考虑起始比降的软土地基——维固结理论研究

摘要

由于达西渗流定律的获得基于砂土的渗透性试验,其在粘性土中适用性受到了一些学者的质疑,已有渗透试验研究表明:对某些低渗透性饱和粘土而言,存在起始比降,只有当土中某点的水力坡降大于起始比降(又称起始水力坡降、起始水力梯度),该点才会发生渗流.然而,传统的固结理论大都假设土中渗流符合达西定律,对于考虑起始比降的固结问题的研究并不多见。本文在已有研究的基础上,采用解析法和半解析法较深入系统地研究了考虑起始比降的软土地基一维固结问题。主要内容及创新成果包括:
　　 1.分析了初始孔压三种不同分布形式下,即:初始孔压降不小于起始比降、初始孔压降不大于起始比降的负值、初始孔压降绝对值小于起始比降,土中渗流边界的运动规律,建立了相应的固结控制方程,推导了三种不同形式下考虑起始比降的一维固结孔压解及地基平均固结度计算公式,并与已有差分解等进行对比,在此基础上计算分析了起始比降和初始孔压分布形式对渗流边界运动速度、孔压分布、地基平均固结度的影响,讨论了按沉降定义和按孔压定义的地基平均固结度的不同,并编制了初始孔压均布条件下渗流移动边界与时间的关系表。
　　 2.针对工程中加载并非瞬时完成的实际情况,给出了变荷载条件下考虑起始比降一维固结普遍解,以及单级加荷条件下,当加载时间分别大于和小于渗流发展到土层底部所需时间的情况时,渗流移动边界、孔压和地基平均固结度的具体表达式,分析了加载时间等对考虑起始比降后土体一维固结性状的影响。
　　 3.在初始孔压降不小于起始比降的特殊条件下,渗流瞬间在整个土层发生,获得了能考虑起始比降的任意层地基的一维固结解析解及其不同形式下的退化解(包括考虑起始比降的双层地基一维固结解及不考虑起始比降初始孔压非均布条件下的任意层地基一维固结解析解),并编制了相应的计算程序,分析了该特殊条件下考虑起始比降后成层地基的一维固结性状。
　　 4.提出了求解考虑起始比降的任意层地基的一维固结问题的半解析法,编制了相应的计算程序,并通过与已有解的结果对比,对程序的合理性和正确性进行了验证,然后以双层地基为例,分析不同土层起始比降组合对双层地基的一维固结性状的影响。
　　 5.利用半解析法,通过引入土体孔隙比和渗透系数、土体孔隙比和有效应力的对数关系,给出了能同时考虑起始比降、土体自重应力实际分布、渗透系数和压缩系数非线性变化的一维非线性固结半解析解,编制了计算程序,并与已有不考虑起始比降的一维固结非线性解析解进行了结果对比,验证了解和程序的正确性。在此基础上进行了大量的计算,分析了压缩指数和渗透指数的比值、外荷载、起始比降、自重应力分布形式对渗流边界运动速度和地基固结性状的影响。