饱和粘性土地基沉降与时间的关系

第四节 饱和粘性土地基沉降与时间的关系前面介绍的方法确定地基的沉降量，是指地基土在建筑荷载作用下达到压缩稳定后的沉降量，因而称为地基的最终沉降量。

然而，在工程实践中，常常需要预估建筑物完工及一般时间后的沉降量和达到某一沉降所需要的时间，这就要求解决沉降与时间的关系问题，下面简单介绍饱和土体依据渗流固结理论为基础解决地基沉降与时间的关系。

一、饱和土的有效应力原理用太沙基渗透固结模型很能说明问题。

当t ＝0时，u =σ，0='σ 当t ﹥0时，u +'=σσ，0≠'σ当t ＝∞时，σσ'=，u ＝0结论：u +'=σσ'，饱和土的渗透固结过程就是孔隙水压力向有效力应力转化的过程。

在渗透固结过程中，伴随着孔隙水压力逐渐消散，有效应力在逐渐增长，土的体积也就逐渐减小，强度随着提高。

二、饱和土的渗流固结整个模型（饱和土体）⎪⎩⎪⎨⎧→→→土的渗透性活塞小孔的大小孔隙水水固体颗粒骨架弹簧三、太沙基一维渗流固结理论（最简单的单向固结）——1925年太沙基提出 一．基本假设：将固结理论模型用于反映饱和粘性土的实际固结问题，其基本假设如下： 1．土层是均质的，饱和水的2．在固结过程中，土粒和孔隙水是不可压缩的； 3．土层仅在竖向产生排水固结（相当于有侧限条件）； 4．土层的渗透系数k 和压缩系数a 为常数；5．土层的压缩速率取决于自由水的排出速率，水的渗出符合达西定律； 6．外荷是一次瞬时施加的，且沿深度z 为均匀分布。

二．固结微分方程式的建立在饱和土体渗透固结过程中，土层内任一点的孔隙水应力),(t z u 所满足的微分方程式称为固结微分方程式。

在粘性土层中距顶面z 处取一微分单元，长度为dz ，土体初始孔隙比为e 1，设在固结过程中的某一时刻t ，从单元顶面流出的流量为q ＋dz zq∂∂则从底面流入的流量将为q 。

于是，在dt 时间内，微分单元被挤出的孔隙水量为：dzdt zqdt q dz z q q dQ )(])[(∂∂=-∂∂+= 设渗透固结过程中时间t 的孔隙比为e t ， 孔隙体积为：dz e e V tv 11+=在dt 时间内，微分单元的孔隙体积的变化量为：dzdte e dt dz e et dt t V dV ttt v v ∂∂+=+∂∂=∂∂=1111)1(由于土体中土粒，水是不可压缩的，故此时间内流经微分单元的水量变化应该等于微分单元孔隙体积的变化量，即：v dV dQ = 或 dzdt t e e dzdt z q t∂∂+=∂∂111)(即：te e z q t∂∂+=∂∂111 根据渗流满足达西定律的假设zu r k z h kki VA q w ∂∂=∂∂=== 式中：A 为微分单元在渗流方向上的载面积，A ＝1；i ：为水头梯度，zhi ∂∂=其中h 为侧压管水头高度 μ：为孔隙水压力， 0h r u w = 根据压缩曲线和有效应力原理，dpde a -= 而u p u z -=-=σσ' 所以：t ua t e t ∂∂=∂∂ 并令war e k Cv )1(1+= 则得t uzu Cv ∂∂=∂∂22此式即为饱和土体单向渗透固结微分方程式 。

v C ：称为竖向渗透固结系数（m 2/年或 cm 2/年）。

三．固结微分方程式的求解（1）土层单面排水对于t uzu Cv ∂∂=∂∂22方程，可以根据不同的起始条件和边界条件求得它的特解。

考虑到饱和土体的渗流固结过程中，u ，σ'的变化与时间t 的关系应有 t=0,))1(1(2HzH p u --+=α； 初始条件：（1）t=0, 和0≤Z ≤H, ))1(1(2H zH p u --+=α （2）0<t ≤∞和Z=0时 0=u（3）,,0H z t =∞≤≤土层不透水，0,0=∂∂=zuq （4）p o u H z t z ===≤≤∞→σσ',,0,将固结微分方程 t uzu Cv ∂∂=∂∂22与上述初始条件，边界条件一起构成定解问题，用分离变量法可求微分方程的特解任一点的孔隙水应力。

Hzm em mp t z u v T m m m 2sin))1()1(2(14),(421122222παπαππ⋅--+=--∞=∑式中的m 为正整奇数（1.3.5.7.……）；e e 为自然对数的底；v T 为时间因素，无因次，2HtC T v v =，t 的单位为年，H 为压缩土层的透水面至不透水面的排水距离cm ； （2）当土层双面排水，H 取土层厚度的一半。

四．固结度及其应用所谓固结度，就是指在某一固结应力作用下，经某一时间t 后，土体发生固结或孔隙水应力消散的程度。

地基固结度——地基固结过程中任一时刻t 的固结沉降量S ct 与其最终固结沉降量S c 之比。

对于土层任一深度Z 处经时间t 后的固结度，按下式表示：001'u uu u u pU zt zt ztt -=-==σ 式中：U 0： 初始孔隙水应力，其大小即等于该点的固结应力；Uzt ：t 时刻的孔隙水应力； Vzt ：固结度。

平均固结度（t U ）：当土层为均质时，地基在固结过程中任一时刻t 时的沉降量S t 与地基的最终变形量S c 之比称为地基在t 时刻的平均固结度。

用t U 表示即：cctt s s U =当地基的固结应力、土层性质和排水条件已定的前提下， t U 仅是时间t 的函数， 由Hzm em mp t z u v T m m m 2sin))1()1(2(14),(421122222παπαππ⋅--+=--∞=∑给出了t 时刻在深度z 的孔隙水应力的大小，根据有效应力和孔隙水应力的关系，土层的平均固结度：⎰⎰⎰⎰⎰⎰-=-=++==H zHHz Hz H z Ht t dzudz dzdzu dze a dz e a ss U 0001011)(1'1σσσσσ dz udz Hz H⎰⎰,σ 分别表示土层在外荷作用下t 时刻孔隙水应力面积与固结应力的面积。

2．起始超孔隙水压力沿深度线性分布情况下的固结度计算 （1）单面排水情况下，Tv t eU 432321)12(1ππαααπ-++--= 1=α时：即为“0”型，起始超孔隙水压力分布图为矩形，TveU 420281ππ--=0=α时：即为“1”型，起始超孔隙水压力分布图为三角形，TveU 4312321ππ--=（2）双面排水情况下：Tvt eU 42281ππ--=2H tC T v v =，H 取土层厚度的一半。

3．固结度计算的讨论固结度是时间因素的函数，时间因素v T 越大，固结度t U 越大，212)1(Hta e k H t C T w v v ⋅+==γ，从中可以看出： （1）渗透系数k 越大，越易固结，因为孔隙水易排出。

（2）s E ae =+11越大，即土的压缩性越小，越易固结，因为土骨架发生较小的压缩变形即能分担较大的外荷载，因此孔隙体积无需变化太大。

（3）时间t 越长，显然固结越充分。

（4）渗流路径H 越大，孔隙水越难排出土，越难固结。

提示：在压缩应力分布及排水条件相同的情况下，两个土质相同（即c v 相同）而厚度不同的土层，要达到相同的固结度，其时间因素T V 应相等，即222121t H c t H c T vv v ==−→−222121H H t t =上式表明，土质相同而厚度不同的两层土，当压缩应力分布和排水条件相同时，达到同一固结度所需时间之比等于两土层最长排水距离的平方之比。

因而对于同一地基情况，若将单面排水改为双面排水，要达到相同的固结度，所需历时应减少为原来的1/4。

固结度应用：有了上述几个公式，就可根据土层中的固结应力、排水条件解决下列两类问题： 1．已知土层的最终沉降量S ，求某时刻历时t 的沉降St由地基资料k ，压缩系数a ，e1,,H ,t ，按式⋅+=w v a e k C γ)1(1，212)1(Ht a e k H t C T w v v ⋅+==γ求得v T 后， Tvt e a a U 4321612)2(1πππ-++--=或查v t T U -曲线求得t U 和式ss U tt =求得t s 。

式中：'''z z a σσ=（表示透水在上的固结应力与不透水面上的固结应力之比） 2．已知土层的最终沉降量S ，求土层到达某一沉降St 时，所需的时间t解题思路：①求加荷一年后的沉降量S t 。

要求S t ，则：S t⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧←=−−−−−−−←⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧'''←'''＝（排水距离）年＝）＋（＝（压缩层厚度）＋＝＋＝）＝曲线（－查H t e k c t H c T U H eH e S vv V T U t z z V t 11211211ωσσααγσσσασα−−−−←S tS t U ＝注意：单位的换算关系②求地基固结度达U t 时所需的历时t 。

t ③若将此粘土层下部改为透水层，则达到U t 时所需历时t 。

方法一：此时α＝1，因双面排水，最远排水距离只是土层厚度的一半：2H H =' 参照②解方法二：利用同一种土两种不同排水条件下，c v 、T v 相等，则有：222121H H t t ＝−→−t 2 四、利用沉降观测资料推算后期沉降与时间关系1．对数曲线法 2．双曲线法五、饱和粘性土地基沉降的三个阶段基础沉降按其原因和次序分为：瞬时沉降d S ；主固结沉降c S 和次固结沉降s S 三部分组成。

瞬时沉降：是指加荷后立即发生的沉降，对饱和土地基，土中水尚未排出的条件下，沉降主要由土体测向变形引起；这时土体不发生体积变化。

（初始沉降，不排水沉降）固结沉降：是指超静孔隙水压力逐渐消散，使土体积压缩而引起的渗透固结沉降，也称主固结沉降，它随时间而逐渐增长。

（主固结沉降）次固结沉降：是指超静孔隙水压力基本消散后，主要由土粒表面结合水膜发生蠕变等引起的，它将随时间极其缓慢地沉降。

（徐变沉降）因此：建筑物基础的总沉降量应为上述三部分之和，即s c s s s s s ++=−−−−−←tHv c v T 2＝⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧→⎩⎨⎧→−−−−−−−←'''（排水距离）已知已知或者用公式）＝曲线（－查H c U T v tT U v v t ασσα【提问答疑】【本次课总结】1．压缩（固结）试验成果在沉降计算中的应用；2．工程上注意土的应力历史；3．有效应力原理；4．了解地基沉降与时间的关系的用途；5．总结解题要点。