饱和土与非饱和土固结理论及有效应力原理浅谈

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

关于有效应力原理的几个问题

第33卷 第2期 岩 土 工 程 学 报 Vol.33 No.2 2011年2月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Feb. 2011 关于有效应力原理的几个问题 李广信 （清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084） 摘要：分析了关于饱和土体有效应力原理的一些错误的概念和理解，针对在饱和土中的孔隙水压力是否需要折减，黏性土的结合水能否传递水压力，试验中和原位孔隙水压力和地下室浮力的量测以及岩石、混凝土和黏土中有效应力原理的实用性等问题进行了讨论。指出长期的工程实践和大量的试验成果表明有效应力原理对于饱和砂土和黏土都是适用的和有效的。 关键词：有效应力原理；孔隙水压力；结合水；孔压的量测 中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2011)02–0315–06 作者介绍：李广信(1941–)，男，黑龙江宾县人，博士，教授，从事土的本构关系等方面的研究。E-mail: ligx@https://www.wendangku.net/doc/5114283172.html,。 Some problems about principle of effective stress LI Guang-xin (State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: Some mistakes and wrong concepts about the principle of effective stress in saturated soil are pointed out and analyzed. Some problems in the field are discussed, for example, the reduction of pore water pressure in clay, the diffusion of bound water in clay, the accuracy of the principle of effective stress in rock, concrete and clay, the measurement of pore water pressure in clay and uplift pressure on basement. Through the long processs of practice and experiments, a conclusion is drawn that the principle of effective stress is applicable and effective in both saturated sand and clay. Key words: principle of effective stress; pore water pressure; bound water; measurement of pore water pressure 0 引 言 J.K.Mitchell认为太沙基关于饱和土体的有效应力原理是土力学的“拱心石”[1]，亦即是石拱结构中封顶的那一块石头，可见其重要性。经典土力学中的太沙基一维渗流固结理论，比奥固结理论，土的排水与不排水强度及其指标，Skempton的孔隙水压力系数，水下土体的自重应力与附加应力的计算，渗透变形，土中水的压力（扬压力与侧压力），地基的预压渗流固结，有水情况下的极限平衡法边坡的稳定分析等课题，都是建立在有效应力原理基础上的。太沙基的有效应力原理也是土力学能够成为一门独立的力学学科的标志性理论。 可是近年来，笔者所见到很多与有效应力原理相悖的中国文献（发表或未发表），它们都涉及到黏性土中的浮力、自重应力计算和水土合算与分算等问题。其作法或者是将孔压u打折，或者是将压力的计算面积折减，或者不承认某些黏性土内存在孔隙水压力。实际上有意或无意在推翻或者改写有效应力原理。近年来出现的关于基坑支挡结构物上的水土合算[2]，地基基础浮力计算的折减[3]与用饱和重度计算有效自重应力[4]等都在工程设计中广泛应用，但其也是有悖于有效应力原理的。 1 关于有效应力原理的推导 一位作者在其文章开头就声称： “土力学中太沙基的有效应力原理几十年来有一个根本错误没有被发现。”他认为应由式（1）改为式（2） u σσ′ =+，(1) (1)n nu σσ′ =?+，(2) 式中，n是土的孔隙率。 还有一位认为孔隙水压力只与土孔隙内的自由水有关，式（1）中的孔压u应表示为 w u h ξγ =，(3) 式中，ξ是饱和土截面上自由水所占的面积与孔隙总面积之比[5]，被称为水压率，h为该点的总水头。 ─────── 基金项目：国家973计划项目（2010CB732103） 收稿日期：2010–08–23

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

【地基基础 精品讲义】21第二章-土的有效应力原理

地基基础
主讲教师：唐 亮 哈尔滨工业大学土木工程学院

土的压缩性与地基沉降计算
?本章内容
1. 土的压缩性 2. 土的有效应力原理 3. 地基土的应力分布
z 土层自重应力 z 基底压力(接触压力和附加压力) z 地基附加应力
4. 地基最终沉降量计算 5. 地基变形与时间的关系(了解)

1998年 九江大堤决口
“豆腐渣”工程 “王╳ ╳”工程
2000年 30公里 双钟圩堤身滑坡
《九江大堤今年又见“豆腐渣”》
《解放军报》 2000年08月14日
“豆腐脑”
需要的土力学知识： 有效应力原理 渗流固结理论 土的强度理论
《羊城晚报》2000年07月31日

有效应力原理的基本概念
z 土体是由固体颗粒骨架、孔隙流体（水和气）三相构成的碎散材
料，受外力作用后，总应力由土骨架和孔隙流体共同承受
孔隙流体
三相体系
土＝ 固体颗粒骨架 + 孔隙水 + 孔隙气体
受外荷载作用 总应力由土骨架和孔隙流体共同承受 z 对所受总应力，骨架和孔隙流体如何分担？ z 它们如何传递和相互转化？ z 它们对土的变形和强度有何影响？
σ 总应力
有效应力原理 K. V.Terzaghi(1923)
土力学从一般固体力学中分离出 来，成为一门独立的分支学科。

有效应力原理的基本概念
? 饱和土是由固体颗粒骨架和充满 其间的水组成的两相体。受外力 后，总应力分为两部分承担：
) 由土骨架承担，并通过颗粒之间
的接触面进行应力的传递，称为 粒间应力。
) 由孔隙水来承担，通过连通的孔
隙水传递，称为孔隙水压力。孔 隙水不能承担剪应力，但能承受 法向应力。
外荷载 → 总应力 σ

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

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。

土的压缩性和固结理论

五 土的压缩性和固结理论 一、填空题 1.土体的压缩性被认为是由于土体中______________减小的结果。 2.土的固结系数表达式为_________，其单位是____________；时间因数的表达式为___________。 3.根据饱和土的一维固结理论，对于一定厚度的饱和软粘土层，当t=0和0≤z ≤H 时，孔隙水压力u=______________；当t=∞和0≤z ≤H 时，孔隙水压力u=__________________。 4.在土的压缩性指标中，s E 和a 的关系为____________________;S E 和0E 的关系为_______。对后者来说，其关系只在理论上成立，对_________土相差很多倍，对__________土则比较接近。 5.土的压缩性是指___________。 6.压缩曲线的坡度越陡，说明随着压力的增加，土孔隙比的减小愈___________，因而土的压缩性愈_________________。反之，压缩曲线的坡度越缓，说明随着压力的增加，土的孔隙比的减小愈___________，因而土的压缩性愈___________。《规范》采用21-a 来评价土的压缩性高低，当21-a _____________时，属低压缩性土；当21-a _____________时，属中压缩性土；21-a _____________时，属高压缩性土。 7.土的压缩指数的定义表达式为___________。 8. 超固结比OCR 指的是______和______之比；根据OCR 的大小可把粘性土分为______、______、______三类；1OCR <的粘性土属______土。 9.压缩系数______，压缩模量______，则土的压缩性越高。这两个指标通过______试验，绘制______曲线得到。 答案：1.孔隙体积 2.w a e k γ) 1(C 1V += 年2m 2T h t c v v = 3.z σ 0 4.a e E s 11+= s E E β=0 硬土 软土 5土在压力作用下体积减小的特征 6.显著 高 小 低 21-a ＜0.11 M -pa 0.11 M -pa ≤21-a ＜0.51 M -pa 21-a ≥0.51 M -pa 7.1 2 211 221C lg lg lg p p e e p p e e C -=--= 8.先期固结压力、现在土的自重应力、正常固结土、超 固结土、欠固结土、欠固结土 9.越大、减小、压缩、e p - 二、选择题 1.下列说法中，错误的是（ ）。 （A ）土在压力作用下体积会缩小 （B ）土的压缩主要是土中孔隙体积的减小

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。

土的压缩性及固结理论

第4章土的压缩性及固结理论 基本内容 这是本课程的重点。在学习土的压缩性指标确定方法的基础上，掌握地基最终沉降量计算原理和地基固结问题的分析计算方法。 学习要求： 1. 掌握土的压缩性与压缩性指标确定方法； 2．掌握有效应力原理； 3．掌握太沙基一维固结理论； 4.1 概述(outline) 土在自重应力或附加应力作用下，地基土要产生附加变形，包括体积变形和形状变形。对于土来说，体积变形通常表现为体积缩小。我们把这种在外力作用下土体积缩小得特性称为土的压缩性(compressibility)。 It is well recognized that the deformations will be induced in ground soil under self-weight or net contact pressure. The load-induced soil deformations can be divided into volumetric deformation and deviatoric deformation (namely, angular distortion or deformation in shape). The volumetric deformation is mainly caused by the normal stress, which compact the soil, resulting in soil contraction instead of soil failure. The deviatoric deformation is caused by the shear stress. When the shear stress is large enough, shear failure of the soil will be induced and soil deformation will develop continuously. Usually shear failure over a large area is not allowed to happen in the ground. 土的压缩性主要有两个特点： （1）土的压缩性主要是由于孔隙体积减少而引起的； （2）由于孔隙水的排出而引起的压缩对于饱和粘土来说需要时间，将土的压缩随时间增长的过程称为土的固结。 在建筑物荷载作用下，地基土主要由于压缩而引起的竖直方向的位移称为沉降。 研究建筑物沉降包含两方面的内容： 一是绝对沉降量的大小，亦即最终沉降； 二是沉降与时间的关系，主要介绍太沙基的一维固结理论 土体产生体积缩小的原因： (1)固体颗粒的压缩； (2)孔隙水和孔隙气体的压缩，孔隙气体的溶解；孔隙水和孔隙气体的排出。由于纯水的弹模约为2×106kPa，固体颗粒的弹模为9×l 07kPa，土粒本身和孔隙中水的压缩量，在工程压力(100～600kPa)范围内，不到土体总压缩量的1/400，因此常可略不计。所以，土体压缩主要来自孔隙水和土中孔隙气体的排出。孔隙中水和气体向外排出要有一个时间过程。因此土的压缩亦要一段时间才能完成。把这一与时间有关的压缩过程称为固结。 土体的变形计算，需要取得土的压缩性指标，可以通过室内侧限压缩试验和现场原位试验得到。 室内压缩试验亦称固结试验，是研究土压缩性最基本的方法。 现场载荷试验是在工程现场通过千斤顶逐级对置于地基土上的载荷板施加荷载，观测记录沉降随时间的发展以及稳定时的沉降量s，并绘制成p-s曲线，即获得地基土载荷试验的结果。 反映土的压缩性的指标主要有压缩系数、压缩模量、压缩指数和变形模量。土的压缩性的高低，常用压缩性指标定量表示，压缩性指标，通常由工程地质勘察取天然结构的原状土样进行. Characteristic of soil compression (1)Compression of soil is mainly due to the decrease of void volume. (2)The compression for a clay increases with the times (consolidation) Ground soil will deform vertically due to structure load. The contents on studying structure settlement include 1 The absolute settlement (final settlement) 2 Relationship between settlement and time. Introducing terzaghi’s 1D consolidation theory Reasons of volumetric reduction of soil mass 1 The compressive deformation of the soil particles. 2 The compressive deformation of the pore water and air. The partial discharge of the pore water and air.

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 ).

孔隙压力、有效应力和排水

第六章 孔隙压力、有效应力和排水 引言 通常所说的土是由固体颗粒和水两部分组成的，基础或挡墙上的荷载包含土颗粒和孔隙水上面的应力两部分。在没有土颗粒的船体外表面，法向应力就等于水压力；而在没有水的装有糖的盆底，应力就等于所装的糖的重量。问题就是土颗粒应力和孔隙水压力的哪种组合决定着土的性质。要研究这个问题，我们首先研究地基中的应力和水压力。 地基中的应力 在地基中，某一深度的竖向应力是由上面的一切东西的重量产生的——土颗粒、水和基础，所以应力随着深度的增加而增大。图(a)中的竖向应力为： z z γσ= 其中γ为土的容重（见节）。如果地基在水平面以下或者在湖底、海底的话（如图(b)所示），竖向应力计算公式就变为： w w z z z γγσ+= 如果在基础或路堤表面有荷载q 作用的话（如图(c)所示），那么竖向应力计算公式就变为： q z z +=γσ 这里面的γ是单位体积的土颗粒和水重量之和。因为z σ是由土体的总重量产生的，所以成为总应力。注意，图(b)中所示的湖中的水把总应力作用在底部同玻璃杯中的水把总应

力作用在杯底的方式相同。土颗粒的重度变化不大，一般来讲，饱和土的3 /20m kN ≈γ，干土的3/16m kN ≈γ，水的3/10m kN ≈γ。 同时也有水平向的总应力h σ，但是在z σ和h σ之间没有简单的关系。在以后的章节我们会对水平向的应力进行研究。 地下水和孔隙水压力 饱和土的孔隙水中存在的压力叫做孔隙水压力u 。在竖管中经常用w h 来简单地代替，如图所示。当系统处于平衡状态时，竖管内部和外部的水压力相等，因此得到： w w h u γ= 当竖管中的水位低于地表面时（如图(a)所示），就称为地下水位。如果土中水是静止的，那么地下水位面就像湖面一样是水平的。然而，就像我们后面将要见到的那样，如果地下水位面不是水平的，那么土孔隙中就存在水的渗流。图(a)中地下水位面处孔隙水压力为零（这就是叫做地下水位），水位以下为正值，问题就出来了：地下水位面以上孔隙水压力是什么样的呢 图说明了地表面和地下水位面之间的土中孔隙水压力的变化情况。在地表面处有一层孔压为零的干土，这种情况很少见到，但是在高潮水面以上的海滩可以发现这种现象。在地下水面以上的一小部分，由于土中孔隙的毛细作用，土体是饱和的。在这一区域，孔隙水压力是负值，计算公式如下： w w h u γ-=

固结(高等土力学)

参考书 《土工原理》 殷宗泽编著 《高等土力学》李广信主编 1. 土的压缩性和影响因素 土的压缩性是指土体在压力作用下体积缩小的特性 ? 土体产生体积缩小的原因： (1) 孔隙水和孔隙气体的排出 (2)孔隙水和孔隙气的压缩(3)固体颗粒的压缩 (4)孔隙气体的溶解 试验研究表明，在一般压力（100～600kPa ）作用下，土粒和水的压缩量与土体的压缩总量之比（小于1/400）可以忽略不计，封闭的气泡很少量压缩也可忽略不计。 土的压缩实际上是由于孔隙水和孔隙气体的排出，孔隙体积缩小，土粒调整位置，重新排列，互相挤紧（土骨架变形） 影响土压缩性的主要因素 土的组成和结构状态 ? 土粒粒径大小、成分 ? 土体结构 ? 有机质 ? 孔隙水 环境影响 ? 应力历史 ? 温度 密实型 松散型 粗粒土基本上是单粒结构。在压力作用下，土粒发生滑 动与滚动，位移到比较密实、更稳定的位置。土的级配越好，密度愈高，压缩量愈小。如果压力较大，其压缩 有可能是部分土粒被压碎。 土体结构影响 本章提要 1. 土的压缩性和主要影响因素 2. 土的固结和固结试验 3. 一维固结理论 4. 三维固结理论 5. 次固结和流变 6. 沉降的计算方法 7. 工程应用问题和实例 高等土力学 土的固结理论

什么是土的固结？ 在荷载作用下，饱和土体孔隙中的水逐渐排出，土的骨架颗粒相互挤紧，土体发生压缩变形，这一现象称为土的固结。 饱和土（土骨架+孔隙水) 关注两个问题： 压缩大小（压缩性）、快慢（固结特性） 2. 固结试验 Oedometer Test 常规固结试验/侧限压缩试验/Ko 压缩试验/单向压缩试验 Rowe Cell 固结仪 恒应变速率试验（Constant Rate of Strain ，CRS) 固结仪 11 12 有机质影响 土中有机质主要为纤维素和腐殖质，其存在使土体的压缩性与收缩性增大，对强度也有影响。 ? 举例：天然泥炭与泥炭质土（含水率很高，孔隙比大，比重低， 液、塑限大），压缩性极高，但固结较快。 在加荷后很短时间内，即完成大部分压缩； 随着荷载加大，压缩量急剧增加 细粒土土粒大多呈扁平鳞片状，其典型结构有两种：絮凝结构与分散结构。 絮凝结构的沉积粘土的变形，往往是颗粒相互滑移到新稳定位置和土粒发生弹性挠曲的结果。 分散结构的粘土颗粒接近于平行排列。这类土的压缩变形，主要由于颗粒间的水被挤出所引起。人工压密土的结构，多属此型。

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

非饱和土的一般特性和工程意义

非饱和土的一般特性和工程意义 饱和土，一般认为是由固相(土粒及部分胶结物质)和液相(水和水溶液)组成的两相体，即通常所说的仅由土粒和孔隙水组成的饱和土，它仅是非饱和土特例情况，采用饱和土力学无法全面地分析和解释土的行为，比如地基中的负孔隙水压问题、毛细作用下低于防渗心墙墙顶的地下水向上越过心墙产生的渗流问题等，因为地下水位线以上的土体大都处于非饱和状态，气相(比如空气及水蒸气等)的加入使得土的物理力学性质更加复杂多变。本文将从以下几个方面来分析 1. 非饱和土的强度特征 非饱和土与饱和土在力学方面最大的区别是吸力的存在，吸力使得非饱和土性质与饱和土有较大不同，对非饱和土的变形和强度有很大影响，吸力的存在会提高非饱和土的强度。吸力是土体内部土颗粒的表面与孔隙内的水和气相互作用而产生的，与外荷载作用没有直接联系。总吸力通常包含基质吸力和溶质吸力两部分。当不考虑土体中孔隙水化学浓度变化时，溶质吸力的影响可以忽略，此时主要关注基质吸力。基质吸力主要受水-气交界面（即张力收缩膜）的影响，并且与饱和度的变化密切相关，常用土水特征曲线来表征。基质吸力一般又由两部分组成：毛细部分和粘吸部分。毛细部分吸力，对非饱和土的性质和行为有两种作用或影响：①吸力的变化会引起非饱和土的平均骨架应力的变化（通过孔隙内流体的平均压力的变化引起）。②由于毛细水表面的拉力提供了颗粒之间的附加拉力，因此形成了土颗粒之间的一种黏聚力。 1.1 吸力对抗剪强度的影响 通过大量学者对非饱和土抗剪强度问题的研究和试验，可以观察到两个基本趋势：一是抗剪强度会随着净法向应力的增加而增加；二是抗剪强度会随着基质吸力的增加而增加。但是，净法向应力往往比吸力的作用更加明显。 1.2 吸力对抗拉强度的影响 虽然土体抗拉能力相对较弱，但土特别是非饱和土仍然可以承受一定的拉力，具有一定的抗拉强度，且这种抗拉强度在一些工程问题中非常重要。当抗拉强度不足时，在拉应力的作用下土体会出现开裂，会对土工建筑物产生极大的危害。非饱和土的抗拉强度来源于颗粒材料内部的黏聚力，黏聚力的产生源于土体内部的各种物理化学作用力。这些作用力中，一类是在饱和土中就存在的，如范德华力、双电层引力或排斥力、溶质沉淀引起的胶结力等。另一类作用力只有在非饱和土中才存在，即表面张力引起的毛细作用，它受含水量或饱和度

土的压缩性及固结理论

土的压缩性 5.1概述 土体压缩性——土在压力（附加应力或自重应力）作用下体积缩小的特性。 土体压缩包括：（1）土粒本身和孔隙水的压缩； （2）孔隙气体的压缩； （3）孔隙水、气排出，使得孔隙体积减小。 上面（1）的压缩不到压缩量的1/400，忽略；（2）的压缩量也很小，忽略。 地基土的压缩实质 土的固结——土体在压力作用下其压缩量随时间增长的过程。 土体的压缩性指标：压缩系数、压缩模量。 压缩性指标测定方法：（1）室内试验测定，如侧限条件的固结试验； （2）原位测试测定，如现场[静]载荷试验。 5.2固结试验及压缩性指标 一、固结试验及压缩性指标 1．压缩试验和压缩曲线 减少。会被压缩，也会被排出部分）；）不变；但会被排出（孔隙水体积（不变；土粒体积（v a s V V V V ? ?? ?? ?????ω)a s E

（1）侧限压缩试验（固结试验） 侧限——限制土样侧向变形，土样只能发生竖向压缩变形。通过金属环刀来实现。 试验目的——研究测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力，或孔隙比和压力的关系，变形和时间的关系，以便计算土的各项压缩指标。 试验设备——固结仪（压缩仪）。 试验方法：逐级加压固结，以便测定各级压力作用下土样压缩稳定后的孔隙比。 （2）e －p 曲线 要绘制e －p 曲线，就必须求出各级压力作用下的孔隙比。 如何求？看示意图： 设试样截面积为A ，如图：依侧限压缩试验原理可知：土样压缩前后试样截面积A 不变，土粒体积不变，令，有 或 ——分别为土粒比重、土 样的初始含水量和初始密度。 利用上式计算各级荷载作用下达到的稳定孔隙比，可绘制如 i p i e i p i e i e s V 1=s V i i i i i i e H H e H e H e A H e A H +?-=+=+??? ?+=+=1111100000)1(1000000e H H e e e e e H H i i i i +?-=?+-=?1)1(0 00-+= ρρωw s G e 00ρω、、s G i p i e

有效应力原理

有效应力原理是否存在？ 李伟利 广东南海国际建筑设计有限公司，广东佛山528000 摘要：本文通过学习，对有效应力原理提出质疑，并从本构模型、孔隙水压、 渗透固结、进行分析，认为：有效应力原理从理论到实践，都存在着巨大缺陷， 是经不起实践和检验的，有效应力原理是不存在的。 关键词：有效应力原理；本构模型；孔隙水压力；渗透固结 有效应力原理，作为土力学的核心自诞生的那天起，一直被世界各国地质学家们所推宠。仅管其间，也曾有一些学者对有效应力原理怀疑、并提出批评，却丝毫没有影响其原理的应用、推广。如“1935年秋,太沙基回到奥地利,而等待他的,却是对他的土力学基本原理持怀疑态度的同僚们的猛烈批评文章。太沙基与付略里希。联名发表了三十三页的答复文章, 充分地论证了土力学原理是正确无误的”[1-26]。近年来国内的一些学者，对有效应力原理也提出了一些看法，却被认为是“有意或者无意推翻或者改写有效就力原理”[2]。那么；有效应力原理究竟有没有问题？能否作为土力学的基石？能否引导土力学朝着正确的方向发展？是我们岩土人必须面对的问题。确切地说，有效应力原理，作为土力学的基础理论、引导着土力学也快接近百年了。它既不象传统的经典理论，象万有引力那样、有放之四海而皆准，不变永恒的魅力；也不象浮力原理（阿基米德.前287年-212年）那样简单、明了、适用；所更具个性的是“自Roscoe与他的学生(1958～1963)创建剑桥模型至今，各国学者已发展了数百个本构模型，但得到工程界普遍认可的极少，严格地说尚没有”[3]。而今；更有人把有效应力原理应用到混凝土、煤层、沥青路面。继续幻想着它、能够解决更多的问题。难道有效应力原理真的那么有效？以我看、就目前地质界的普遍认可、信赖的基础上，