有关饱和软粘土固结特性的研究

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有关饱和软粘土固结特性的研究

摘要:在土力学研究中固结理论是必不可少的一部分,文中对于国内外饱和软粘土固结变形的历史和现状进行了阐述,针对饱和软粘土的固结特点展开了探讨,以期对未来的研究有所启发。

关键词: 固体力学 固结 特性 饱和软粘土

1.引言


饱和软粘土在中国大量分布,在靠近海岸、河流和湖泊中下游的区域都可以经常看到,砂质土和粉质土是饱和软粘土的重要组成部分。它们主要是细粘土胶体材料,一般存在于不流动的水中或流动非常缓慢的湖泊环境中,并且在其土的内部有大量微生物存在。饱和粘性土的力学特点是强度比较低,压缩性比较高,流动性比较差。在这种土上建造的结构经常存在如下沉严重以及结构的承受能力不能满足外部荷载要求的问题,这样的地基一般被叫作软土地基。正是因为饱和软粘土的固结特点造成了其本身的低强度和高压缩性的性质。通常讲的固结是指在外界的压力下土壤孔隙中的水渐渐排出时饱和软粘土连续压缩的过程。Terzaghi首次提出了研究饱和土固结过程的理论。该理论基于一些假设,如忽略土壤骨架的变形和数值不会改变的数值系数,这就是固结理论的来源。后来,Biot等人对三向固结理论进行了有效延伸,发现这是更加合理的。但是,考虑到确定指标对方程求解有一定的困难,使用最多的依然是单向固结理论。


2.TTerzaghi固结理论


Terzaghi的一维固结理论的重要基础就是应变比较小的线性理论,并对土体做了一定的假定,饱和粘性土的压缩系数和透水系数是一直不变的,不用参考重力造成的外部应力影响。在此假设的基础上,将一维固结的一般方程简化如下:


按照土壤周围的边界,加载在土体上的瞬间荷载的边界条件应该满足(1)公式的解,这个解的含义是用来表示固结的快慢与土壤深度之间的函数关系。在他的一维固结理论中,固结系数是一个不变的量,而在真实的土环境中,参数的值在固结过程中是一直变化的,但参数的比值和常量却非常接近。然而,对于具有高压缩性的软粘土,这种假设不一定正确,特别是当参数值随着孔隙率的降低而大幅度减小时。考虑到这种参考理论时,流动的水满足达西理论是这种理论中最为基础的假定,速度v与水力梯度之间的函数关系式是呈正相关的,也就是说v=ki0。但是当今的许多研究数据写到,有些粘土不符合这一规则。Miller认为存在一个有界梯度,低于该梯度不存在可测量的渗流,但在超过梯度后,V-I仍显示线性关系,即v=k(i-i0),I.0是初始梯度。Swartzendruber发现没有边界梯度,但V-I是非线性关系,并在此基础上提出了一些非线性相关的表达式。A.Mahinda提出渗透系数K与孔隙率之间的关系非常的特殊。Log[K(1+e)]与log具有线性关系。由于e-log_是线性关系,固结系数能够和真实的作用力在一定程度上能够直接是相关的,从而对正常固结软粘土的渗透指数和固结特点进行研究。F.Tavenas理论上升到试验,在实验中对软粘土的渗透规律进行了有效分析并且实测了软粘土渗透性的规律曲线。常规的三轴试验能够非常好地对现场的应变条件进行模拟。尽管集料器中的落锤试验操作简单,但是试验获得的样本数据是非常少的,在一定程度上不一定具有真实性。从固结试验中间计算K值的方法在一定程度上不能够满足软粘土的计算方法;由V值计算得出K值在较低的一方,从常规应变值测试取得的K值在较高的一方,并且从梯度实测获得的K值也在较低的一方。Duncan研究了之前固结理论有明显缺陷的地方。他说道,软粘土的固结会对位移差造成非常大的影响。结果预测和其比值是非常重要的工作。为了防止出现评估值与真实值之间存在明显差别,需要建立更好的模型对土体固结的性状进行描述,比如说结合固结系数cv的变化,应力-应变的非线性关系,土壤非均质性和应变效应。冯小力设计了一种K0固结仪来测试淤泥。得到了渗透率固结过程中孔隙比,压缩变量,渗透变量和固结变量的几何分布。参考另外的实验理论值,讨论了粉土渗透固结的微观机理。郑一峰从土壤压缩和水分释放的角度考虑了固结,认为淤泥质软土的固结是由于外力作用下土壤中部分自由水的强制释放和排放造成的,也就是说,土壤是水分释集固结而不是渗流固结,土壤固结中存在释水作用。将Terzaghi固结模型的渗透系数替换为释水功能,形成一种粉土软土的固结方法。史建勇针对这种问题想出了双曲线拟合法,参考压缩曲线的性质对土体压缩进行数值模拟。在对Terzaghi固结理论假设进行一定的修改后,演变出了非线性固结问题和它的解,并把解与底部可测的固结数据进行了对比。


3.考虑蠕变问题的合并理论


Terzaghi的一维固结理论一直是估算工程界土壤沉降的基础。Terzaghi的一维固结是以孔隙压力的消失作为基础而不对二次固结的影响进行考虑,所以它与真实状态下不太一样。但是对于软粘土,二次固结占总压缩的系数是非常的大的。这部分在估算土体变形时不能够被忽视。所以,非常多的学者为改进Terzaghi的一维固结理论作了非常多的研究。Terzaghi的一维固结理论假设应力-应变关系是线性的、弹性的和时间无关的。在实际工作中,软粘土的应力-应变关系是时间依赖的,非线性的和不可逆的。因此,当Terzaghi的固结理论和许多其他与时间无关的应力-应变关系理论应用于软粘土的固结分析时,具有一定的狭隘性。为了补充这一缺点,对很多本构关系理论进行提出。Ladd总结了这些固结理论作为假设A和B,假设A将软粘土在荷载作用下的变形分为两部分:渗透固结或主要固结,这是一个压缩时间过程,当孔隙水被挤出土壤时发生。通常认为孔隙水压力消散并且渗透固结过程结束。蠕变或亚固结是指应力下粘性土骨架的蠕变变形。Terzaghi固结理论用于计算主要固结阶段的孔隙水压力和压缩随时间的变化。通过二次固结系数计算超孔隙水压力消散至零后的蠕变变形。假设A意味着假设当初始固结完成时,应力-应变关系是独特的并且与土壤厚度无关。假设B假设在固结期间发生蠕变,这与连续力学的流变学和粘塑性理论中使用的方法一致。陈宗基用钢丝弹簧和线棍罐的混合模型分析了一维软土的固结。在一些特殊的负载条件下,可以获得分析解决方案。线性流变模型的局限性在于它没有描述土壤的时变和时变非线性特征。Baden提出了一种非线性流变模型,其非线性特征主要通过实验模拟。非线性和非线性粘性土的应力-应变特性,非线性流变模型的开发没有理论框架。


4.大面积卸载后的回弹膨胀变形


当软粘土受到较大的卸载时,它会回弹,也称为膨胀变形。在压缩变形期间,孔隙水的排出沉淀。同样,水对回弹的变形有很大影响。软土固结卸荷变形的理论研究明显滞后于工程实践的发展。国内外软土的变形计算主要基于压缩试验中的卸载曲线。根据卸载条件计算模量,不考虑水对变形的影响和变形随时间的变化。这使得许多工程师在软土工程中遇到许多实际问题。首先,饱和软粘土难以用作天然基础,因此需要进行基础处理。对于大面积软土,预压排水加固是基础处理的常用方法。在加固完成后进行卸载,通常发生回弹。这使得技术人员对卸载后排出的水是否会返回到孔隙和返回孔隙的水量感到困惑,并且难以科学合理地评价排水固结效果。


5.软粘土固结实验


土壤样品取自某地区的海洋泥质粘土床。天然水含量很高,能够达到80%~90%。土壤样品是可塑性的并且含有有机物。对多个未扰动的饱和软粘土进行多阶段固结测试[1],样品直径6.18cm,样品高度2cm,加载压力12.5、25、50、100,200、400、800,1600kPa。根据实验室测试,样品的基本特性见表1。


表1土样基本性质指标统计表


6.固结特性试验结果与分析


6.1主、次固结变形特性与分析


反映软土中应变和时间变化之间关系的固结试验曲线如图1所示。从图中能够发现,初固结后固结率较大,曲线十分陡峭。在一段时间(约60min~100min)内,曲线的斜率减慢且固结速率降低,表明软土主要为固体。固结已经完成,并且已进入二级固结(蠕变)压缩阶段。此外,图1还显示出应变时间的对数曲线随着压力的增加而变慢,这表明压缩蠕变速率随载荷的增加而减小。


图1多级固结试验中åz与lgt之间的关系


通常,对数应变时间曲线上的拐点用作主要和次要固结极限点。根据试验结果,软土在不同压力下的一次固结和二次固结的总变形略有不同,而土样的总固结和次固结的总变形则有所不同。在压力下,第二固结与总变形的比率如表2所示。结果表明,一次固结变形和第二次固结变形分别占总变形的80%和20%。


在工程实际沉降的计算中,一般采用一维大砂固结理论。从以上分析结果可以看出,某地区软粘土沉降的二次固结变形计算不容忽视。


表2不同压力下次固结占总变形的百分比


6.2次固结系数的变化规律


最后的固结系数(C)用于计算饱和软粘土的二次固结沉降。二次固结系数从图2所示的孔隙率和时间对数之间的关系得出:a(100)L/GLGCETT=-d-(1),其中t100是100%的时间的主要固结;t是计算次级合并所需的时间。


二次固结系数与固结压力之间的关系如图3所示。曲线可以看出,饱和软粘土的二次固结系数随固结压力的增加而减小,表明之前的二次固结系数Ca和荷载均较大。历史或超合并比率。结果表明,某地区饱和软粘土的次固结系数在0.02~0.04的范围内。


图2多级固结试验中次固结系数Ca求法


图3次固结系数与固结压力关系图


6.3固结系数的变化规律


土的固结系数越高,土层的固结速度越快。中国和世界上很多的学者提出了很多确定固结系数的方法。经常使用的方法就是时间对数和时间平方根。饱和软粘土的固结系数通过时间平方根法确定。固结系数的值与测试方法,加载速率,应力路径和应力水平有关。土壤固结系数cv随固结压力而变化,如图5所示。cv-lgo图显示,曲线开始时cv随着lgo的增加而降低,而当固结压力大于200kpa时,cv随固结压力的增加而增加。lgo的增加。C-v-lgo关系式拟合二次多项式,得出c-v=15.135(lgo)2-68.295lgo+78.792。


7.结论


(1)在实验室通过一维固结试验确定软粘土的一次固结极限和二次固结极限后,分别对一次固结和二次固结进行分析,为工程实际沉降的计算提供依据。结果显示,饱和软粘土的二次固结变形约占总变形的20%。在工程沉降计算中,这部分变形不能够忽略。


(2)某地区的饱和软粘土的二次固结系数随固结压力的增加而减小,随压缩系数的增加而增加,呈线性增长关系。二次固结系数C为0.02~0.04。


(3)珠江三角洲饱和软粘土固结系数与固结压力有关。固结系数cv与固结压力具有一定的经验关系。


8.结语


从以上分析可以看出,饱和软粘土在加载条件下的一维固结理论比较完善,无论在机理上还是在各类实际问题的应用中,都没有障碍,它同土壤参数的实际参与值相比有些落后。考虑到区域软粘土的性质不同,有必要加深粘土的固结。此外,国内外学者对软土竖向位移和变形进行了深入研究,研究成果具有重要意义。然而,国内外对荷载回弹变形的研究还没有广泛开展,因此开展此项研究具有重要意义。特别是对弹性变形特性的研究,特别是孔隙水对变形的影响,为软土卸载变形的计算提供了理论依据。随着我国经济建设的快速发展和城市化进程的加快,人们在民用建筑、水利、水电、公路运输等工程中不得不面对大量的软土地基和变形分析。软土地基在岩土工程设计中占有重要地位。人们不仅要研究荷载作用下的沉降变形,还要了解荷载作用下的回弹变形。因此,研究饱和软粘土的固结特性和变形机理具有重要的现实意义和理论意义。

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