙水压 力，同时要求试样是处于完全饱和状态的。 2 、连续加载试验方法研究综述 ( 1 ) c r s 固结试验研究 1 9 5 9 年，h a m i l t o n c r a w f o r d 对常规固结仪进行了改进，首次进行了c r s 固结试 验，试验中的轴向压力是由机械力提供的，没有设置反压装置；随后w i s s a 等人与g o r m a n 等人利用了机械水力控制固结仪进行了c r s 固结试验，试验中的轴向压力是机械力或水 压力，反压是指的水压力，并且利用传感器来测定试样底部的孔隙水压力。1 9 6 6 年， r o w e b a r d e n 研制了r o w e 型固结容器，试验中的轴向压力和反压都是由水压力所提 供的，同时测定试样底部的孔隙水压力。1 9 9 7 年s h e a h a n 等人改进了r o w e 型固结容器， 为了测定试样高度方向的孔隙水压力的分布，在沿土样的不同深度处设置了孔压传感 器，弥补了r o w e 型固结容器仅能测定试样底部孔隙水压力的缺点。 1 9 5 9 年h a m i l t o n c r a w f o r d 最早提出了连续加载的等应变速率固结试验。1 9 6 9 第一章绪论 上述为c r s 小变形固结理论，在这个基础上，u m e h a r a 等( 1 9 8 0 ) 、l e e 等( 1 9 8 1 ) 、 z n i d a r c i c 等( 1 9 8 6 ) 和h e l m 等( 1 9 8 7 ) 进一步提出了c r s 大应变固结理论。 ( 2 ) 关于c g c 固结试验研究 c g c 固结试验是通过调整试样的应变率来控制试样底部的孔隙水压力不变而进行 的连续加载试验。 1 9 6 9 年l o w e 等人首先提出这种试验类型，同时提出了线性固结理论用来来测定土 的连续加载固结试验的固结系数c 矿。1 9 7 8 年g o r r n a n 等人和1 9 8 6 年s i l v e s t r i 等人将等 梯度固结试验、等应变速率固结试验的试验结果与常规固结试验结果进行分析对比，证 明了两种连续加载固结试验的可行性。c g c 试验的优点主要有：在整个固结试验过程 中试样的应变率y 比较低，对于现场实际情况可以进行更好的模拟；试验过程中试样的 应变速率y 和试样所受有效应力仃沿深度的分布较为均匀，次固结效应对土样的影响相 对较小。 ( 3 ) 关于c r l 固结试验研究 c r l 固结试验的优点在于能更好的模拟实际现场条件，能克服传统固结试验的缺 点。 等加荷速率试验是由a b o s h i 于1 9 7 0 年首次提出，是在1 9 5 8 年s c h i f f m a n 提出的变 荷载一维固结理论的基础上建立的，该试验方法确定了土样的固结系数随着土样有效压 力变化的c v - l g o 关系变化式。该试验方法与常规固结试验结果对比分析，等加荷速率 固结试验的加载率对土样的前期固结压力与土样的固结系数影响较小。1 9 8 6 年v o nf a y 等人证实了关于e 一- l g 仃和c v - 1 9 a 的试验结果分析常规固结试验与等加荷速率固结试 验的结果相近；而等加荷速率固结试验所用的时间取决于试验时土体的应变速率、土体 的渗透性与压缩特性，并且比常规固结试验用时小，因此可以用等加荷速率固结试验来 代替常规固结试验。 国内也陆续展开了连续加载固结试验的研究，但是由于试验仪器的局限性，国内对 连续加载试验方法研究、各试验方法的理论验证和该试验方法与传统常规固结试验的结 果对比分析方面都缺乏深入的研究探索。 1 3 静止侧压力系数研究现状 8 长安大学硕士学位论文 静止侧压力系数是岩土工程中一个非常重要的参数，它是确定水平场地中的应力 状态和计算静止土压力的基础。被广泛用于土体的应力分析中( 产生于原位状态， 反过来又可以利用求解稳定土层中的侧向压力) 。对用于基坑支护的结构物上侧向压 力的计算、地下室的侧墙和侧向位移很小的挡土结构物在墙背上的土压力计算等。k 0 的计算大小直接影响上述的计算结果和精度2 1 。 静止侧压力系数定义为水平应力与竖向应力的比值，其中太沙基是用总应力比来 定义静止侧压力系数：旦，而毕肖普则是用有效应力比来定义静止侧压力系数 = g ，鉴于土体曾受到一定的应力历史，又可把静止侧压力系数定义为增量形式 仃， = 筹。 第一章绪论 式中妒一土的有效内摩擦角，度。 对于正常固结的粘性土，b r o o k e r 建议用下式计算： k o = 1 - 0 9 5 s i n q o ( 1 1 3 ) 上两式形式简洁，但9 必须通过原状土做三轴试验加以确定。如果没有9 ，则无 法计算氏。有时为了方便，直接用9 代替9 计算，显然是不合适的。 ( 3 ) 利用塑性指数计算【4 】： 七o = 0 1 9 + 0 2 3 1 9 l s ( 1 - 1 4 ) 对于砂土可以用( 1 - 1 1 ) 进行计算，而对于粘性土来说，它是属于细粒土，反映其 本质特征的主要是塑性指数，所以在1 9 6 7 年，a l p a n 就将正常固结粘性土的静止侧 压力系数的计算与土的塑性指数联系在一起，因此就建立了式( 1 - 1 4 ) ，表明，越 大，也越大，其值约在0 3 - 4 ) 6 之间。采用此算法，必须首先得到原状土或重塑土的 实验室塑性指数值。 ( 4 ) 利用超固结比o c r 计掣5 】： ( 。) = ( d 凹) 6 c ) ( 1 1 5 ) 式中： ( 。) 一超固结土的静止侧压力系数； ( c ) 一正常固结土的静止侧压力系数； b 一系数，取值在0 3 9 o 5 8 ( 相应于从粘土到砂土) 。对于砂土，b 与相对密 度有关。 对于超固结土，超固结比对的影响很大，当o c r = 2 5 4 5 时，会大于i 超固 结土是指历史上曾经所受到的最大有效应力超过了现有的有效应力，所以超固结土曾经 是受到过卸荷作用的，用超固结比计算超固结土体的( 。) 值讨论的就是单纯的卸荷条 件。若根据前述公式计算出正常固结土的静止侧压力系数值，则就可用( 卜1 3 ) 式计算 超固结土的( 。) 值。用该式来计算氏( 。) ，就要先得到c ) 和o c r 的数值，而七o ( 肥) 与 1 0 长安大学硕士学位论文 土的缈、1 t 、厶等参数有关，因此要利用室内试验结果或者经验计算公式来进行计算， 而要想得到超固结比就必须先得到土的前期固结压力。由此可见在计算( c ) 和o c r 的 时候也会产生误差，这样( 1 1 5 ) 计算公式在理论上就表现的比较完善，但是在运用上 有些不便。 ( 5 ) 根据现场载荷试验所得的p s 曲线计算【5 】： 这种计算方法是王运霞根据广义虎克定律及p - s 曲线的弹性阶段，推导了一种新的 计算方法，这种方法是对目前计算氏方法的补充： = i 6 0 p b ： 式中：p 一曲线上土体处于弹性阶段时的某级荷载，k n ( 1 1 7 ) s 一曲线上与某级荷载所对应的位移，n 吼 e s _ 地基的侧限压缩模量，k p a c o 一沉降经验系数，对于刚性方形承压板，= 0 8 8 ，圆形承压板，c o = 0 7 9 b 一刚性承压板的边长或直径，m m 这种计算方法是根据现场载荷试验得到p s 曲线和e s 利用式( 1 1 7 ) 得到的值， 因此，更能反映地基的实际受力情况。 上述几种方法都是计算七0 的一些经验计算公式，每种方法都有优缺点，大部分计算 的是某级荷载作用下的k o 值，而对于本文所研究的连续加载固结计算k 值的探讨就比 较少，因此本文将对静止侧压力系数进行较为充分的讨论。 1 4 本文主要研究内容 本文是在前人研究的基础上，利用侧限式一维固结仪，对原状黄土，饱和黄土及饱 和软土进行了连续加载固结试验和常规固结试验，并且进行了饱和软土应力松弛和加载 卸载试验，对原状黄土、饱和黄土及饱和软土的应力应变关系、割线模量分析、静止侧 压力系数和饱和软土固结系数分别进行了分析对比，主要有以下几个方面： l 、在自行改进与研制的一维侧限固结仪上，结合连续加载系统，对原状黄土进行 连续加载固结试验与常规固结试验。研究在此过程中的应力应变关系、割线模量分析、 静止侧压力系数变化规律，并对两种加荷方式所得试验结果进行分析对比。 第一章绪论 2 、在自行改进与研制的一维侧限固结仪上，结合连续加载系统，对饱和黄土及饱 和软土进行连续加载固结试验。研究此过程中的轴向应力、轴向应变、割线模量、固结 系数、静止侧压力系数及变形的变化规律。 3 、在自行改进与研制的一维侧限固结仪上，结合连续加载系统，对饱和软土进行 应力松弛试验。研究此过程的轴向应力与时间的关系以及应力水平的变化规律，以及松 弛应力与应力水平和应变水平之间的关系曲线。 4 、在自行改进与研制的一维侧限固结仪上，结合连续加载系统，对饱和软土进行 加载卸载试验。研究土体的塑性应变与应力水平之间的关系以及弹性应变与应力水平之 间的关系。 5 、通过两种加荷方式的试验结果进行对比分析，验证连续加载固结试验是否能克 服常规固结试验的一些缺点，能否在相对用时较少的情况下达到与常规固结相近的结 果。 1 2 长安大学硕士学位论文 第二章试验方案 2 1 试验所用仪器的介绍及标定 该试验是用我校自行改进和研制的侧限式连续加载和分级加载固结仪进行了一系 列相关的试验，该试验仪器既能测出在常规固结仪上得到的试验结果，并且还能得到试 验过程中孔隙水压力逐渐消散的曲线，以及侧向压力随时间和轴向压力的变化曲线等。 在进行连续加载与分级加载试验时，由于透水石与滤纸在浸水饱和后，在轴向荷载 作用下的变形较大，所以在进行试验前，要先对其进行标定。 对透水石的标定如下图所示： ( b ) 1 6 # 固结仪透水石标定 ( d ) 2 2 # 固结仪透水石标定 变形量随轴向应力的变化曲线 一 笙三兰蔓墅互墨 一 _ - l _ - - - l l 一一一 在进行连续加载试验时，由于用的电测法，所以在进行试验前需要对传感设备进行 标定，标定结果如下： ( 1 ) 轴向压力标定：在加荷装置上分别施加砝码，每施加一级砝码读出显示器上 所对应压力的读数，这样就会得到轴向压力与读数之间的关系直线，最后试验所得的读 数要根据这个直线进行校核，直线如下图所示： 从上图可知，轴向压力与标准读数值之间是良好的直线关系。 ( 2 ) 侧向压力标定：采用g d s 静三轴试验仪器的围压控制器进行标定，最后得到 侧向压力与标准值之间的线性关系图，如下图所示： 从上图可知，侧向压力与标准读数之间是良好的直线关系。 2 2 试验方案的提出 随着经济的发展，高速公路的发展迅猛，在修筑公路过程中经常遇到地基不均匀沉 降，路基失稳等问题，因此要能准确的计算路基的变形及沉降，这样我们就要对地基土 1 4 长安大学硕士学位论文 的变形特性进行研究，本文主要对原状黄土，饱和黄土，饱和软土在两种加荷方式下变 形特性的研究，其主要研究结果可以用于公路路基的沉降变形计算和施工后各部位沉降 量的控制。 通常所研究的公路路基的变形问题是属于平面应变问题，路堤纵向无变形但有应 力，横向则会发生侧向位移，但当路堤高度远小于路堤宽度时，路堤中心土体的侧向变 形很小，可忽略不记，这时可认为土体处于状态。另外，受荷土体的变形特性与加荷 方式有一定的关系，受加荷方式的影响。土是非弹性体，它在荷载作用下所产生的变形 量及变形速率不仅与荷载施加的大小有关，而且与荷载施加的方式和顺序也有一定的关 系。在实际工程中，公路路基填方荷载是连续施加的而不是瞬时施加到地基上的，因此， 通过分析，根据公路路基的加载方式和受力特点，本文拟采用连续加载i , o 固结试验，同 时也进行了常规固结试验进行对比分析，这主要是因为土体的变形特性受加荷方式的 影响。所以，在地基变形问题进行分析时，要考虑外荷载的施加方式以及施加顺序。 2 3 试验方案的实现 2 3 1 试验用土的基本性质 ( 1 ) 本试验采用的黄土是取自西安地铁二号线小寨站，取土深度为1 l 米，土呈黄 得该土的物理性质指标如表2 1 所示。 表2 1 黄土的物理性质指标 土的名称 塑限w p液限w l 黄土 1 93 4 ( 2 ) 本试验采用的软土取自宁波，土呈灰色，软塑状态，有机质含量 室内土工试验测得该土的物理指标如表2 2 所示。 表2 2 软土的物理性质指标 土的名称塑限液限w e 软土3 15 9 2 3 2 试样及制样 1 5 工试验，测 较多，通过 第二章试验方案 1 试样的尺寸 本文所作试验试样的尺寸都是采用试样高度为4 0 m m ，直径6 1 8 m m 的圆柱形。 2 试样制作 ( 1 ) 原状黄土试样制作 根据规范【6 】要求室内固结试验都是用环刀切取试样，切取试样时应在环刀内壁涂抹 一层薄凡士林减少环刀和土样的摩擦，环刀刃口朝下，放在土样上，将环刀垂直压入。 边压边削，直至土样高度高于环刀高度。最后将环刀上下两面削平。 根据土体力学性质试验的项目要求，对同一组试样间的密度允许差值为o 0 3 9 c m 3 ， 含水率与试验所要求的含水率之差要小于1 。试验前根据试验所需的含水量求得试样 在该含水量下的试样总重，然后根据实验规范公式求出试样达到该含水量时所需的加水 量( 或减水量) 。本试验主要有两种方法来控制试样含水量：1 风干法：若所取试样的天 然含水量大于试验所需的含水量时，则采用自然风干的方法，隔一段时间对试样进行称 重，当试验土样达到了事先计算所需含水量下的重量时，将满足试验的试样放进养护缸 内进行养护，为了使试样内部水分分布较为均匀，然后方可进行试验2 水膜转移法： 当所取试样的天然含水量小于试验所需含水量时，采用水膜转移法，将试样放置于电子 天平上，采用滴管将达到试验含水量时所需的水量均匀缓慢的滴在试样表面，达到试样 在该含水量下的重量时将试样放在封闭的养护缸内进行养护，土体内部水分在水膜压力 的作用下将会发生转移，最后试样内部水分均匀分布即达到了试验所需的含水量，这种 方法保持了黄土的原状性，减少了试样的扰动。在制样时应注意以下几点： l 、采用滴管滴水时的速度不能过快，以避免使原状土发生膨胀； 2 、尽量在试样表面均匀滴水，以避免使水分不能均匀的转移； 3 、当达到所需含水量时所滴的水量较大时，这时应采用分级滴水。 ( 2 ) 饱和黄土试样制作 饱和黄土是采用完全重塑的土样，风干土样过2 m m 的筛，使土样加水配至黄土的液 限数值3 4 ，静置2 4 小时，使水分均匀，然后装入连续加载固结仪中，在装的过程中 要充分压密，使土样中的空气排出，使土样装到指定高度4 0 r a m 为止，然后开始试验。 ( 3 ) 饱和软土试样制作 软土饱和是采用真空饱和器制备的，首先用环刀切取天然土样，然后放入真空饱和 器内饱和，饱和步骤如下：把试样放入真空缸内，在盖和缸之间涂抹一层凡士林，以免 1 6 长安大学硕士学位论文 漏气，盖好上盖，启动抽气机，当真空压力表接近大气压值时( 试验时取o 0 1 ) ，在水 中开启夹管，向缸内注水( 注水的速度不能过快) 当缸内水淹没试样2 - 3 c m 时，在水中 关闭夹管，继续抽气1 0 一1 5 分钟，然后关掉开关，打开夹管，使空气进入真空缸，静置 一段时间，借大气压力使试样饱和。 2 3 3 试验方法 一试样加荷方式 1 常规固结试验 常规固结试验采用增量分级加荷固结，每级荷载的加荷时间一般为2 4 小时，试验 的加荷率为1 ，即每级压力为前一级压力的一倍，试验的起始压力为5 0 k p a 一直分级加 荷8 0 0 k p a 为止。每级荷载下土样的稳定标准是连续两个小时变形量之差不超过0 o l m m 。 2 连续加载固结试验 本文采用等应变速率固结试验法，加荷速率采用0 0 0 2 4 m m m i n ，起始压力为o k p a ， 一直加到8 0 0 k p a 结束。选择试验加荷速率的标准是在整个试验过程中任一时刻内试样 底部孔隙水