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综述饱和土体一维固结理论的研究

太沙基(Terzaghi)于1925年首先建立了饱和土体的一维固结理论。自此之后,岩土工程研究者们通过对其基本假定的不断修正与完善,使一维固结理论围绕其基本假定取得了诸多发展,主要表现在如下几个方面: 

1 一维线性固结理论的研究现状 
太沙基一维固结理论中假定地基土体是均质的,但事实上,天然地基往往是成层分布或者是非均质。对于成层地基一维固结问题,Gray (1945)最早给出了瞬时加荷下双层地基固结解析解。Abbott (1960)利用有限差分法对多层地基的一维固结问题进行了计算分析。随后Schiffman (1970)对多层地基一维固结问题利用解析方法进行了研究,但是其解答并不完整且不易于应用。陈根媛(1984)对多层地基的一维固结计算方法进行了研究。栾茂田(1992)利用分离变量法获得了双层饱和土体一维固结超孔隙水压力的解析表达。Pyrah (1996)对具有相同固结系数不同压缩、渗透系数的双层地基进行数值计算,分析了双层地基的固结性状。但是由于问题的复杂性,以上研究大多没有对成层地基线性固结问题给出完整的解答,而且对实际中普遍存在的变荷载考虑甚少。鉴于此,Lee等(1992)及谢康和等(1994,1995) 先后对变荷载作用下双层、多层地基的一维线性固结问题展开研究,得到了任意变荷载作用下双层地基、成层地基一维线性固结超静孔隙水压力的完整解析解,同时着重指出对于成层地基而言,按变形定义的平均固结度和按孔压定义的平均固结度不再相等,并根据超静孔隙水压力的解析式分别给出了两种平均固结度的解析解。Zhu & Yin(1999)考虑实际中的单级加载,并认为初始超静孔隙水压力沿深度线性分布,得到了该工况下双层地基线性固结的解析解。 
Schiffman & Gibson(1964)最早对单层非均质地基的一维固结问题展开了系统的研究。他们假定地基土体的渗透系数kv和体积压缩系数mv分别是深度的多项式函数和指数函数,然后利用有限差分法对瞬时加载条件下软土一维固结问题进行数值求解。江雯等(2003) 假定土体压缩模量随深度线性增加,求得了单层非均质软粘土地基一维固结问题的解析解,并将计算结果与太沙基一维固结理论进行比较,讨论了非均质地基对一维固结性状的影响。在此基础上,夏建中等(2006)获得了土体渗透系数和压缩系数均随深度任意变化的成层非均质地基一维固结问题的半解析解,并以渗透系数和压缩系数是深度的多项式函数的非均质地基为例, 分析了多层非均质地基的一维固结性状。 
2 一维非线性固结理论的研究现状 
在太沙基一维固结理论中,假定土体的压缩性和渗透性均在固结过程中保持不变。而事实上,伴随着土体固结的发生,土中超静孔隙水压力会逐渐减小、有效应力逐渐增加,土中孔隙逐渐减小,土体进而逐渐变得硬实。因此,随着土体的固结,土体的渗透系数及压缩系数均会逐渐减小。Schiffman 等(1958)最早研究了变荷载作用下考虑黏土渗透性随有效应力变化的一维非线性固结问题。Davis & Raymond (1965) 假定土体在固结过程中压缩性和渗透性变化成正比(即固结系数在固结过程中保持不变)和自重应力沿深度保持不变得到了瞬时加荷下一维非线性固结解析解。Barden & Berry (1965) 采用有限差分法对一维非线性固结问题进行数值求解。Poskitt (1969) 采用摄动法对一维非线性固结问题进行了研究,但是摄动法仅适用于非线性程度较小的情况。Mesri & Rokhsar (1974) 首次将e -lgs¢和e-lgkv 经验关系式引入至一维非线性固结研究中,并应用有限差分法对其进行数值求解。Mesri & Choi (1985) 在非线性固结研究中首次考虑了土层自重应力沿深度实际分布,并用有限差分法编制了一维大应变固结分析程序。Ducan (1993) 采用有限单元法研究了一维非线性固结问题,并编制了相应的计算程序。Xie等(1996,2002)基于Davis & Raymond (1965)的假定分别得到了单级加载下单层地基和双层地基一维非线性固结解析解,为数值解的验证提供了可靠的途径。施建勇(2001) 利用双曲线描述土体压缩特性,并修正太沙基一维固结理论中的基本假定,建立了非线性固结控制方程及其解析解。研究表明其解答要比太沙基固结理论解更接近于试验结果,且求解过程同样方便简单。Geng等(2006)利用解析方法分析了循环荷载作用下软土地基的一维非线性固结问题。李冰河等(1999(a);1999(b))先后在自重应力沿深度均匀分布和线性分布下运用半解析方法对软土地基一维非线性固结问题进行求解,详细分析了不同参数对其固结性状的影响。谢康和等(2003(a), 2005)运用半解析方法分析了成层地基的一维非线性固结问题,并运用GDS高级固结仪对萧山粘土进行固结渗透联合试验,分析了萧山粘土的渗透性在固结过程中随孔隙比的非线性变化。齐添(2008)对正常固结以及超固结软土的一维非线性固结运用半解析方法进行求解,通过GDS高级固结仪进行固结渗透试验,总结了几种非线性压缩模型和渗透模型,并对半解析计算结果作了试验验证。邓岳保等(2011) 通过在线性固结差分法中嵌入互补模型算法进行求解一维非线性固结问题,并对比了互补算法和传统迭代法的优劣性。 
3 一维流变固结理论的研究现状 
Taylor & Merchant (1940)最早在土体固结理论中考虑了土的流变特性,并提出了一个模拟土体骨架流变性的模型。陈宗基(1958) 应用一个弹簧和Maxwell模型的并联来模拟土骨架的变形,并将其引入至固结理论中,求得其解析解,分析了一维流变固结性状。Gibson & Lo(1961)应用三元件模型模拟土体的流变特性,并对土体一维线性流变固结性状进行了分析。门福录(1963)认为陈宗基(1958)的解析解形式过于复杂,给出了一种求解一维线性流变固结理论的近似方法。赵维炳(1989)运用广义voigt模型模拟土体的流变特性,求解了考虑变荷载作用下的一维线性流变固结问题。李作勤(1992)对一维非线性固结变形、体变和畸变的依存性和同时性利用固结时间线理论进行了详细的分析讨论。Xie等(1997)对循环荷载作用下的四元件一维线性流变固结问题展开研究,并给出了其解析解。李西斌(2005)从理论和试验两个方面对饱和软土的一维流变固结问题进行了较细致深入的研究,得到了不同荷载下四元件模型线性流变固结解析解,并对流变模型参数的确定方法进行了探讨。 
Barden(1965)最早将Kelvin非线性流变模型引入至土体的一维固结理论中。Garlanger(1972)基于非线性流变模型推导建立了一维非线性流变固结的控制方程,并利用有限差分方法进行数值求解。Duncan等(1996)在不考虑固结系数随时间变化的前提下,考虑实际工程中的变荷载作用,利用有限单元法编制计算程序计算超固结土的一维非线性流变固结变形。蓝柳和(2002)对一维流变固结理论进行了系统深入的研究,同时考虑了土体的非线性流变特性、地基土体的成层性、随时间变化的荷载、土体渗透性的变化、自重应力以及外荷载的影响,利用成层地基线性固结解析解和数值离散相结合的半解析方法,对其进行数值求解,分析了不同参数对固结性状的影响。
4 一维大变形固结理论的研究现状 
Weber(1969)对建于泥炭土地基上的堤坝变形问题进行了报导,其在固结期间产生变形的地基厚度减少了80%,如此大的变形已超出了传统小应变固结理论的适用范围。Cargill(1984)对一围海造陆吹填工程实例进行了分析,表明大、小应变固结分析结果会相差50%以上,且大应变下的计算结果与实测结果相当一致。谢新宇等(1997)通过近似解析和有限元方法分别应用大、小变形固结理论计算固结变形,通过对比发现对于在较大外加荷载作用下的深厚软土地基或超软土地基是必须采用大变形固结理论来进行计算分析的,否则会引起很大的计算误差。因此,对于深厚软土在较大荷载作用下的固结变形问题,采用大变形固结理论进行计算分析是十分必要的。 
由此可见,国内外学者通过对一维大变形固结问题采用解析法、数值分析以及试验验证等不同方法进行研究,一维大变形固结理论已经初步形成了较为完整的体系。 
如上所述,通过对太沙基一维固结理论基本假定的不断修正与完善,使饱和土一维固结计算模型不断接近于土体的真实固结性状,进而使理论计算值不断接近于地基变形的真实值。
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