基于非达西渗流的饱和黏土一维固结试验与理论研究

论文摘要

传统的Terzaghi一维固结理论在估算饱和黏土地基沉降问题上存在着很大局限性,实践表明,按该理论得到的固结度的理论值有时与实测值之间存在较大的误差,原因之一是该理论忽略了某些饱和黏土中孔隙水的渗流对Darcy定律的偏离现象。因此,本文对固结仪进行了改进,通过室内渗透固结试验与理论分析,基于非Darcy渗流对饱和黏土一维固结理论开展了较系统深入的研究。主要内容和研究成果如下：1)针对传统固结仪不能进行渗透试验的不足,在前人的基础上,根据所要研究的问题改装了固结仪。改装后的固结仪不仅可以交叉进行固结、渗透试验,以研究不同荷载作用下土样的渗透特性,而且可以通过三通阀控制排水条件,进行双面或单面排水固结试验,也可在单面排水条件下量测固结过程中试样不排水面处的孔隙水压力。新仪器具有构造简单,密封性能好的特点。通过与常规固结、渗透试验的结果对比,验证了采用改装固结仪测定固结模型参数的可靠性,另外由单面排水固结试验发现了孔压滞后现象。2)利用改装的渗透固结仪,通过交叉进行固结试验和渗透试验,对河南某地饱和黏性土在不同固结压力下的渗透规律进行了研究。试验证明,该种饱和黏性土在小孔隙比时的渗流存在偏离Darcy定律的现象,并可用Hansbo的非线性分段模型来描述。渗透试验结果表明,黏土渗透性与孔隙比呈非线性关系,且黏土渗透性随固结压力增加呈现非线性减小。在此基础上分析了相关渗透参数与孔隙比之间的关系,结果表明,渗透系数k和孔隙比e符合传统的半对数关系,i0、m和孔隙比e符合线性关系。同时,固结试验结果表明,Terzaghi一维固结理论的适用范围是有一定限制的,如果土样中的渗流不符合Darcy定律,该理论就不一定适用,需要进行修正。3)引入可以同时考虑低速渗流曲线段和较高速渗流直线段的Hansbo(非Darcy)渗流方程,代替Darcy定律,重新推导了恒载作用时饱和黏土一维固结方程,并采用有限体积法对该方程进行了数值求解。与Terzaghi饱和黏土一维固结理论解析解的对比,证明了该方法的有效性。理论曲线与试验实测曲线的对比表明,本文考虑非达西渗流影响的固结理论可以更好地模拟土样的实际固结过程。在此基础上,探讨了非Darcy渗流参数对固结过程的影响。计算结果表明,非Darcy渗流延缓了饱和黏土中孔隙水压力的消散速度,因此使得地基的固结速度比Terzaghi一维固结理论值要慢。同时指出除固结系数外,综合了直线渗流起始水力梯度i1、土层厚度H、地面荷载p0等三个参数的指标I1也是表征饱和黏土渗透固结的一个重要指标。4)通过进行低频循环荷载作用下的固结试验,研究了荷载周期和荷载强度对地基固结的影响。考虑到土体处于超固结状态和正常固结状态时压缩性的不同,将前述修正Terzaghi饱和黏土一维固结方程推广到低频循环荷载作用的情况,并采用有限体积法对该方程进行了求解。与低频循环荷载固结试验结果的对比表明,考虑非达西渗流时的理论曲线更接近试验结果。在此基础上,讨论了非Darcy渗流参数、加载速率、循环荷载周期以及超固结状态下土体压缩性对固结进程的影响。计算结果表明,在矩形波载作用下,按孔压定义和按变形定义的固结度都随时间增长而震荡增加,且按孔压定义的固结度的震荡幅度明显大于按变形定义的固结度。另外,非Darcy渗流减缓了地基的沉降速率,且循环荷载周期越短或超固结状态下压缩性越高,地基的沉降速率就越慢。5)为研究施工荷载对黏土固结的影响,将前述修正Terzaghi一维固结方程推广至单调增荷载的情况。数值分析采用有限体积法,研究了非达西渗流的参数和施工速度对固结过程的影响。计算结果表明,Hansbo渗流延缓了孔隙水压的消散速度,并且,Hansbo渗流参数越大,地基的固结速度就越慢；而施工速度的影响主要体现在施工期和竣工初期。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及趋势
• 1.2.1 太沙基一维线性固结理论
• 1.2.2 太沙基一维固结理论的发展
• 1.2.3 固结计算方法的进展
• 1.2.4 固结试验方面
• 1.3 论文主要研究内容
• 1.3.1 论文研究思路
• 1.3.2 论文工作内容
• 1.3.3 论文创新点
• 1.3.4 技术路线
• 2 渗透固结试验装置的研制
• 2.1 前言
• 2.2 试验装置的研制
• 2.2.1 研制特点分析
• 2.2.2 试验装置的研制
• 2.2.3 加荷系统
• 2.2.4 渗透固结容器
• 2.2.5 测流系统和渗透系统
• 2.2.6 孔压和变形量测
• 2.3 土样的制备与安装
• 2.3.1 土样饱和与安装
• 2.3.2 固结仪系统排气
• 2.3.3 固结仪系统的密封
• 2.4 试验装置的检定
• 2.5 固结试验和渗透试验与常规试验的对比
• 2.6 孔隙水压力的量测
• 2.7 本章小结
• 3 饱和黏性土渗透固结特性试验研究
• 3.1 前言
• 3.2 黏土渗透性试验
• 3.2.1 准备试样
• 3.2.3 试验过程
• 3.3 渗透试验结果及分析
• 3.3.1 达西定律拟合公式的推导
• 3.3.2 非达西定律拟合公式的推导
• 3.3.3 非达西定律的验证
• 3.3.4 渗透参数与孔隙比的关系
• 3.4 固结试验结果及分析
• 3.4.1 固结试验步骤及过程
• 3.4.2 固结试验内容
• 3.4.3 固结试验结果及分析
• 3.5 本章小结
• 4 基于HANSBO渗流的饱和黏土固结分析
• 4.1 引言
• 4.2 基于HANSBO渗流的饱和黏土固结分析
• 4.2.1 基于Hansbo渗流的一维固结方程
• 4.2.2 固结方程的有限体积法求解
• 4.3 恒载作用下土样固结理论与试验对比研究
• 4.3.1 固结参数的确定
• 4.3.2 试样理论与实测曲线对比
• 4.4 计算结果与分析
• 4.4.1 Hansbo渗流参数对底部孔压消散的影响
• 4.4.2 Hansbo渗流参数对固结度的影响
• 4.4.3 Terzaghi一维固结理论的限定
• 4.5 本章小结
• 5 循环荷载下饱和黏土固结试验及理论分析
• 5.1 前言
• 5.2 循环荷载下饱和黏土的固结试验
• 5.2.1 循环加载、卸载固结试验步骤
• 5.3 基于非达西渗流的循环荷载下饱和黏土固结分析
• 5.3.1 固结分析的基本假定
• 5.3.2 固结方程的推导
• 5.3.3 固结方程的有限体积法求解
• 5.3.4 数值解法的收敛性及精度验证
• 5.4 循环荷载作用下土样固结理论与试验对比研究
• 5.4.1 固结参数的确定
• 5.4.2 试样理论与实测曲线对比
• 5.5 计算与分析
• 5.6 本章小结
• 6 考虑施工荷载影响的饱和黏土—维固结
• 6.1 前言
• 6.2 考虑施工荷载影响的饱和黏土固结分析
• 6.2.1 固结控制方程
• 6.2.2 利用有限体积法求解
• 6.3 计算与分析
• 6.3.1 非Darcy渗流参数的影响
• 6.3.2 加载速率的影响
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 博士研究生期间发表的论文
• 博士研究生期间参加科研项目
• 致谢