基于固結理論的固結系數(shù)cv與固結應力關系研究

基于固結理論的固結系數(shù)cv與固結應力關系研究

1固結系數(shù)cv的確定由于軟土強度低、壓縮性高、滲透性低、變形大、永久性長，在道路和橋梁建設中，如何控制軟土基的變形大小，了解變形與時間的關系，已成為設計和施工人員的中心主題。目前工程上計算變形與時間關系大多數(shù)還是基于太沙基固結理論，簡單易用。太沙基理論假定土的參數(shù)在壓縮過程中是均一不變的，其中固結系數(shù)cv是一個估計變形速率的重要參數(shù)。cv的表達式為cv=k(1+e0)/γwmv，在固結過程中，滲透系數(shù)k和壓縮系數(shù)mv均呈遞減趨勢，而計算出來的cv一直被當作常數(shù)。大量的試驗結果表明，固結系數(shù)cv是隨著有效應力水平的變化而變化的，特別在前期固結應力的前后，他們的差別是非常大的。因此，如何選擇合適的固結系數(shù)，成了準確預估變形速率的關鍵。J.M.Ducan教授、RoyE.Olson教授分別在兩次太沙基講座上指出固結系數(shù)的不確定性是傳統(tǒng)固結理論計算變形速率的極限性。目前關于固結系數(shù)隨固結應力水平的研究分析很少。本文在太沙基固結理論的基礎上，利用滲透系數(shù)和孔隙比的關系、孔隙比和固結應力的關系，推導出正常固結和超固結狀態(tài)下固結系數(shù)cv和固結應力水平的關系公式，并通過室內試驗進一步驗證這一結果的正確性和可行性。2土的固結結構及滲流方程由太沙基一維固結理論，在飽和軟土層頂面下z深度處取一微單元體。根據(jù)固結滲流的連續(xù)條件，微單元體在任一時間t的水量變化應等于同一時間t該微元體中孔隙體積的變化率，從而可得：式中e為t時間的孔隙比；u為孔隙壓力；γw為水的重度；k為滲透系數(shù)；e0為初始孔隙比。由土的壓縮曲線e-logp關系圖1可得：正常固結狀態(tài)時：超固結狀態(tài)時：式中cc為土的壓縮指數(shù)；cs為土的回彈指數(shù)；e1為有效應力σ1′時的孔隙比。將σ′=σ-u分別代進式（2）和（3），并對u求導，得：又有對照太沙基固結方程可得：正常固結狀態(tài)時考慮滲透系數(shù)k在固結壓縮過程中的變化，采用表達式：式中e為孔隙比，c,n為參數(shù)，由滲壓試驗確定。該式由Taylor關于砂土的滲透系數(shù)表達式推廣至包括砂土及粘性土而得。則固結系數(shù)cv與固結應力σ′的關系式為：正常固結狀態(tài)時：超固結狀態(tài)時：只要確定參數(shù)c及n，就可按不同的固結應力水平確定固結系數(shù)cv。3路軟土側限壓縮試驗為了了解軟土固結系數(shù)在不同固結應力水平時的性狀，確定滲透系數(shù)與孔隙比的關系，驗證表達式的正確性，我們對汕汾高速公路軟土試驗段的軟土進行了試驗。在側限壓縮試驗的過程中測定軟土的滲透系數(shù)及固結系數(shù)，滲透系數(shù)用變水頭法測定，固結系數(shù)用時間平方根法測定。該試驗段軟土屬于濱海相與三角洲相沉積淤泥土，含水量w為56%～60%，液性指數(shù)IL為1.8～2.2，不排水抗剪強度Su為15kPa～20kPa，壓縮指數(shù)cc為0.8～0.9，回彈指數(shù)cs為0.090。3.1測試安裝試驗在滲壓裝置上進行，具體裝置見圖2。3.2滲壓試驗的內容(1）正常固結狀態(tài)土樣分別在25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa和800kPa下進行滲壓試驗，測定各應力水平下的固結系數(shù)及滲透系數(shù)。(2）超固結狀態(tài)土樣加荷至800kPa穩(wěn)定后，卸荷至25kPa，再變化不同超固結比分別加荷至50kPa,100kPa,200kPa,400kPa和800kPa下進行滲壓試驗，測定各超固結比下的固結系數(shù)及滲透系數(shù)。4試驗結果的評估4.1log[k1+e與loge的關系壓縮過程中滲透系數(shù)與孔隙比的關系如圖3和圖4表示，從圖上可以看到，隨著軟土密實度的增加，滲透性逐漸降低。再轉換成log[k(1+e)]與loge關系（如圖5和圖6），基本為一直線：即log[k(1+e)]=logc+nloge，可確定表達式k=cen1+e中的c和n。正常固結狀態(tài)時：c=0.4×10-7cm/s,n=4.03；超固結狀態(tài)時：c=0.2×10-7cm/s,n=2.4。4.2超固結狀態(tài)的滲壓試驗結果壓縮過程中測定的固結系數(shù)cv與不同固結應力水平的關系如圖7，圖8所示。從圖上可以看到，正常固結狀態(tài)時，在小應力范圍，固結系數(shù)隨應力水平的增加而增加；在大應力范圍，固結系數(shù)隨應力水平的增加而減少，大小應力水平范圍的分界約為100kPa～200kPa。超固結狀態(tài)時，固結系數(shù)隨應力水平的增加而增加，滲壓試驗確定了參數(shù)c和n，再由式（11）和（12）確定的固結系數(shù)和應力水平關系見圖7，圖8。從圖上可以看到，計算值基本反映了實測值的變化趨勢，其數(shù)值大小也和實測值基本吻合。該表達式反映了該場地軟土的固結系數(shù)隨固結應力水平變化的實際情況。5固結系數(shù)結果對比分析(1)固結系數(shù)在壓縮過程中不是個常數(shù)，其變化規(guī)律因不同的固結狀態(tài)而異，在應用過程中應區(qū)別待之。(2)本文推導的固結系數(shù)與固結應力水平關系表達式