饱和粘性土的渗透固结特性及其微观机制的研究_冯晓腊
饱和土的固结过程
饱和土的固结过程
饱和细粒土颗粒细小, 比表面积大,
易与土体中的孔隙水、有机质相互结合形成团聚体,
这种结合形式对土体的物理力学性质有着重要影响。
本文从三维微观结构角度探讨饱和细粒土的多物质结构特征对其固结演化性质的作用。
土样分成4种组分:孔隙, 有机质,
多矿物组分和伊利石为主的矿物组分。
通过同步辐射显微CT
技术联合数据约束模型,
获取多物质三维结构表征。
伊利石为主的矿物组分,
与孔隙呈共存结构,
即使在1600kPa高压作用下仍不易排出孔隙水。
有机质与伊利石为主的矿物组分易结合形成有机黏土颗粒,
有机质不仅吸附在组分表面, 而且嵌入组分结构内部;
在土体固结过程中, 有机质存在富集特征,
40~400μm直径的有机质总体积逐渐增大,
削弱土颗粒间的连结强度。
本研究采用定性与定量分析相结合, 获取了固结过程中矿物组分与有机质的结构表征,
为特殊土体的微宏观性质分析提供一种可行性研究方法。
饱和黏土固结理论及其研究进展
关 于 软 黏 土 非 线 性 一 维 固结 理论 ， ａｉ等 （９５ 基 于 线 性 Ｄｖ ｓ １６ ）
用方面取得 巨大 的成功 ， 这主要是 因为它体现 了固结 的基 本物
理 过 程 ， 用 的参 数 可 由常 规 的 室 内试 验 提 供 ， 采 当对 计 算 精 度 的
的ｅ １ｇ 关系 ， 一 ｏｃ ｒ 通过假定渗透 系数 ｋ 与体积压缩 系数 ｉ 的变 ｖ ｎ 化是 同步 的 ， 得到 了固结 系数 在固结过程中为恒值下 的固结方 程， 并且获得 了解析 解。Ｂ ｒｅ 等 （９ ５ 采用 ｅ １ｇｒ 关系 以 ａｄｎ １６ ） 一 ｏｏ 及渗透 系数与孔压 ｕ的简单 关系 ， 采用有限差分 法得 到了 固结 曲线。Ｍ ｒｉ （９ ４ 采用 目前公认的 ｅ １ ｅｓ等 １７ ） －ｏ 和 ｅ １ 关系， 一ｏ 同样用有 限差分法得 到了固结曲线 。然而这些研究 ， 由于未区 分非线性 同结 问题按 变形定 义和按孔压定义 固结度 的不 同 ， 因
（ ３）
程应用的实例。但这些理论仍无 法解释某些固结试验中发现在 主固结完成后存 在有一定的孔隙水压力无法完全消散 的现象 。 因此研究新 型的固结试 验 ， 进一步 探讨 饱和黏土渗透 固结 的机
理 十 分 必要 。
其中 ， 于Ｈ＝ ｔ 和 Ｈ Ｑ・两种情况 ， ｉｓｎ １５ ） 对 Ｒ” ＝ ｔ Ｇｂｏ （９ ８ 曾做了 详细研究 ， 并分别给出了解析解和有 限差分解。
固结 方 程 为 ：
Ｃ ｕ ０２ Ｏ Ｈ ：Ｌ ｖ ＋丫 。
＝
。
对路基的 固结沉降计算 广泛应用 的还是 Ｔ ｒａｈ 于 １２ 年 ｅｚｇ ｉ ９ ５
建 立 的 饱 和 黏 土 一 维 固 结 理 论 ， 有 以 此 为 基 础 的 也 Ｔ ｒａｈ— ｅｄ ｌ 二 维 或 三维 固结 理 论 ， 至 Ｂｏ固结 理论 在 工 ｅｚｇ ｉＲ ｎ ｕ ｃ ｉ 甚 ｉ ｔ
探究饱和软粘土固结特性
RESOURCES/WESTERN RESOURCES2020年第二期水文地质、环境地质、工程地质1.引言饱和软粘土在中国大量分布，在靠近海岸、河流和湖泊中下游的区域都可以经常看到，砂质土和粉质土是饱和软粘土的重要组成部分。
它们主要是细粘土胶体材料，一般存在于不流动的水中或流动非常缓慢的湖泊环境中，并且在其土的内部有大量微生物存在。
饱和粘性土的力学特点是强度比较低，压缩性比较高，流动性比较差。
在这种土上建造的结构经常存在如下沉严重以及结构的承受能力不能满足外部荷载要求的问题，这样的地基一般被叫作软土地基。
正是因为饱和软粘土的固结特点造成了其本身的低强度和高压缩性的性质。
通常讲的固结是指在外界的压力下土壤孔隙中的水渐渐排出时饱和软粘土连续压缩的过程。
Terzaghi 首次提出了研究饱和土固结过程的理论。
该理论基于一些假设，如忽略土壤骨架的变形和数值不会改变的数值系数，这就是固结理论的来源。
后来，Biot 等人对三向固结理论进行了有效延伸，发现这是更加合理的。
但是，考虑到确定指标对方程求解有一定的困难，使用最多的依然是单向固结理论。
2.T Terzaghi 固结理论Terzaghi的一维固结理论的重要基础就是应变比较小的线性理论，并对土体做了一定的假定，饱和粘性土的压缩系数和透水系数是一直不变的，不用参考重力造成的外部应力影响。
在此假设的基础上，将一维固结的一般方程简化如下：∂u ∂t =C v ∂2u ∂2z（1）按照土壤周围的边界，加载在土体上的瞬间荷载的边界条件应该满足（1）公式的解，这个解的含义是用来表示固结的快慢与土壤深度之间的函数关系。
在他的一维固结理论中，固结系数是一个不变的量，而在真实的土环境中，参数的值在固结过程中是一直变化的，但参数的比值和常量却非常接近。
然而，对于具有高压缩性的软粘土，这种假设不一定正确，特别是当参数值随着孔隙率的降低而大幅度减小时。
考虑到这种参考理论时，流动的水满足达西理论是这种理论中最为基础的假定，速度v 与水力梯度之间的函数关系式是呈正相关的，也就是说v=ki0。
论深圳淤泥类软土微观结构对工程性质的影响_冯晓腊
第7卷 第3期1996年9月中国地质灾害与防治学报TH E CH I N ESE JOU RNAL O F GEOLO G I CAL HA Z A RD AND CON TROLV o l17 N o13Sep.1996论深圳淤泥类软土微观结构对工程性质的影响冯晓腊〔中国地质大学(武汉)〕提要 本文通过采用先进的扫描电镜方法,对深圳地区淤泥类土的微观结构进行了全面、详细的研究,以此为基础,结合大量的实测指标和试验结果,阐述了淤泥类软土的微观结构对其工程性质的重要影响,合理地解释了室内试验过程中观测到的一些异常现象。
关键词 淤泥类土 微观结构 扫描电镜 聚集体前 言所谓微观结构是指土体内土颗粒的大小、形状、表面特征,颗粒之间的连结方式及排列方式。
在外界环境条件影响下,淤泥所表现出的各种特性,都是其内在微观结构发生变化的外在反映,故微观结构对土的性质的变化起着重要的决定作用,采用现代先进的扫描电镜技术研究成果表明,深圳地区淤泥的微观结构是复杂多变的,下面分别从几个方面对其进行论述。
一、土中颗粒种类及其特征在深圳淤泥中,存在着大量的粘土矿物颗粒、粉粒、砂粒,矿物晶体及它们的集合体,同时还有较多的生物残骸。
由于这些粒状物在淤泥中的大小、形状和含量各不相同,使得它们对土的性质的影响程度也不相同。
11粘土矿物及其聚集体从前面的介绍可知,粘土矿物成分主要是高岭石,其次是伊利石,蒙脱石,绿泥石,通过对大量扫描电镜照片总结得知,高岭石单晶形态为六边形薄片状,集合体常见的有书卷状、蠕虫状,杂乱堆积等;单晶的蒙脱石形态为薄片状,集合体呈絮状,花朵状,羽毛状;伊利石单晶为弯曲薄片状,集合体呈片状排列或小片杂乱堆积;绿泥石单晶为叶片状,集合体呈花朵状,常与微球状黄铁矿共生,粘土矿物单独出现的不多。
一般都是由几个粘粒组成微聚集体,构成淤泥微观结构的基本单元。
如照片(P t1)所示,并以面2面,面2边等形式接触,微聚集体还可以进一步凝聚成更大的颗粒,构成二级结构单元。
25饱和粘土的渗透固结理论.
t
附加应力:σz=p 超静孔压: u =0 有效应力:σ’z=p
2、基本假设
基本假定：
①土层均匀、各向同性且完全饱和 ②土颗粒与水不可压缩 ③变形是单向压缩（水的渗出和土层压缩是单向的）
④荷载均布且一次性瞬间施加——假定z = const
⑤渗流符合达西定律且渗透系数保持不变 ⑥压缩系数a是常数
19.1m2/a，试求（1）软粘 （2）软粘土层顶部附加应力为120Kpa，
土在自重作用下平均固结 底部压力为120+γh’=120+18(5-
度达到0.6时产生的沉降量。 （2）当软粘土固结度为
0.09)=208.38(kpa)，故固结压力为梯形 分布，最终变形量为：
1
(
0.59e
2
4
)TV
基本情况： 1 应力分布：
1
2 0
3
4
5
透水边界
01
不透水边界
1
实践背景： H小，p大 自重应力 计算公式4、5：
附加应力 自重应力 附加应力
压缩土层底面的附加 应力还不接近零
U t4,5
2U t1
(1 1
)U t2
z,t z
U z,t
z z
z uz,t z
1 uz,t
z
z,t uz,t M
z
Uz,t=0～1：表征总应力中有效应力所占比例
地 层： 一层土的平均固结度
H
Ut
有效应力分布面积＝ 总应力分布面积
0 z,t dz
H
0 z dz
z e-m2
2
4
粘性土压缩特性微细结构变化的试验研究
粘性土压缩特性微细结构变化的试验研究
周宇泉;洪宝宁
【期刊名称】《地基处理》
【年(卷),期】2004(015)004
【摘要】本文利用自行研制的土体微细结构光学测试系统对粘性土在压缩过程中微细结构变化进行了定量分析研究。
提取并分析相关微细结构特征参数。
从而为研究粘性土压缩变形与微细结构变化间的定量关系提供了一条可行的途径。
【总页数】6页(P45-50)
【作者】周宇泉;洪宝宁
【作者单位】河海大学岩土工程研究所，南京210098
【正文语种】中文
【中图分类】P642
【相关文献】
1.水位变化条件下粘性土渗流特征试验研究 [J], 曹文炳;万力;龚斌;曾亦键;王大纯
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4.饱水粘性土高压密实过程中孔压及体应变变化试验研究 [J], 李文平
5.粘性土压缩过程中的微细结构变化试验研究 [J], 周宇泉;洪宝宁
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饱和粘土的渗透固结理论
2
二维、三维渗透固结课题
u u 1、太沙基一维渗透固结方程： C v 2 t z
2
2、1936年，Rendulic将Terzaghi一维固结理论推广到二 维、三维问题，得出Terzaghi- Rendulic扩散方程，为：
2 2u 2u 2u 2u 2u u // u Cvx 2 Cvy 2 Cvz 2 Cv ( 2 2 2 ) t x y z x y z
防止地基有害变形的措施
外因方面： 1.尽量避免复杂的平面布置，并避免同一建筑物各组成 部分的高度以及作用荷载相差过多。 2.在可能产生较大差异沉降的位置或分期施工的单元连 接处设置沉降缝。 3.设计中尽量使上部荷载中心受压，均匀分布。 4.加强基础的刚度和强度，如采用十字交叉基础、箱形 基础。
防止地基有害变形的措施
地基沉降与时间关系计算步骤
具体计算见教材P153例4-4
地基沉降与时间关系的经验估算
双曲线式
t st s at
对数双曲线式
st 1 e
at
s
地基沉降计算的其他情况
地基最终沉降的组成
变 形 机 理
1、瞬时沉降 2、主固结沉降 3、次固结沉降
•
•
固结沉降是粘性土地基沉降的最主要组成部
n
次 固 结
斜率Cs 时间（对数坐标）
塑性大的土，有机土 ≥0.03
超固结土(OCR＞2)
＜0.001
CS的大小取决于土的类型，在 缺乏资料时可以参考选用或者 按天然含水量来估计：
CS 0.018w
相邻基础对沉降的影响
• 1）相邻基础对附加应力的影响 • 2）相邻基础对沉降差的影响
第五章第四节饱和土土体渗透固结理论
Ut
Tv
Cv H2
t
例：某饱和粘土层厚10m，在大面积荷载P0=120kPa作用下， 已知e=1，a=0.3MPa-1，k=1.8cm/year，双面排水条件下求 （1）加荷一年时的沉降量；（2）沉降量达140mm所需的 时间。
解（：1）求t 1年时的沉降量
粘土层中的附加应力沿 深度是均布的， z p0 120kPa
解（：2）求沉降量达140mm所需时间
粘土层的最终固结沉降 量s 180 mm
固结度 U t
st s
140 180
0.78
查曲线（1）得Tv 0.53
t
Tv H 2 Cv
0.53 500 2 1.2 105
1.1年
（六）固结系数 的确定 (Coefficient of consolidation )
孔隙体积的变化＝流出的水量
由于：
可得
渗流固结过程 的基本关系式
根据达西定律： 最后可得：
固结系数
Cv 反映了土的固结性质：孔压消散的快慢－固结速度； Cv 与渗透系数k成正比，与压缩系数a成反比； （cm2/s；m2/year）
求解方程：
u t
Cv
2u z2
（1）求解思路：
• 线性齐次抛物线型微分方程式，一般可用分离变量方法求解。 • 给出定解条件，求解渗流固结方程，就可以解出uz,t。
一、侧限压缩试验及其表示方法
一、e -σ′曲线 二、e - lgσ′曲线 三、原位压缩曲线及再压缩曲线
一维压缩性及其指标
地基的最终沉降量计算
一、一维渗流固结理论 二、固结度的计算 三、固结沉降随时间的变化关系 四、与固结有关的施工方法