Terzaghi一维固结理论研究综述_问延煦

(2)
应变率
2u z2
=rkw
N
u0 H2
(3)
Serge Leroureil 则在文献[ 9] 中写 道 :在最 近 20 年 间 , 人 们做
了大量的天然粘土不同 应变 率的 等应 变率 试验(CRS)固结 试验
(针对加 拿大 东 部粘 土 ;Crawford 1963 , Vailetal 1979 ;Leroueil et al 1983 等等)。 所有的实验均表 明应变率 影响着 粘土的 压缩曲 线 。
自 Terzaghi 一维固结理论提出的 半个多 世纪以 来 , 人 们已有 大量的工程实践和改进方法 , 但是问题仍然没 有完全解决 。 在实 际工作中常常发现 Terzaghi 一 维固 结理 论计 算的 沉降 速率 远小 于实测值[ 1] 。 为此 , 设计人员 常常感 到困惑 , 选用 勘探取 样室内 试验结果得 到的压缩 性指 标 , 进而 求得 固结 计算 结果 到底 有多 大的把握 。
中图分类号 :TU4 文献标识码 :B
Terzaghi 一维固结理论研究综述
问延煦 , 施建勇
(河海大学岩土工程研究所 , 江苏 南京 210098)
摘 要 :针对 Terzaghi 一维固结理论自身存在 的不足 , 从 三维固 结 、固结系 数的合理 测定 、饱和 粘土的 应力应变 关系 、达 西定律有效性 、大变形固结理论 、成层地基固结理论 、次固结效应 、垂直应变相 同的简化 假设方面详 细介绍了 Terzaghi 一 维固结理论研究现状 。 关键词 :Terzaghi 一维固结理论 ;固结参数 ;固结 度 ;研究综述
总第 81 期
西部探矿工程
series No .81
2003 年第 2 期
WEST -CHINA EXPLORATION ENGINEERING
Feb .2 003
文章编号 :1004 —5716(2003)02 —01 —04
·岩土工程·
在低于结构屈服应力的范围内 , 固结 系数基 本为一常 数 ;当应力
增加到结构屈服应力附近时 , 则固结 系数急 剧降低 , 然后 趋于重
塑土的固结 系数 。 而文 献[ 9] [ 14] 中 认为 Cv 并不 是土 体本 身的 属性 , 而是土体变形和渗透 性的综 合影响 系数 。 因此 , 应 当通过
应力超过土体前期固结压力时 , Cv 值将在固结过程中发生很大的
变化 。 随着土层的厚度的增加 , 土层顶面与底面的附加 应力将相
差很大 , 这将导致 Cv值的变化 。 随着固 结压力的 增加 , Cv 值也将 发生变化 。 文献[ 10] [ 11] 均指出从大量的常规 固结试验 、渗压固
结试验 、现场堆载预压反算结果 , 均表明随着压力的增加 , 固结系
对于一个给定的应变 , 应变率 越高 , 有效 应力则 越高 。 等加 荷试
验(Jarrett1967 , Burghignoli 1979), 阶段加荷试 验(Larsson 1981)以及
控制梯度试验 均证实了这一点 。
Duncan 在文献[ 5] 中亦指出 , 尽 管传统 固结理 论假定粘 土骨
架的压缩是不受 时间 影响的 , 但 室内 试验 和 现场 资料 均表 明粘
土的压缩依赖于应变率 的大小 。 室 内试验 过快的 应变率将 阻止
压缩的进行 , 而现场相对较低的应变率将使压缩充分进行 。
曲线相一致 , 那么两种方法所得的结果是一致的 。 但是由于试验 曲线实际上不 与理论曲线吻合 , 所以尽 管两种 方法都 是合理 的 , 可它们却常常 会给出不同的结果 。
第 二种方法 :由 Cv =Kv mvrw , 测得 Kv 与 mv , 则 可求出 Cv 。 实 际 上目前 很少用这 种方法 测定 Cv 。 一 方面 , 压缩 试验与渗 透试 验的仪器及试 验方法完全不同 , 比第一 种方法 要增加 试验成 本 ; 另一方面 , 渗透系数 Kv受很多因素影响 , 不易测准 。
第一种方 法 :根据 Terzaghi 一维固结理论 U -t 关系曲线的各 种特点 , 国内外学者提出了许多确 定 Cv 的方法 , 如时间 对数(lgt) 法 、时间平方根法 、试算 法 、反 弯点法 、三 点计算法 、司 各脱法 等 。 Duncan 在文献[ 5] 中指出常用的时间对数法和时间平方根法通常 会得出不同的 Cv值 。 他 举了洛 杉机海湾 粘土 为例 , lgt 法得 出的 Cv值处于 0.6 ～ 3m2 yr 范围之内 , 而平方根法得出的 Cv 值处于 0 . 8～ 5.2m2 yr 范围之 内 。由此 可见 , 平 方根法 得出的 Cv 值要比 lgt 法得出的 Cv值大近 1 .5 倍 。 他进一 步指出 如果试 验曲线与 理论
压缩系数和渗透系数的分别测定来分析土体的固结 。
(3)Terzaghi 假定土中的应力 应变关 系是线弹 性的 。 Devis 和 Raymond[ 15] 、Gibson[16] 、Hawley 和 Boris[17] 以 及 Mesri 和 Rokbsar[ 18]
采用非线性 应力应变 关系 , 通 常把 孔隙 比表 示成 有效 应力 对数
ford(1964)指出应变 率对 于粘土 的变 形具有 重要 影响 , 而且 固结
仪的试 验 结果 随 试 验 方法 的 不 同 而 不 同 。 Jack w .Hilf 在文 献
[ 20] 中引入了 无量 纲参 数 N , 称 之 为应 变率 因 子 。 其定 义 如下 式:
N =H2 u0
2u z2
的函数 , 即
e0
-e
=Cc
log
σ′ σ′0
(1)
南科院魏 汝 龙教 授 以及 福 州 大学 徐 少曼 通 过大 量 实 验指
出 , 软土压缩曲线的整个形状更符合双曲线的 特征[ 1] [19] 。
饱和粘 土的应力 应变 关系 受到 加荷 速率 的强 烈影 响 , 并且
很早就引起 了人们的重 视 。 早在 1936 年 Buisman 就 发现在 粘土 的变形中时间是一个很重要的因素 。 20 世纪 60 年代早期 , Craw-
西 部 探 矿 工 程 Feb.2003
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No .2
第四种 方法与第 五种 方法 的原 理相 同 , 只是 第五 种方 法不
能为这个工 程本身提 供设 计参 数 , 只能 验证 设计 参数 选择 的正
确性 。 这两种方法采用的资料直观可靠 , 但目前采用的 推算方法
第三种方法 :由于 室内 试验 的小 试样 并 不能 代表 大范 围的 天然土层情况 , 特别是有夹砂层 的情况 下更是 如此 ;而现场 试验 能反映出较大 范围土体及夹层的情况 。 在土的扰动程度方面 , 室 内试样经历了 取样 、运输 、放置 、制样等过程 , 受到较大的扰动 ;现 场试验可能比 室内的扰动小一些 。 鉴于此 , 人们千方百计地在钻 孔原位测试固结系数 。 用得 较多的 是在土 中贯入 一个带孔 压测 量装置的探头 , 记录孔压随时间 的消散 值 , 计算土 的原位固 结系 数 。 这种方法可以在工 程开始前进行 , 为设计及时提供现场试验 值 。 资料表明 , 室内测定的固结 系数较 现场测 定的低 , 从沪 宁高 速昆山段的结果来看 , 两者相差 1 个数量级[ 6] 。 而现场测 定的仍 低于实际存在 的数值 。Streefkeek 的结果证明了这一点[ 7] 。
(1)魏汝龙在文献[ 1] 中写道 :“ 软粘土 地基上 的现场 观察资 料表明 , 实际的沉降速率通常 比用 Terzaghi 一维固 结理论 计算的 快得多 。 显然 , 许多实际工程都是在三维或二维条件下 发生固结 和变形的 。Terzaghi 一维固结理论中没有计入水平向的 孔隙压力 消散必然会加速其 沉降 速率 。”Terzaghi 与 Redulic 提出 了准 三维 固结理论 , 其中包 含三 维的 水流 , 但 是只 计入 一维 的竖 向应 变 。 此时就可象一维固结理论中那样 假设土中 的总应 力分布 在固结 过程中不变 , 从而可将孔压的 消散和 竖向应 变分开处 理 , 简化问 题的求解 , 但总应 力在固 结过 程中 不变 的假 设使 多维 问题 不能 满足弹性力学相容方程 , 所以 Terzaghi -Redulic 三维 固结理 论是 在多维问题中是不严格的 。
数也随之 减小 。 张诚 厚(1963)[12] 对湛 江粘 土 和上 海粘 土 、Yong (1977)[ 13] 对 Ledaclay 进行了研究 , 他们认为 天然深厚软 土存在着
结构性 , 其工程性质与扰动土的工程性质有较 大的差别 。 研究表
明 , 结构性强的原状粘土压缩曲线上 , 具有明显的结构屈服应力 ;
固结理论中 Cv值被认为是 在整个固结过程中不变的 。 Leroueil 在 文献[ 1] 中指出即使加荷阶段 的土体 完全处 于正常 固结范 围内 ,
Cv值随时间和土 体单元 的位 置的 不同而 可以 改变很 大 。 Duncan 在文献[ 5] 中写道 :对于某些粘土在某些情况下 , Cv值随 压力的增 大而保持不变 。 但是很多 情况下用一个固定 的 Cv 值来描述粘土 层在整个受荷过程中的行为是不合理的 。 例如 , 当土体 中的有效
比奥(Biot)从较严格的固 结机理 出发 , 提出的 固结理 论可反 映孔隙压力消散与土骨架变形相 互关系比 太沙基 固结理 论及合 理地反映土体的固结过程 。 但比奥固结理论的设计参数较多 , 由 于岩土材料的复杂性 , 准确确定这些参数又比 较困难 ;此外 , 正如 文献[ 2] 中指出“ 按比奥方 程求解 固结问题 的精确 解是相 当复杂 的” , 目 前 所 见 的 比 奥 解 析 解 也 只 是 在 若 干 特 殊 情 况 下 求 得 的[ 3] [ 4] 。 因此 , 通常须用有限 元等数值方法求解 , 计算比较 复杂 , 计算结果是 否合理在 很大 程度 上依 赖于 计算 参数 的取 值 , 这些 都限制了比奥固结理论在工程上的应用 。