馮鐘鐘
摘要:固結(jié)理論是土力學(xué)中十分重要的研究對象。本文詳細介紹了國內(nèi)外飽和軟粘土固結(jié)變形的歷史和現(xiàn)狀。探討了飽和軟粘土的固結(jié)特點,為今后的研究指明了方向。
關(guān)鍵詞:飽和軟粘土;固結(jié);特性
1.引言
飽和軟粘土在中國大量分布,在靠近海岸、河流和湖泊中下游的區(qū)域都可以經(jīng)常看到,砂質(zhì)土和粉質(zhì)土是飽和軟粘土的重要組成部分。它們主要是細粘土膠體材料,一般存在于不流動的水中或流動非常緩慢的湖泊環(huán)境中,并且在其土的內(nèi)部有大量微生物存在。飽和粘性土的力學(xué)特點是強度比較低,壓縮性比較高,流動性比較差。在這種土上建造的結(jié)構(gòu)經(jīng)常存在如下沉嚴重以及結(jié)構(gòu)的承受能力不能滿足外部荷載要求的問題,這樣的地基一般被叫作軟土地基。正是因為飽和軟粘土的固結(jié)特點造成了其本身的低強度和高壓縮性的性質(zhì)。通常講的固結(jié)是指在外界的壓力下土壤孔隙中的水漸漸排出時飽和軟粘土連續(xù)壓縮的過程。Terzaghi首次提出了研究飽和土固結(jié)過程的理論。該理論基于一些假設(shè),如忽略土壤骨架的變形和數(shù)值不會改變的數(shù)值系數(shù),這就是固結(jié)理論的來源。后來,Biot等人對三向固結(jié)理論進行了有效延伸,發(fā)現(xiàn)這是更加合理的。但是,考慮到確定指標對方程求解有一定的困難,使用最多的依然是單向固結(jié)理論。
2. T Terzaghi固結(jié)理論
Terzaghi的一維固結(jié)理論的重要基礎(chǔ)就是應(yīng)變比較小的線性理論,并對土體做了一定的假定,飽和粘性土的壓縮系數(shù)和透水系數(shù)是一直不變的,不用參考重力造成的外部應(yīng)力影響。在此假設(shè)的基礎(chǔ)上,將一維固結(jié)的一般方程簡化如下:
按照土壤周圍的邊界,加載在土體上的瞬間荷載的邊界條件應(yīng)該滿足(1)公式的解,這個解的含義是用來表示固結(jié)的快慢與土壤深度之間的函數(shù)關(guān)系。在他的一維固結(jié)理論中,固結(jié)系數(shù)是一個不變的量,而在真實的土環(huán)境中,參數(shù)的值在固結(jié)過程中是一直變化的,但參數(shù)的比值和常量卻非常接近。然而,對于具有高壓縮性的軟粘土,這種假設(shè)不一定正確,特別是當參數(shù)值隨著孔隙率的降低而大幅度減小時??紤]到這種參考理論時,流動的水滿足達西理論是這種理論中最為基礎(chǔ)的假定,速度v與水力梯度之間的函數(shù)關(guān)系式是呈正相關(guān)的,也就是說v=ki0。但是當今的許多研究數(shù)據(jù)寫到,有些粘土不符合這一規(guī)則。Miller認為存在一個有界梯度,低于該梯度不存在可測量的滲流,但在超過梯度后,V-I仍顯示線性關(guān)系,即v=k(i-i0),I.0是初始梯度。Swartzendruber發(fā)現(xiàn)沒有邊界梯度,但V-I是非線性關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上提出了一些非線性相關(guān)的表達式。A.Mahinda提出滲透系數(shù)K與孔隙率之間的關(guān)系非常的特殊。Log[K(1+e)]與log具有線性關(guān)系。由于e-log_是線性關(guān)系,固結(jié)系數(shù)能夠和真實的作用力在一定程度上能夠直接是相關(guān)的,從而對正常固結(jié)軟粘土的滲透指數(shù)和固結(jié)特點進行研究。F.Tavenas理論上升到試驗,在實驗中對軟粘土的滲透規(guī)律進行了有效分析并且實測了軟粘土滲透性的規(guī)律曲線。常規(guī)的三軸試驗?zāi)軌蚍浅:玫貙ΜF(xiàn)場的應(yīng)變條件進行模擬。盡管集料器中的落錘試驗操作簡單,但是試驗獲得的樣本數(shù)據(jù)是非常少的,在一定程度上不一定具有真實性。從固結(jié)試驗中間計算K值的方法在一定程度上不能夠滿足軟粘土的計算方法;由V值計算得出K值在較低的一方,從常規(guī)應(yīng)變值測試取得的K值在較高的一方,并且從梯度實測獲得的K值也在較低的一方。Duncan研究了之前固結(jié)理論有明顯缺陷的地方。他說道,軟粘土的固結(jié)會對位移差造成非常大的影響。結(jié)果預(yù)測和其比值是非常重要的工作。為了防止出現(xiàn)評估值與真實值之間存在明顯差別,需要建立更好的模型對土體固結(jié)的性狀進行描述,比如說結(jié)合固結(jié)系數(shù)cv的變化,應(yīng)力-應(yīng)變的非線性關(guān)系,土壤非均質(zhì)性和應(yīng)變效應(yīng)。馮小力設(shè)計了一種K0固結(jié)儀來測試淤泥。得到了滲透率固結(jié)過程中孔隙比,壓縮變量,滲透變量和固結(jié)變量的幾何分布。參考另外的實驗理論值,討論了粉土滲透固結(jié)的微觀機理。鄭一峰從土壤壓縮和水分釋放的角度考慮了固結(jié),認為淤泥質(zhì)軟土的固結(jié)是由于外力作用下土壤中部分自由水的強制釋放和排放造成的,也就是說,土壤是水分釋集固結(jié)而不是滲流固結(jié),土壤固結(jié)中存在釋水作用。將Terzaghi固結(jié)模型的滲透系數(shù)替換為釋水功能,形成一種粉土軟土的固結(jié)方法。史建勇針對這種問題想出了雙曲線擬合法,參考壓縮曲線的性質(zhì)對土體壓縮進行數(shù)值模擬。在對Terzaghi固結(jié)理論假設(shè)進行一定的修改后,演變出了非線性固結(jié)問題和它的解,并把解與底部可測的固結(jié)數(shù)據(jù)進行了對比。
3.考慮蠕變問題的合并理論
Terzaghi的一維固結(jié)理論一直是估算工程界土壤沉降的基礎(chǔ)。Terzaghi的一維固結(jié)是以孔隙壓力的消失作為基礎(chǔ)而不對二次固結(jié)的影響進行考慮,所以它與真實狀態(tài)下不太一樣。但是對于軟粘土,二次固結(jié)占總壓縮的系數(shù)是非常的大的。這部分在估算土體變形時不能夠被忽視。所以,非常多的學(xué)者為改進Terzaghi的一維固結(jié)理論作了非常多的研究。Terzaghi的一維固結(jié)理論假設(shè)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是線性的、彈性的和時間無關(guān)的。在實際工作中,軟粘土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是時間依賴的,非線性的和不可逆的。因此,當Terzaghi的固結(jié)理論和許多其他與時間無關(guān)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系理論應(yīng)用于軟粘土的固結(jié)分析時,具有一定的狹隘性。為了補充這一缺點,對很多本構(gòu)關(guān)系理論進行提出。Ladd總結(jié)了這些固結(jié)理論作為假設(shè)A和B,假設(shè)A將軟粘土在荷載作用下的變形分為兩部分:滲透固結(jié)或主要固結(jié),這是一個壓縮時間過程,當孔隙水被擠出土壤時發(fā)生。通常認為孔隙水壓力消散并且滲透固結(jié)過程結(jié)束。蠕變或亞固結(jié)是指應(yīng)力下粘性土骨架的蠕變變形。Terzaghi固結(jié)理論用于計算主要固結(jié)階段的孔隙水壓力和壓縮隨時間的變化。通過二次固結(jié)系數(shù)計算超孔隙水壓力消散至零后的蠕變變形。假設(shè)A意味著假設(shè)當初始固結(jié)完成時,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是獨特的并且與土壤厚度無關(guān)。假設(shè)B假設(shè)在固結(jié)期間發(fā)生蠕變,這與連續(xù)力學(xué)的流變學(xué)和粘塑性理論中使用的方法一致。陳宗基用鋼絲彈簧和線棍罐的混合模型分析了一維軟土的固結(jié)。在一些特殊的負載條件下,可以獲得分析解決方案。線性流變模型的局限性在于它沒有描述土壤的時變和時變非線性特征。Baden提出了一種非線性流變模型,其非線性特征主要通過實驗?zāi)M。非線性和非線性粘性土的應(yīng)力-應(yīng)變特性,非線性流變模型的開發(fā)沒有理論框架。
4.大面積卸載后的回彈膨脹變形
當軟粘土受到較大的卸載時,它會回彈,也稱為膨脹變形。在壓縮變形期間,孔隙水的排出沉淀。同樣,水對回彈的變形有很大影響。軟土固結(jié)卸荷變形的理論研究明顯滯后于工程實踐的發(fā)展。國內(nèi)外軟土的變形計算主要基于壓縮試驗中的卸載曲線。根據(jù)卸載條件計算模量,不考慮水對變形的影響和變形隨時間的變化。這使得許多工程師在軟土工程中遇到許多實際問題。首先,飽和軟粘土難以用作天然基礎(chǔ),因此需要進行基礎(chǔ)處理。對于大面積軟土,預(yù)壓排水加固是基礎(chǔ)處理的常用方法。在加固完成后進行卸載,通常發(fā)生回彈。這使得技術(shù)人員對卸載后排出的水是否會返回到孔隙和返回孔隙的水量感到困惑,并且難以科學(xué)合理地評價排水固結(jié)效果。
5.軟粘土固結(jié)實驗
土壤樣品取自某地區(qū)的海洋泥質(zhì)粘土床。天然水含量很高,能夠達到80%~90%。土壤樣品是可塑性的并且含有有機物。對多個未擾動的飽和軟粘土進行多階段固結(jié)測試[1],樣品直徑6.18cm,樣品高度2cm,加載壓力12.5、25、50、100,200、400、800,1600kPa。根據(jù)實驗室測試,樣品的基本特性見表1。
6.固結(jié)特性試驗結(jié)果與分析
6.1主、次固結(jié)變形特性與分析
反映軟土中應(yīng)變和時間變化之間關(guān)系的固結(jié)試驗曲線如圖1所示。從圖中能夠發(fā)現(xiàn),初固結(jié)后固結(jié)率較大,曲線十分陡峭。在一段時間(約60min~100min)內(nèi),曲線的斜率減慢且固結(jié)速率降低,表明軟土主要為固體。固結(jié)已經(jīng)完成,并且已進入二級固結(jié)(蠕變)壓縮階段。此外,圖1還顯示出應(yīng)變時間的對數(shù)曲線隨著壓力的增加而變慢,這表明壓縮蠕變速率隨載荷的增加而減小。
通常,對數(shù)應(yīng)變時間曲線上的拐點用作主要和次要固結(jié)極限點。根據(jù)試驗結(jié)果,軟土在不同壓力下的一次固結(jié)和二次固結(jié)的總變形略有不同,而土樣的總固結(jié)和次固結(jié)的總變形則有所不同。在壓力下,第二固結(jié)與總變形的比率如表2所示。結(jié)果表明,一次固結(jié)變形和第二次固結(jié)變形分別占總變形的80%和20%。
在工程實際沉降的計算中,一般采用一維大砂固結(jié)理論。從以上分析結(jié)果可以看出,某地區(qū)軟粘土沉降的二次固結(jié)變形計算不容忽視。
6.2次固結(jié)系數(shù)的變化規(guī)律
最后的固結(jié)系數(shù)(C)用于計算飽和軟粘土的二次固結(jié)沉降。二次固結(jié)系數(shù)從圖2所示的孔隙率和時間對數(shù)之間的關(guān)系得出:a(100)L/G LG C ETT=-d-(1),其中t100是100%的時間的主要固結(jié);t是計算次級合并所需的時間。
二次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力之間的關(guān)系如圖3所示。曲線可以看出,飽和軟粘土的二次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的增加而減小,表明之前的二次固結(jié)系數(shù)Ca和荷載均較大。歷史或超合并比率。結(jié)果表明,某地區(qū)飽和軟粘土的次固結(jié)系數(shù)在0.02~0.04的范圍內(nèi)。
6.3固結(jié)系數(shù)的變化規(guī)律
土的固結(jié)系數(shù)越高,土層的固結(jié)速度越快。中國和世界上很多的學(xué)者提出了很多確定固結(jié)系數(shù)的方法。經(jīng)常使用的方法就是時間對數(shù)和時間平方根。飽和軟粘土的固結(jié)系數(shù)通過時間平方根法確定。固結(jié)系數(shù)的值與測試方法,加載速率,應(yīng)力路徑和應(yīng)力水平有關(guān)。土壤固結(jié)系數(shù)cv隨固結(jié)壓力而變化,如圖5所示。cv-lgo圖顯示,曲線開始時cv隨著lgo的增加而降低,而當固結(jié)壓力大于200kpa時,cv隨固結(jié)壓力的增加而增加。lgo的增加。C-v-lgo關(guān)系式擬合二次多項式,得出c-v=15.135(lgo)2-68.295 lgo+78.792。
7.結(jié)論
(1)在實驗室通過一維固結(jié)試驗確定軟粘土的一次固結(jié)極限和二次固結(jié)極限后,分別對一次固結(jié)和二次固結(jié)進行分析,為工程實際沉降的計算提供依據(jù)。結(jié)果顯示,飽和軟粘土的二次固結(jié)變形約占總變形的20%。在工程沉降計算中,這部分變形不能夠忽略。(2)某地區(qū)的飽和軟粘土的二次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的增加而減小,隨壓縮系數(shù)的增加而增加,呈線性增長關(guān)系。二次固結(jié)系數(shù)C為0.02~ 0.04。(3)珠江三角洲飽和軟粘土固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力有關(guān)。固結(jié)系數(shù)cv與固結(jié)壓力具有一定的經(jīng)驗關(guān)系。
8.結(jié)語
從以上分析可以看出,飽和軟粘土在加載條件下的一維固結(jié)理論比較完善,無論在機理上還是在各類實際問題的應(yīng)用中,都沒有障礙,它同土壤參數(shù)的實際參與值相比有些落后??紤]到區(qū)域軟粘土的性質(zhì)不同,有必要加深粘土的固結(jié)。此外,國內(nèi)外學(xué)者對軟土豎向位移和變形進行了深入研究,研究成果具有重要意義。然而,國內(nèi)外對荷載回彈變形的研究還沒有廣泛開展,因此開展此項研究具有重要意義。特別是對彈性變形特性的研究,特別是孔隙水對變形的影響,為軟土卸載變形的計算提供了理論依據(jù)。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展和城市化進程的加快,人們在民用建筑、水利、水電、公路運輸?shù)裙こ讨胁坏貌幻鎸Υ罅康能浲恋鼗妥冃畏治?。軟土地基在巖土工程設(shè)計中占有重要地位。人們不僅要研究荷載作用下的沉降變形,還要了解荷載作用下的回彈變形。因此,研究飽和軟粘土的固結(jié)特性和變形機理具有重要的現(xiàn)實意義和理論意義。
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