土的固结及固结系数确定

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1、林伟岸土的固结及固结系数确定饱和土体的渗流固结理论-一维渗流固结理论渗透固结理论是针对土这种多孔多相松散介质,建立起来的反映土体变形过程的基本理论。土力学的创始人Terzaghi教授于20世纪20年代提出饱和土的一维渗透固结理论物理模型－太沙基一维渗透固结模型数学模型－渗透固结微分方程方程求解－理论解答固结程度－固结度的概念一维渗流固结理论Terzaghi一维渗流固结模型实践背景：大面积均布荷载侧限状态的简化模型pσz=p不透水岩层饱和压缩层pK0pK0p处于侧限状态，渗流和土体的变形只沿竖向发生p不变形的

2、钢筒饱和土体的渗流固结理论-一维渗流固结理论钢筒弹簧水体带孔活塞活塞小孔大小渗透固结过程初始状态边界条件相间相互作用物理模型p侧限条件土骨架孔隙水排水顶面渗透性大小土体的固结p饱和土体的渗流固结理论-一维渗流固结理论Terzaghi一维渗流固结模型p附加应力:z=p超静孔压:u=z=p有效应力:z=0附加应力:σz=p超静孔压:u0附加应力:σz=p超静孔压:u=0有效应力:σz=p饱和土体的渗流固结理论-一维渗流固结理论Terzaghi一维渗流固结模型土层是均质且完全饱和土颗粒与水

3、不可压缩水的渗出和土层压缩只沿竖向发生渗流符合达西定律且渗透系数保持不变压缩系数a是常数荷载均布,瞬时施加，总应力不随时间变化基本假定基本变量总应力已知有效应力原理超静孔隙水压力的时空分布饱和土体的渗流固结理论-一维渗流固结理论数学模型u0=pt=0u=pz=0t=u=0z=pzu00p不透水岩层z排水面Hu：超静孔压z：有效应力p：总附加应力u+z=pp土层超静孔压是z和t的函数，渗流固结的过程取决于土层可压缩性（总排水量）和渗透性（渗透速度）饱和土体的渗流固结理论

4、-一维渗流固结理论数学模型p不透水岩层z排水面Hu0=pu：超静孔压z：有效应力p：总附加应力u+z=pu0：初始超静孔压zdz微单元t时刻dz11微小单元（1×1×dz）微小时段（dt）土的压缩特性有效应力原理达西定律渗流固结基本方程土骨架的体积变化＝孔隙体积的变化＝流入流出水量差连续性条件zu饱和土体的渗流固结理论-一维渗流固结理论数学模型固体体积：孔隙体积：dt时段内：孔隙体积的变化＝流出的水量dz11z饱和土体的渗流固结理论-一维渗流固结理论数学模型dt时段内：孔隙体积的变化＝流出的水量达

5、西定律:土的压缩性：有效应力原理：孔隙体积的变化＝土骨架的体积变化u-超静孔压饱和土体的渗流固结理论-一维渗流固结理论数学模型Cv反映土的固结特性：孔压消散的快慢－固结速度Cv与渗透系数k成正比，与压缩系数a成反比；单位：cm2/s；m2/year，粘性土一般在10-4cm2/s量级固结系数:饱和土体的渗流固结理论-一维渗流固结理论数学模型方程求解-解题思路反映了超静孔压的消散速度与孔压沿竖向的分布有关是一线性齐次抛物型微分方程式，与热传导扩散方程形式上完全相同，一般可用分离变量方法求解其一般解的形式为：只要给出定

6、解条件，求解渗透固结方程，可得出u(z,t)渗透固结微分方程：饱和土体的渗流固结理论-一维渗流固结理论p不透水z排水面Hzuu：超静孔压z：有效应力p：总附加应力u0：初始超静孔压ou+z=pu0=pzuz=p0zH:u=pz=0:u=0z=H:uz0zH:u=0初始条件边界条件饱和土体的渗流固结理论-一维渗流固结理论方程求解–边界条件p不透水z排水面Hzuo微分方程：初始条件和边界条件为无量纲数，称为时间因数，反映超静孔压消散的程度也即固结的程度方程的解：饱和土体

7、的渗流固结理论-一维渗流固结理论方程求解–方程的解渗流zu0=p不透水排水面HTv=0Tv=0.05Tv=0.2Tv=0.7Tv=∞从超静孔压分布u-z曲线的移动情况可以看出渗流固结的进展情况u-z曲线上的切线斜率反映该点的水力梯度水流方向思考：两面排水时如何计算？饱和土体的渗流固结理论-一维渗流固结理论方程求解–固结过程方程的解：渗流排水面H渗流z排水面HTv=0Tv=0.05Tv=0.2Tv=0.7Tv=∞u0=p双面排水的情况上半部和单面排水的解完全相同下半部和上半部对称饱和土体的渗流固结理论-一维渗流固结理

8、论方程求解–固结过程饱和土体的渗流固结理论-固结系数确定方法固结系数确定方法固结系数Cv为反映固结速度的指标,Cv越大，固结越快，确定方法有四种：直接计算法直接测量法时间平方根法—经验方法时间对数法—经验方法固结方程：直接计算法k与a均是变化的Cv在较大的应力范围内接近常数精度较低压缩试验a渗透试验k饱和土体的渗流固结理论-固结系数确定方法直接测量法压缩