非饱和土的固结与水力特性研究
非饱和土的固结与水力特性研究
缪林昌;崔颖
【期刊名称】《地震工程学报》
【年(卷),期】2011(033)0z1
【摘要】采用平均土骨架应力代替Bishop的非饱和土的有效应力,基于分析体积变形连续性条件建立了简化的一维非饱和土固结方程,分析计算了非饱和土在固结过程中孔隙压力、平均土骨架应力、饱和度的变化情况.同时建立了耦合水力特性的非饱和土本构模型和屈服方程.算例计算结果表明本文提出的非饱和土简化固结理论和耦合水力特性的非饱和土应力应变本构模型的有效性.%Using the average soil skeleton stress to replace Bishop's effective stress of unsaturated soils, a simplified one dimensional consolidation equation is derived based on volumetric change, water continuity condition. The pore pressure, average soil skeleton stress and degree of saturation during consolidation of unsaturated soils with the equation are analyzed and calculated. According to testing results and the average soil skeleton stress, the constitutive model coupling hydro-mechanics and yield equations of unsaturated soils are presented. Calculation results of cases show that the simplified one dimensional consolidation theory of the unsaturated soils as well as the constitive model are available.
【总页数】5页(38-42)
【关键词】非饱和土;固结;本构模型;水力特性;土骨架应力
非饱和土固结试验
石家庄铁道大学 研究生课程论文 培养单位土木工程学院 学科专业建筑与土木工程 课程名称非饱和土力学 任课教师 考试日期 2015.1.15 学生姓名 学号 研究生学院
非饱和土固结实验报告 一、非饱和土固结试验工程意义 土体的压缩变形特性决定了地基沉降量的大小和固结时间的长短, 尤其是非饱和土体的压缩变形特性是目前工程界关注的焦点。在荷载作用下，土体中产生超孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土中水被排出，超孔隙水压力逐渐消散，土体中有效应力逐渐增大，直至超孔隙水压力完全消散，这一过程称为固结。饱和土的固结可视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。非饱和土的孔隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著。这些使非饱和土的固结过程非常复杂。由于土体内部结构复杂, 使得非饱和土体在固结变形特性上与饱和土体存在巨大差异, 同时也导致非饱和土地基在设计和施工中存在大量不确定因素。因此掌握非饱和土体的固结变形机理, 并且有针对性的对地基沉降加以控制是目前极待解决的问题。 二、实验方案 通过一维固结试验，利用实验数据整理出在分级施加垂直压力p下试件的竖向变形s与时间t的s-t曲线、试件排水v与时间t的v-t曲线以及e-p曲线，研究非饱和重塑粉质粘土在饱和度Sr=0.569下的压缩变形特性。 1.土样 本实验使用重塑非饱和粉质粘土，土的压实度DC=0.9 、含水率w=12%、土粒比重Gs=2.72、最大干密度pdmax=1.92g/com，实验中的试件尺寸为Ф61.8mm×H20mm，总质量m=116.04g，其中固体颗粒质量ms=103.6g 2. 实验设备 本实验采用的非饱和土固结仪（如图1-1所示）由中国人民解放军后勤工程学院、电力
等加载速率下软土固结特性试验研究
第13卷 第4期2015年8月南水北调与水利科技S outh -to -North W ater Transfers and Water Science &Techn ology V ol.13N o.4A ug.2015试验研究收稿日期:2014-10-29 修回日期:2015-06-18 网络出版时间:2015-07-24 网络出版地址:http://w w https://www.wendangku.net/doc/4f510095.html,k https://www.wendangku.net/doc/4f510095.html,/kcms/detail/13.1334.T V.20150724.0911.002.h tm l 基金项目:水利部科技推广计划项目(T G1414);水利部科技推广计划项目(1408085M E99);2015年安徽省省属社会公益类科研机构专项资金项目作者简介:周文渊(1988-),男,河南周口人,助理工程师,主要从事岩土工程试验研究。E -mail:574058817@https://www.wendangku.net/doc/4f510095.html, 通讯作者:宋新江(1970-),男,安徽滁州人,教授级高级工程师,博士,主要从事岩土工程试验研究。E -mail:s xj06@https://www.wendangku.net/doc/4f510095.html, D OI:10.13476/https://www.wendangku.net/doc/4f510095.html,ki.nsbdqk.2015.04.019 等加载速率下软土固结特性试验研究 周文渊1,闪 黎2,宋新江1,徐海波1 (1.安徽省?水利部淮河水利委员会水利科学研究院,安徽蚌埠233000; 2.淮河水利委员会治淮工程建设管理局,安徽蚌埠233000) 摘要:等加载速率固结试验是在控制固结应力的施加速率为一常数条件下研究土体固结特性的试验方法。采用G DS 高级固结仪,开展了四种加载速率与瞬时加载的软土固结试验研究,分析了土样的固结变形特性与孔隙水压力变化规律。试验与分析结果表明,加载速率越大土样固结速率越快,土样完成固结所需的时间越短;土体的最终变形量由固结应力大小决定,与加载速率无关;随着固结应力施加速率的增加,加载完成时土样的平均固结度呈下降趋势;加载速率越大,土样底部的孔隙水压力上升速率越快,孔隙水压力极值越大;孔隙水压力在固结应力加载完成前达到极值,随后呈下降趋势,有效应力迅速增加。 关键词:等加载速率固结;GDS 高级固结仪;孔隙水压力;固结变形;固结度;最终变形量;软土 中图分类号:T U 447 文献标志码:A 文章编号:1672-1683(2015)04-0695-05 Research on consolidation test of soft clay under constant loading rate ZH OU W en -yuan 1,SH A N Li 2,SON G X in -jiang 1,XU H ai -bo 1 (1.A nhui and H uaihe River W ater Resources Res ear ch I nstitute ,Beng bu 233000,China; 2.H uaihe Riv er P roj ect Constr uction A uthor ity of H uaihe River Water Resources Committee,B engbu 233000,China)Abstract:Consolidat ion test under constant lo ading rate is the test metho d for the co nso lidatio n process o f clay ey so il w ith a con -stant rate o f contro l conso lidation str ess.Consolidat ion t ests with four different lo ading rates and instantaneo us lo ading wer e car ried out using the GDS advanced consolidat ion testing sy stem.T he co nso lidatio n defor matio n character istics of soft clay and the chang e law of po re -w ater pressur e wer e analy zed.T he findings indicated that (1)the faster of lo ading r ate,the larg er de -fo rmation rate and the shorter time fo r consolidation o f soil sample;(2)the final defo rmation of soil sample is independent of the loading r ate but dependent o n the magnit ude o f co nso lidatio n str ess;(3)with the increasing o f loading r ate o f co nso lidatio n st ress,the averag e conso lidation deg ree of soil sample decr eases after loading ;(4)t he hig her the loading rate,t he faster the in -cr easing rate o f por e pressure in the so il sample bo ttom and the lar ger t he ext reme v alue o f por e pressure;and(5)the por e pres -sure r eaches the max imum before the completion of loading of co nso lidatio n str ess,then decr eases w hile the effect ive str ess in -cr eases rapidly. Key words:co nso lidatio n under co nstant loading r ate;GDS advanced consolidat ion testing system;po re pressur e;co nso lidatio n defor matio n;deg ree of co nsolidatio n;final deformat ion;so ft clay 固结是土体在外部荷载作用下,超静孔隙水压力减少, 有效应力增加,土体压缩的过程[1];荷载作用、孔隙水压力与 压缩变形是固结试验研究的重点。常规固结试验是研究土 体固结特性最常用的方法,但存在耗时长、不能监测固结过 程中孔隙水压力的变化、对土样扰动较大并且加载方式与实 际施工情况差别较大等不足[2]。为更好地模拟工程中实际的固结加载方式,相关学者提出了等加载速率固结试验方法(Constant rate of loading consolidat ion test,简称CRL),即加载过程中控制试样的固结应力增长(加载速率)为常数的一种固结试验。CR L 固结试验的加载方式与岩土工程实际加载相似,不仅克服了常规固结试验的缺点,而且具备加荷稳定,操作简单,对土样扰动小的特点[3-5]。 ?695?
饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别
论饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别 黄振育 （桂林理工大学，土木与建筑工程学院，岩土工程专业，102011187） 摘要：简述饱和土与非饱和土的固结理论的研究概况，总结饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别，探讨非饱和土固结理论所存在的一些特点和困难。 关键词：饱和土；非饱和土；固结理论 Abstract ：This paper describes the overseas and domestic researches on the consolidation theory of saturated soil and unsaturated soil between which the correlation and difference of consolidation are summarized,further exploring and discussing the properties and difficulties in the consolidation theory of unsaturated soil. Key words ：Saturated soil；Unsaturated soil；Consolidation theory 1引言 在荷载作用下，土体中产生超孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土中水被排出，超孔隙水压力逐渐消散，土体中有效应力逐渐增大，直至超孔隙水压力完全消散的过程称为固结。土体在固结过程中，随土中水的排出，土体空隙比减少，土体产生压缩，体积变小；随着有效应力逐步增大，土体的抗剪强度提高。将饱和土的固结视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。非饱和土的孔隙中同时含有水气两相，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响非常显著。这些使非饱和土的固结过程非常复杂。因此，迄今为止，还没有公认的成熟且实用于工程建设的非饱和土固结理论。此论文仅分别简述了饱和土固结理论、非饱和土固结理论的研究概况，并简要总结分析了两者的差别与联系，以进一步对固结理论有系统的认识和理解。 2饱和土的固结理论的研究 Terzaghi(1943)导出了饱和土一维固结的经典理论。在推导过程中采用了若干假定，例如1、土是均质并饱和的；2、小应变情况；3、在固结过程中体积变化系数m v 和渗透系数K保持常数；4、水和土颗粒不可压缩。Terzaghi(1943)在这一系列假定的基础上，建立了著名的一维固结理论，并建立了一维渗透固结微分方程，即： 2v 2u u C z t ??=??（1）式中：v C —土的固结系数0v (1)v w v w k k e C m a γγ+==在一定初始条件和边界条件下，该方程是有解析解的。（1）式描述了固结过程中孔隙水压力随深度和时间的变化，孔隙水压力的变化引起有效应力的变化。为了计算体积变化，可将有效应力的变化代入本构方程，而该体积变化等于从饱和土中流出的水体积。计算出体积变化后，可用它来计算整个固结过程中土的体积—质量特性，如孔隙比、含水率和密度。实际上，土体的固结是复杂、多向的，由于没有考虑土体的侧向排水，用一维固结理论计算
非饱和土的固结与水力特性研究
非饱和土的固结与水力特性研究 缪林昌;崔颖 【期刊名称】《地震工程学报》 【年(卷),期】2011(033)0z1 【摘要】采用平均土骨架应力代替Bishop的非饱和土的有效应力,基于分析体积变形连续性条件建立了简化的一维非饱和土固结方程,分析计算了非饱和土在固结过程中孔隙压力、平均土骨架应力、饱和度的变化情况.同时建立了耦合水力特性的非饱和土本构模型和屈服方程.算例计算结果表明本文提出的非饱和土简化固结理论和耦合水力特性的非饱和土应力应变本构模型的有效性.%Using the average soil skeleton stress to replace Bishop's effective stress of unsaturated soils, a simplified one dimensional consolidation equation is derived based on volumetric change, water continuity condition. The pore pressure, average soil skeleton stress and degree of saturation during consolidation of unsaturated soils with the equation are analyzed and calculated. According to testing results and the average soil skeleton stress, the constitutive model coupling hydro-mechanics and yield equations of unsaturated soils are presented. Calculation results of cases show that the simplified one dimensional consolidation theory of the unsaturated soils as well as the constitive model are available. 【总页数】5页(38-42) 【关键词】非饱和土;固结;本构模型;水力特性;土骨架应力
土木工程标准固结试验实施细则
xxxxxx公司 土工作业指导书标准固结试验实施细则文件编号： 版本号： 编制： 批准： 生效日期：
标准固结试验实施细则 1. 目的 为了规范标准固结试验中的各个环节，特制定本细则。 2. 适用范围 本试验方法适用于饱和的粘土的标准固结试验的室内作业和分析计算。当只进行压缩时，允许用于非饱和土。不适用于砂土和粉土。 3. 引用文件 GB/T50123-1999 土工试验方法标准。 4. 检测设备 本试验所用的主要仪器设备，应符合下列规定： 1、固结容器：由环刀、护环、透水板、水槽、加压上盖组成。 （1）环刀：内径为61.8mm和79.8mm，高度为20mm。环刀应具有一定的刚度，内壁应保持较高的光洁度，宜涂一薄层硅脂或聚四氟乙烯。 （2）透水板：氧化铝或不受腐蚀的金属材料制成，其渗透系数应大于试样的渗透系数。 用固定式容器时，顶部透水板直径应小于环刀内径0.2～0.5mm；用浮环式容器时上下端透水板直径相等，均应小于环刀内径。 2、加压设备：应能垂直地在瞬间施加各级规定的压力，且没有冲击力，压力准确度应 符合现行国家标准《土工仪器的基本参数及通用技术条件》GB/T15406的规定。 3、变形量测设备：量程10mm，最小分度值为0.01mm的百分表或准确度为全量程0.2% 的位移传感器。 4、固结仪及加压设备应定期校准，并应作仪器变形校正曲线，具体操作见有产品标准。5．操作步骤进行： 5．1原状土试样制备： 5．1．1将原土样筒按标明的上下方向放置，剥去蜡封和胶带，开启土样筒取出土样。检查土样结构，当确定土样已受扰动或取土质量不符合规定时，不应制备力学性质试验的试样。5．1．2根据试验要求用环刀切取试样时，应在环刀内壁涂一薄层凡士林，刃口向下放在土样上，将环刀垂直下压，并用切土刀沿环刀外侧切削土样，边压边削至土样高出环刀，根据试样的软硬采用钢丝锯或切土刀整平环刀两端土样，擦净环刀外壁，称环刀和土的总质量。5．1．3切削试样时，应对土样的层次、气味、颜色、夹杂物、裂缝和均匀性进行描述，对低塑性和高灵敏度的软土，制样时不得扰动。 5．1．4 测定试样的含水率和密度，取切下的余土测定土粒比重：对均质和含有机质的土样，宜采用天然含水率状态下代表性土样，供颗粒分析、界限含水率试验。对非均质土应根据试验项目取足够数量的土样，置于通风处凉干至可碾散为止。对砂土和进行比重试验的土样宜在105～110℃温度下烘干，对有机质含量超过5%的土、含石膏和硫酸盐的土，应在65～70℃温度下烘干。 5．2试样需饱和时制备： 5．2．1抽气饱和法试样制备，应选用叠式或框式饱和器和真空饱和装置。在叠式饱和器下夹板的正中，依次放置透水板、滤纸、带试样的环刀、滤纸、透水板，如此顺序重复，由下向上重叠到拉杆高度，将饱和器上夹板盖好后，拧紧拉杆上端的螺母，将各个环刀在上、下夹板间夹紧。 5．2．2将装有试样的饱和器放入真空缸内，真空缸和盖之间涂一薄层凡士林，盖紧。将真空缸与抽气机接通，启动抽气机，当真空压力表读数接近当地一个大气压力值时（抽气时间不少于1h），微开管夹，使清水徐徐注入真空缸，在注水过程中，真空压力表计数宜保持不变。 5．2．3待水淹没饱和器后停止抽气。开管夹使空气进入真空缸，静止一段时间，细粒土宜
非饱和试验步骤-动三轴
非饱和土试验步骤 1．控制器充排水：试验之前先将控制器中的水排出一部分然后再吸水，确保控制器中水装满2/3且无气泡； 2．饱和陶土板:：施加不超过50kPa的反压，打开孔压传感器端阀门，排出管路和底座内部的气泡，然后关闭阀门，当发现陶土板上表面完全被水覆盖表明陶土板基本饱和； 3．安装试样：安装试样时小心土颗粒，特别是砂子掉入压力时内部，安装试样尽量采用三半模以减小对试样的扰动； 4．内压力室和参照管注水：试样装好之后安装内压力室，将差压传感器的两根管道分别与内压力室和参照管相连，给内压力室和参照管注水，打开湿湿差压传感器上部的堵头，排出管路中的气泡，气泡排完后保证参照管水位大约在2/3位置，内压力室水位在细管中间位置； 5．安装外压力室：安装压力室之前确保轴向力传感器处于最上位置，安放压力室时观察拉伸帽是否压住试样，螺栓需要对称拧紧； 6．荷重传感器清零：通过软件对力传感器清零； 7．调接触：调节荷重传感器位置，观察荷重传感器读数，当读数达到0.005左右时锁紧轴向加载杆； 8．压力室充水：打开压力室顶部排气孔的堵头，打开进水阀门给压力室注水，装满之后关闭进水阀门和排气孔的堵头； 9．加压检查：通过电脑施加20kPa围压，观察压力室是否漏水，观察孔压传感器读数是否迅速上升到与围压值相等，如果相等则橡皮膜破裂； 10.吸力平衡：吸力平衡阶段主要的目的是给试样施加一个基质吸力让试样由饱 和状态变成非饱和状态。为了保护设备并让试样与压力杆接触，在设置压力时应该遵循一个原则：轴向压力>径向压力>孔隙气压>反压； 11.等吸力固结：等吸力固结也采用应力控制模块。等吸力固结时反压和孔隙气 压保持不变，同步增大围压和轴向压力，过观察反压体积是否稳定来判断固结是否完成； 12.等吸力剪切：剪切包括应力控制和应变控制。剪切过程一定要比较缓慢避免
非饱和土力学(同济大学)
非饱和土力学 同济大学地下建筑与工程系 2006年10月
第一章绪论 非饱和土分布十分广泛，与工程实践紧密联系的地表土几乎都是非饱和土。干旱与半干旱地区，由于蒸发量大于降水量，地下水位较深，这些地区的表层土是严格意义上的非饱和土；土坝、铁路和公路路基填土，机场跑道的压实填土都是处于非饱和状态，亦即非饱和土；即使是港口平台、管道等离岸工程中所遇到的土，往往是含生物气的海相沉积土，其孔隙中含有以大气泡（气泡直径远大于土粒直径）形式存在于孔隙中的生物气；另外，在地下水面附近的高饱和土体，其孔隙水中溶解了部分以小气泡（气泡直径与土粒粒径相当）形式存在于孔隙中的气体，土体卸载以后（取样或开挖等），溶解于孔隙水中的气体逸出，以气泡形式存在于孔隙水中，这两种含气泡的土也应属于非饱和土。可见，非饱和土才是工程实践中经常遇到的土，饱和土是非饱和土的特例，真正意义上的饱和土在工程实践中很少见到。 土力学发展至今，已形成了一套完善、独立的理论体系。然而，迄今为止的土力学主要是把其研究对象——土，视为两相体，即认为土是由土粒和孔隙水组成。严格的讲，迄今为止的土力学只能称之为饱和土力学。然而，实际工程中遇到的土多是以三相状态(土粒、孔隙水、孔隙气)存在。经典的饱和土力学原理与概念并不完全符台其实际性状。有人甚至认为在土中水一气的结合面上还存在第4相一水气结合膜。土中气相的存在，使得土体性质复杂、性状多变。将土作为饱和土对大多数工程来讲是一种合理的简化，但是，随着研究的逐渐深入，人们已经注意到，对于某些特殊区域或特殊性质的土，这种简化将造成研究理论的失误。如在膨胀土地基基础的设计中。如果单纯按照膨胀土的现有强度进行设计，则有可能将强度参数估计过高，不安全；如果按其最低强度进行设计，又将造成浪费。因此，合理地提出膨胀土在不同状态下的强度参数是工程的客观需要。此外，膨胀土等非饱和土的变形性能也随饱和度而变化。这些问题都是饱和土力学难以解决的。由此观之，按多相(非饱和)状态下研究土体的工程力学性质是土力学发展的趋势。 一、非饱和土的四相性 一般说来，根据饱和度和饱和介质，土可分为四类： ①两相饱和土：包括土颗粒和充满所有孔隙的水； ②三相饱和土：包括土颗粒、水和以封闭气泡形式存在的空气； ③三相非饱和土：包括土颗粒、水和连通的空气； ④四相非饱和土：包括土颗粒、水、空气和结合水膜。 非饱和土力学研究的主要对象为非饱和土，就是由土粒（固相）、孔隙水（液相）、孔隙气（气相）和液-气交界面构成的四相体系（Fredlund, 1993）。我们常说的非饱和土就是四相非饱和土，其中的结合水膜将是影响这类土体性态的关键因素。非饱和土的气-液相交界面的性质既不同于水，也不同于气体，是一个独立的相，该相在表面化学里被称为收缩膜，是非饱和土中的第四相。非饱和土的孔隙水和孔隙气的形态与非饱和土的含水量（饱和度）密切相关，因此可以根据非饱和土的孔隙气和孔隙水的形态将非饱和土分为不同的类型。俞基培和陈愈炯用高柱法试验、渗透试验和击实试验研究了非饱和击实粘土的孔隙气和孔隙水的形态，将非饱和土分为三类：水封闭型、双开敞型和气闭型。Barden（1965）将非饱和土分为五种类型，各类土之间的饱和界限分别为：①S<50%；②50%≤S<90%；③S=90%，w=w opt （w opt为最优含水量）；④90%
浅析饱和土与非饱和土固结理论
浅析饱和土与非饱和土固结理论 【摘要】本文介绍了饱和土和非饱和土固结理论相关概念，阐述了饱和土与非饱和土固结理论的联系与区别，指明今后固结理论研究中应继续注重二者的联系与区别，以促进固结理论研究的成熟和发展。 【关键词】固结理论；饱和土；非饱和土 引言 土体压缩取决于有效应力的变化。根据有效应力变化的原理，在外荷载不变的条件下，随着途中超静水孔压的消散，有效应力将增加，土体将被不断压缩，直至达到稳定，这一过程称为固结。简而言之，固结即各方向承受压力的土，随着孔隙水的排出产生的压缩现象。饱和土的固结可视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。非饱和土的孔隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著[1]。这些使非饱和土的固结过程非常复杂。目前，非饱和土固结理论的研究还处于一个不成熟的状态。 1 饱和土的固结理论 透水性大的饱和无粘性土（包括巨粒土和粗粒土，或指碎石类土和砂类土），其压缩过程在短时间内就可以结束，固结稳定所经历的时间很短，认为在外荷施加完毕时，其固结变形已基本完成，因此，实践中，一般不考虑无粘性土的固结问题；对于粘性土、粉性土及有机土，均为细粒土，完成固结所需的时间较长，对于深厚软粘土层，其固结变形需要几年甚至几十年时间才能完成。粘性土的固结（压密）问题，实质上是研究土中有效应力增长全过程的理论问题。 K·太沙基（Terzaghi）早在1925 年提出的饱和土中的有效应力原理和单向（一维）固结理论，这是粘性土固结的基本理论。有效应力原理就是研究饱和土中的有效应力和孔隙应力的不同比值及与总应力的关系。在工程实际问题中遇到的有许多是二维、三维固结问题，如路堤、水坝荷载是长条形分布，地基中既有竖向也有水平向的变形及孔隙水渗流，属于二维固结平面应变问题；在厚土层上作用局部荷载时，属于三维固结问题；在软粘土层中设置排水砂井时，除竖向渗流外，还有水平径向渗流，属于三维固结轴对称问题。 2 非饱和土的固结理论 非饱和土是一种三相体系，其中除包含可以认为是不可压缩的固相土粒和液相水外，还含有一定数量的可压缩气体。由这种体系组成的土体，不仅在压缩方面，而且在渗透性方面，都比饱和土（二相体系）复杂得多，因而对于非饱和土固结问题，迄今还没有出现一个公认的成熟且实用的理论方法。
固结试验方法
固结试验方法 1、在切好土样的环刀外壁涂一薄层凡士林，然后将刀口向下放入护环内。 2、将底板放入容器内，底板上放透水石和薄型滤纸，借助提环螺丝将土样环刀及护环放入容器中，土样上面依次放上薄型滤纸、透水石和加压上盖，然后放下加压导环和传压活塞，使各部密切接触，保持平稳。 3、将压缩容器置于加压框架正中，密合传压活塞及横梁，预加1.0Kpa压力，使固结仪各部份紧密接触，装好百分表，并调整读数至零。 4、去掉预压荷载，立即加第一级荷载。加砝码时应壁免冲击和摇晃，在加上砝码的同时，立即开动秒表。 荷载等级一般规定为50kpa、100kpa、300kpa和400kpa。有时可以根据土的软硬程度。第一级荷载可考虑用25kpa加荷后经常观看杠杆的情况或根据需要可逆时针方向旋转手轮调节升降杆，保持杠杆平衡。 5、如系饱和试样，则在施加第一级荷载后，立即向容器中注水至满。如系非饱和试样，须以湿棉纱围住上下透水面四周，避免水份蒸发。 6、如需确定原状土的先期固结压力时，荷载率宜小于1，可采用0.5或0.25倍，施加的压力应使测得的e-lgP曲线下端出现直线段。 7、如需测定沉降速率，固结系数等指标，一般按15S、1min、2min、4min、6min、9min、12min、16min、20min、25min、30min、36min、49min、64min、100min、200min、400min、23h、24h，至稳定为止。 当不需测定沉降速度时，则施加每级压力后24h，测记试样高度变化作为稳定标准，当试样渗透系数在于10-5cm/S时，允许以主固结完成作为相对稳定标准。按此步骤逐级加压至试验结束。（注：测定沉降速率仅适用于饱和土） 8、试验结束后拆除仪器，小心取出完整土样，称其质量，并测定其终结含水量（如不需测定试验后的饱和度，则不必测定终结含水量），并将仪器洗干净。 9、试验结束后，登记仪器使用记录。 中国水利水电第十六工程局 有限公司中心实验室 二O一三年九月
试论饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别--谭龙
高等土力学论文 高等土力学（论文） 题目：试论饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别 专业岩土工程 学生姓名谭龙 学号102011196 指导教师 学院土木与建筑工程学院 2011年01月06日
试论饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别 谭龙 （桂林理工大学土木与建筑工程学院岩土工程102011196） 摘要阐述国内外饱和土与非饱和土的固结理论的研究概况和主要理论成果，总结饱和土与非饱和土固结理论的联系与差别，进而探讨非饱和土固结理论所存在的一些特点和困难。 关键词饱和土非饱和土固结理论 一、引言 在荷载作用下，土体一般是逐渐被压缩，压缩过程中，土体中产生超孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土中水被排出，超孔隙水压力逐渐消散，土体中有效应力逐渐增大，直至超孔隙水压力完全消散，这一过程称为固结。 饱和土的固结可视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。非饱和土的空隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中的水和气发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著。这些使非饱和土的固结过程非常复杂。因此，迄今为止，还没有公认为成熟且实用的非饱和土固结理论。 二、饱和土的固结理论研究 在固结过程中，随着孔隙水的排出，土体产生压缩，使土体的强度
提高。通常认为，太沙基(Terzaghi)提出的一维固结理论和有效应力原理标志着土力学学科的诞生。他在一系列假定的基础上，建立了著名的一维固结理论。Rendulic把Terzaghi的一维固结理论推广到二维或三维的情况，但存在一定的缺陷。 1925年，Terzaghi建立了饱和土单向固结微分方程，并获得了一定起始条件与边界条件时的数学解，迄今仍被广泛应用。为了便于分析和求解，太沙基作了一系列的简化假设：（1）土体是均质的，完全饱和的；（2）土粒与水均为不可以压缩介质；（3）外荷中一次瞬时加到土体上，在固结过程中保持不变；（4）土体的应力与应变之间存在线性关系，压缩系数为常数；（5）在外力作用下，土体中只引起上下方向的渗流与压缩；（6）土中渗流服从达西定律，渗透系数保持不变；（7）土体变形完全是由空隙水排出和超静水压力消散所引起的。 太沙基固结理论实际上假设了固结过程中土的排水距离不变，因为一般情况下土层应变很小，可以忽略不计。但是，在高压缩性地基上的建筑物，会产生相对大的变形，沉降量甚至达到压缩土层厚的百分之十几，如仍按太沙基理论计算，固结时间比实际的明显增长。 Biot考虑了土体固结过程中孔隙水压力消散和土骨架变形之间的耦合作用，从严格的固结机理山发，根据连续体力学的基本力程，建立了Biot固结方程，提出了Biot固结理论，一般称为真三维固结理论。Biot 固结理论较Terzaghi固结理论更为合理完整，但计算较为困难，通常需要采用数值解法。
非饱和土一维固结的半解析解
文章编号:100020887(2010)022*******Ζ应用数学和力学编委会,I SS N 100020887 非饱和土一维固结的半解析解 3 秦爱芳 1 , 孙德安1, 谈永卫 2,3 (1.上海大学土木工程系,上海200072;(2.同济大学地下建筑与工程系,上海200092; 3.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海200092) (郭兴明推荐) 摘要: 首先对Fredlund 的非饱和土一维固结理论进行简化,由得到的液相及气相的控制方程、 Darcy 定律及Fick 定律,经Lap lace 变换及Cayley 2Ha m ilt on 定理构造了顶面状态向量与任意深度处 状态向量间的传递关系;通过引入边界条件,得到了大面积瞬时加荷情况多种边界条件下Lap lace 变换域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力及土层沉降的解;采用Cru mp 方法编制程序实现Lap lace 逆转换,得到了时间域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力、土层沉降的半解析解;引用典型算例,对单面排水排气情况,与已有的解析解进行对比,验证其正确性;对单面排气不排水情况,与差分法结果进行对比进一步证明半解析解的正确性,并进行固结特性分析.该研究对非饱和土一维固结的研究具有重要的意义. 关 键 词: 一维固结; 非饱和土; 超孔隙水压力; 超孔隙气压力; 半解析解中图分类号: T U44 文献标志码: A DO I :10.3879/j .issn .100020887.2010.02.009 引 言 国外从20世纪60年代开始研究非饱和土固结问题,典型的有B light [1] ,Scott [2] ,Bar 2den [3],Fredlund 等[425]等提出的固结方程.20世纪90年代非饱和土固结问题是国内非饱和土 力学研究的热点,Yang (杨代泉)[6]、陈正汉[728]、Shen (沈珠江)[9]、殷宗泽[10] 等曾先后研究过非饱和土的固结理论,并提出了各自的见解.在非饱和土固结理论中比较完善也具有权威性的 是Fredlund [5]固结理论.秦爱芳等[11] 基于Fredlund 的非饱和土一维固结理论得到了大面积均布瞬时加载下顶面为透水透气面,底面为不透水不透气(单面排水排气)边界条件下非饱和土层一维固结的解析解.对于简单荷载及边界条件的Lap lace 逆变换问题,可直接利用Lap lace 变换表得到逆变换的解析表达式,而对于大部分荷载及边界条件(如以上荷载的其它边界条件),Lap lace 变换下的表达式极其复杂,难以直接进行Lap lace 逆变换得到其解析解,需要通过数值方法进行逆变换.本文对大面积均布瞬时加载的多种边界条件,首先推导出Lap lace 变换域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力及土层沉降的解,然后采用Crump 方法编制程序实现La 2p lace 逆转换,得到其半解析解.这种半解析解方法避免了直接Lap lace 逆变换的困难,并可向 9 91 应用数学和力学,第31卷第2期 2010年2月15日出版 App lied Mathe matics and Mechanics Vol .31,No .2,Feb .15,2010 3 收稿日期: 2009206208;修订日期: 2009212228 作者简介: 秦爱芳(1966—),女,山西人,副教授,博士生(联系人.Tel:+86221256336014; E 2mail:qinaifang@21cn .com ).
土体固结试验
土体固结试验 T0137——1993 单轴固结仪法
1目的和适用范围 1.1 本试验的目的是测定土的单位沉降量、压缩系数、压缩模量、压缩指数、 回弹指数、固结系数，以及原状土的先期固结压力等。 1.2 本试验方法适用于饱和的黏质土。当只进行压缩时，允许用非饱和土。 2仪器设备 2.1 固结仪：试样面积30c㎡和50 cm2，高2 cm。 2.2环刀：直径为61.8㎜和79.8，高度为20.环刀应具有一定的刚度，内壁应 保持较高的光洁度，宜涂一薄层硅脂或聚四氟乙烯。 2.3 透水石：由氧化铝或不受土腐蚀的金属材料组成，其透水系数应大于试样 的渗透系数。用固定式容器时，顶部透水石直径小于环刀内径0.2~0.5；当用浮环式容器时，上下部透水石直径相等。 2.4 变形量测设备：量程10，最小分度为0.01的百分表或零级位移传感器。 2.5 其他：天平、秒表、烘箱、钢丝锯、刮土刀、铝盒等。 3试样 3.1 根据工程需要切取原状土样或制备所需湿度密度的扰动土样。切取原状土 样时应试样在试验时的受压情况于天然土层受荷方向一致。
3.2 用钢丝锯将土样修成略大于环刀直径的土柱。然后用手轻轻将环刀垂直下 压，边压边修，直至环刀装土样为止。再用刮刀修平两端，同时注意刮平试样时，不得用刮刀反复涂抹土面。在切削过程中，应细心观察试样并记录其层次、颜色和有无杂质等。 3.3 擦净环刀外壁，称环刀与土总质量，准确至0.1，并取环刀两面修下的土样 测定含水率。试样需要饱和时，应进行抽气饱和。 4试验步骤 4.1 在切好土样的环刀外壁涂一薄层凡士林；然后将刀口向下放入护环内。4.2 将底板放入容器内，底板上放透水石、滤纸，借助提环螺丝将土样环刀及 护环放入容器中，土样上面覆滤纸、透水石，然后放下加压导环和传压活塞，使各部密切接触，保持平稳。 4.3 将压缩容器置于加压框架正中，密合传压活塞及横梁，预加1.0kPa压力， 使固结仪各部分紧密接触，装好百分表，并调整读数至零。 4.4 去掉预压荷载，立即加第一级荷载。加砝码时应避免冲击和摇晃，在加上 砝码的同时，立即开动秒表。荷载等级一般规定为50kPa、100kPa、200kPa、300kPa和400kPa。有时根据土的软硬程度；第一级荷载可考虑用25kPa。 4.5 如系饱和试样，则在施加第一级荷载后，立即向容器中注水至满。如系非 饱和试样，须以湿棉纱围住上下透水面四周，避免水分蒸发。 4.6 如需要确定原状土的先期固结压力时，荷载率宜小于1，可采用0.5或0.25 倍，最后一级荷载应大于1000kPa，使e——lgp曲线下端出现直线段。
非饱和土及土动力学复习题
《非饱和土力学及土动力学》复习思考题 1．试述吸力的概念、种类及其定义。 能使土中水移动的除了重力、压力、荷载之外就是吸力。它是吸引水移动的一种能力，反应土中水的自由能状态。根据相对湿度确定土中吸力通常称为“总吸力”，由两个部分组成：基质吸力和渗透吸力（溶质吸力）。 基质吸力为土中水自由能的毛细部分，它是通过测量土中水处于平衡的部分蒸汽压而确定的等值吸力。 渗透吸力为土中水自由能的溶质部分，是通过测量与溶液处于平衡的蒸汽压而确定的等值吸力。 2．非饱和土的强度与哪些因素有关？何为双参数理论？ 认为土强度指标c和fai中是一个确定的值，是指饱和土强度指标，试验时要将土样浸水饱和。如果试样不泡水饱和，测得的强度指标将是变量，随土的饱和度而变．饱和度愈低．强度指标愈高。在不排气、不排水条件下，ua和uw都随外力的增加而增加. 非饱和土的抗剪强度: 非饱和土的强度是由有效凝聚力c’，外荷引起的有效应力(σ-ua)产生的剪阻力，内部有效应力(ua-uw=s)产生的剪阻力，三部分组成的。 非饱和土的强度表达式： 双参数理论：在非饱和土体内任一平面上有三个法向应力变量，即σ，ua和uw。而三个变量中任两个的组合可用来规定非饱和土的应力状态。可能的组合有： (σ-uw)和(ua-uw)，(σ-ua)和(ua-uw)，(σ-ua)和(σ-uw)。非饱和土的强度和变形可用上述任一组合表达。Fredlund推荐用(σ-ua)和(ua-uw)的组合，这是因为在大多数实际问题中孔隙气压力是大气压力，因而，总应力变化和孔隙水压力变化的影响可以分开考虑。 3. 产生湿化变形的原因。 土中水含量的数值对吸力有很大的影响，进而对土的特性有很大的影响。因非饱和土浸水而使吸力减少，使土体产生加大变形，土体软化，称为非饱和土湿化。 4．非饱和土用的三轴仪与饱和土用三轴仪，有哪些不一样？ ①它必须能分别测量或控制孔隙水压力和孔隙气压力，从而得出吸力。这就要用陶土板讲孔隙水压和孔隙气压分开来测。②它不能依据试样排出的水量来推出试样的体积变形，试样非饱和，受荷后除了排水还要排气，它必须用另外途径来推出试样的体积变形，有两种方式，一是利用压力室水体积的变化来测体积变形，另一种是利用位移传感器测试试样高度和周长的变化。 5. 何为土的水分特征曲线？怎么表示？
非饱和土粘弹性地基一维固结特性分析
非饱和土粘弹性地基一维固结特性分析 秦爱芳, 罗坤, 孙德安 【摘要】摘要：基于 Fredlund的非饱和土一维固结理论,采用李氏比拟法,研究有限厚度粘弹性非饱和土层在大面积均布瞬时加荷时的一维固结问题.针对Merchant粘弹性模型,采用Laplace变换及Cayley-Hamilton等数学方法,引入边界及初始条件,得到Laplace变换域内顶面排气不排水、底面不渗透情况下粘弹性非饱和土地基一维固结时的超孔隙水压力、超孔隙气压力以及土层沉降的解,采用 Crump及Durbin方法实现 Laplace逆变换,获得半解析解;分析在不同气、水渗透系数比ka/kw下,Merchant粘弹性模型的Kelvin体中弹性模量E1和粘滞系数η等对粘弹性非饱和土地基一维固结特性的影响,揭示粘弹性非饱和土地基的固结特性;最后通过与弹性解析解的对比,验证了半解析解方法的正确性. 【期刊名称】上海大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2010(016)002 【总页数】7 【关键词】非饱和土;粘弹性;一维固结;半解析解;Laplace变换 国外研究学者从20世纪60年代开始研究非饱和土固结问题,典型的有Blight[1],Scott[2], Barden[3],Fredlund[4-5]等提出的固结方程.20世纪90年代,非饱和土固结问题是国内非饱和土力学研究的热点,杨代泉[6]、陈正汉[7-9]、沈珠江[10]、殷宗泽[11]等先后研究了非饱和土的固结理论,并提出各自的见解.在非饱和土固结理论中比较完善的、具有权威性的是 Fredlund固结理论[4-5].流变性作为土的重要工程性质之一,引起了人们的高度重视.一些学者如陈宗基
非饱和土的有效应力与抗剪强度
1页 &$& 岩 土 力 学 (55( 年 多大， 土骨架也不会发生滑移； 土颗粒若是弹性的， ! 随 !!的增加而增加， ! " " # 时， 当 土颗粒发生滑移， 土 骨架屈服。 $ %） 图 （ 为并列 & 排图 $ ’） （ 而成的非饱和土 块模型， 单元的第 ( 列两侧均为空气， 颗粒接触点 土 存在毛细水， & 列两侧均为重力水， 颗粒接触点 第 土 不存在毛细水； )， 列在空气一侧的土颗粒接触点 第 $ 存在毛细水。 $ * ） 图 （为作用于土块模型上的力。 定义： 影。 由于 $(! - ##2 & + 5， 代入式 &） （ 可得： 4 !! + "! + " 1 # & % # （6） 式 &） （ 表示抵抗土体变形的断面力，（6） 式 表示引 起土体压缩的原动力， 两式有时必须分开使用。 由于 " 和 $’ 是作用于整个土块面积 # 上的应力， 吸力是作用 于局部面积上的应力， 所以在力学计算中必须将其换 算成整个土块面积 # 上的平均应力， % ， 2 其实是一 # # 个换算系数， 物理意义分别为单位面积土模型中重力 水和毛细水所占的面积。虽然式 &） （ 是土模型断面上 的平均应力，但非饱和土的抗剪强度一般不受式 &） （ 控制而受式 6） （ 控制， 因为实际中的非饱和土， 很多土 颗粒接触点不存在毛细水， 土体往往会从这些点开始 破坏， 进而使破坏区逐渐扩大。非饱和土一般与饱和 土有不同的破坏形式， 即容易发生渐近性破坏 （象撕 裂一张纸一样使破坏区由一点而逐渐扩大） ，其主要 原因之一就是因为内部应力的影响使土体内的抗剪 强度不同。 （&）（6） 式 和 是对 78493: 有效应力公式的发 展和完善， 用它们可以说明非饱和土的强度和变形特 性。 " + !! + !, - $’ # 式中 土界面上的总应力 !, - $ ’ 为净应力） （ 。 （$） # 为土块模型的面积；, + !!, # 为作用于 ! & 非饱和土的抗剪强度理论及参数的 测试方法 在非饱和土的抗剪强度理论中，有代表性的是 ） 78493: 提出的单变量强度理论（表达式为式（(）及 A&B ;<=>?#@> 提出的双变量强度理论和卢肇钧 提出的吸 附强度理论 （由吸力产生的抗剪强度称吸附强度） 。后 两者的强度表达式分别为 & %! + +" # ! $ $% " ’" # &&%’’( &%’ & %! + +" # ! $ $% " ’" # ,!)&%’ ’0 &%’ 式中 验参数。 （C ） （D ） ’ ( 为与吸力有关的参数；) 为膨胀力； 为试 ! , 比较式（(） C ） D ）可知： + &%’ ’ % &%’’" + ， ， （（# 取波形断面 %-%， 于 $’ " $. ， 以在毛细水 由 所 和重力水作用的面积上存在吸力 & + $’ ’ $./ 另外还 有 ( 和 !!，但 ( 是为平衡孔隙气与毛细水的压力差 而产生的。根据图 $ *） （ 中各力的平衡关系可得： 各种非饱和土抗剪强度理论公式本质上 ,!) &。因此， 都是相同的， 其不同仅在于确定由吸力产生的那部分 有效应力 （包括内部应力） 时所采用的参数和试验方 法不同。 在式 (） # 是通过三轴压缩试验测出试样在饱 （ 中， 和与非饱和状态下的抗剪强度反求出来的： !! + !!0 1 !() ’ ##% & - ##2 & 故有 式中 !!) * !() + " 1 # & 1 # & （&） % 2 # (0 + (*34!， # % 及 ## 2 分别为重力水和毛细 # 式中 # * & & ! $ $+ "- ! $ $% " ; : $ !% $ $+ " E （F ） 水在波形断面 %-% 中所占的面积在水平面上的投 & ! $ $+ "为试样在饱和状态下剪坏时的平均 ;