一种非饱和土固结的确定方法技术

本发明专利技术属于地基工程技术领域，具体公开了一种非饱和土固结的确定方法，该方法采用非饱和土固结理论，提出了考虑应力随深度变化与半排水半透气边界的非饱和土固结确定方法。并根据实际工程中存在的半排水半透气边界以及沿深度变化的应力特征，得到了初始超静孔隙压力随深度变化的表达式，推导出了同时考虑半排水透气边界和沿深度变化的超静孔隙压力耦合作用下的非饱和土固结确定方法。该方法确定的超静孔隙水压力与实际测量验证结果相符，准确率达98.55

【技术实现步骤摘要】
一种非饱和土固结的确定方法


[0001]本专利技术属于地基工程
，特别涉及一种非饱和土固结的确定方法。

技术介绍

[0002]世界上有三分之二的地层处于非饱和状态，非饱和土层厚度根据地区地下水位状态从几米到几十米不等。非饱和土层固结沉降将导致地面产生长期沉降，地面不均匀沉降将引起建筑物倾斜、建筑墙体断裂、建筑排水设施损坏等，然而现有的地基技术规程中关于地基长期沉降的分析往往采用以太沙基理论为基础的饱和土固结理论。采用饱和土固结理论来解决非饱和土层长期固结沉降存在一系列的问题。首先，非饱和土层包含空气、水以及固体土颗粒，为三相介质，然而饱和土仅包含孔隙水和固体土颗粒，为两相介质。其次，相比较于饱和土，非饱和土层中存在基质吸力。第三，非饱和土层中孔隙空气的存在将改变在外界荷载作用下孔隙中水的固结消散过程。非饱和土层的这些特征使得非饱和土固结过程与饱和土固结过程具有非常明显的差异，采用饱和土固结理论分析实际工程中的非饱和土层沉降问题，并不适用。
[0003]目前，饱和土固结确定方法已得到了岩土工程领域工程师的广泛认可，饱和土固结确定方法可以合理地模拟土层中超静孔隙水压力的耗散特性，并在工程实践中被证明是有用的，其中包括考虑排水板加速固结的轴对称固结确定方法，同时考虑水平与竖向的二维固结确定方法等，但饱和土层的固结确定方法，很少涉及土层的非饱和状态，然而，在实际工程中经常面临非饱和土固结问题。在非饱和土固结方面，Qin等人在2008年发表了文章《Analytical solution to one
‑<br/>dimensional consolidation in unsaturated soils》，给出了非饱和土超静孔隙水压的确定方法，但是该方法采用在外界荷载作用下非饱和土层中的应力分布为均匀分布，然而这种假设只有在外界荷载分布相对于土层厚度无限大时才成立。此外，该方法采用理想绝对排水透气边界，很难应用到工程实践。
[0004]因此，亟需研发一种同时考虑半排水半透气边界条件和沿土层深度应力线性分布的非饱和土固结确定方法，以更好地满足实际工程的需要。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种非饱和土固结的确定方法，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
[0006]为克服上述技术问题，本专利技术提供了一种同时考虑半排水半透气边界条件和沿土层深度应力线性分布的非饱和土层固结确定方法，可为非饱和土层地基设计提供可靠的理论基础，避免因采用基于太沙基饱和土固结理论所带来的误差。
[0007]本专利技术所采取的技术方案是：一种非饱和土固结的确定方法，包括以下步骤：
[0008](1)进行非饱和土室内试验，所述非饱和土室内试验包括：非饱和土土水特征曲线试验，孔隙率与初始含水量测定试验；
[0009](2)通过非饱和土室内试验获取非饱和土固结参数信息，所述的非饱和土固结参
数信息包括：非饱和土层厚度H，初始孔隙率，初始饱和度，以及通过所述非饱和土土水特征曲线试验获取土层孔隙气和孔隙水的渗透系数，k
w
和k
a
；非饱和土中气相和水相由于净法相应力(σ
‑
u
a
)变化导致的体积变化系数，和以及气相和水相由于基质吸力(u
a
‑
u
w
)变化导致的体积变化系数，和其中：σ为总应力，根据外界荷载计算得到；u
a
和u
w
分别是超静孔隙气压力和超静孔隙水压力；
[0010](3)根据非饱和土边界特征，建立非饱和土半排水半透气边界，所述非饱和土半排水半透气边界的特征系数采用下列公式确定：R
t
＝k0H/k
w
h0，R
b
＝k
n+i
H/k
w
h
n+1
；其中，R
t
和R
b
分别为非饱和土上、下半排水半透气边界阻碍层对气相和水相的阻碍特征系数；k0和h0分别为非饱和土层上半排水半透气阻碍层的饱和渗透系数与厚度，k
n+1
和h
n+1
分别为下半排水半透气阻碍层的饱和渗透系数与厚度；
[0011](4)采用牛顿
‑
拉弗森方法确定非饱和土层深度方向形函数的特征根，其中边界条件的阻碍特征系数由步骤(3)中的R
t
和R
b
确定；
[0012](5)根据步骤(2)确定的非饱和土固结参数信息，确定下列非饱和土中与初始超静孔隙水压和气压相关的参数，
[0013]其中，h为空气在水中的溶解率；β
w
为水压缩系数；u
atm
为大气压力；n为非饱和土的初始孔隙率，S
r
为非饱和土饱和度，n和S
r
根据非饱和土实际测量值确定；根据非饱和土实际测量值确定；
[0014](6)建立非饱和土中超静孔隙孔压的初始分布，所述初始分布采用下列公式进行确定：u
a
(z)＝a
a
‑
b
a
z，u
w
(z)＝a
w
‑
b
w
z进行确定；其中，z为深度变量，a
a
，b
a
，a
w
，b
w
为四个用来控制超静孔压力的初始分布的参数，根据非饱和土层的性质得到；b
a
与b
w
根据条形外加荷载在地基内产生的附加应力计算，采用线性衰减进行描述；a
a
和a
w
分别采用分别采用进行计算，其中，q为外界施加的荷载，根据步骤(5)确定；
[0015](7)根据步骤(6)得到的初始分布的规律特征，采用积分方法确定傅里叶系数；
[0016](8)基于步骤(2)确定的非饱和土特征参数确定下列非饱和土固结相关参数，
[0017][0018]其中，n为非饱和土的初始孔隙率，S
r
为非饱和土饱和度，n和S
r
根据非饱和土实际测量值确定；g为重力加速度；M为空气的分子质量；初始超孔隙压力取值与步骤(6)中的a
a
相同，u
atm
为大气压力；γ
w
为水的单位重量；R为通用气体常数；θ为绝对温度；k
a
和k
w
为非饱和土孔隙气和孔隙水渗透系数，由步骤(2)确定；
[0019](9)引入参数进行简化计算，
其中C
a
，C
w
，根据步骤(8)确定；
[0020](10)引入中间变量，其中A
w
，W
w
，W
a
，A
a
根据步骤(9)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非饱和土固结的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)进行非饱和土室内试验，所述非饱和土室内试验包括：非饱和土土水特征曲线试验，孔隙率与初始含水量测定试验；(2)通过非饱和土室内试验获取非饱和土固结参数信息，所述的非饱和土固结参数信息包括：非饱和土层厚度H，初始孔隙率，初始饱和度，以及通过所述非饱和土土水特征曲线试验获取土层孔隙气和孔隙水的渗透系数，k
w
和k
a
；非饱和土中气相和水相由于净法相应力(σ
‑
u
a
)变化导致的体积变化系数，和以及气相和水相由于基质吸力(u
a
‑
u
w
)变化导致的体积变化系数，和其中：σ为总应力，根据外界荷载计算得到；u
a
和u
w
分别是超静孔隙气压力和超静孔隙水压力；(3)根据非饱和土边界特征，建立非饱和土半排水半透气边界，所述非饱和土半排水半透气边界的特征系数采用下列公式确定：R
t
＝k0H/k
w
h0，R
b
＝k
n+1
H/k
w
h
n+1
；其中，R
t
和R
b
分别为非饱和土上、下半排水半透气边界阻碍层对气相和水相的阻碍特征系数；k0和h0分别为非饱和土层上半排水半透气阻碍层的饱和渗透系数与厚度，k
n+1
和h
n+1
分别为下半排水半透气阻碍层的饱和渗透系数与厚度；(4)采用牛顿
‑
拉弗森方法确定非饱和土层深度方向形函数的特征根，其中边界条件的阻碍特征系数由步骤(3)中的R
t
和R
b
确定；(5)根据步骤(2)确定的非饱和土固结参数信息，确定下列非饱和土中与初始超静孔隙水压和气压相关的参数，其中，h为空气在水中的溶解率；β
w
为水压缩系数；u
atm
为大气压力；n为非饱和土的初始孔隙率，S
r
为非饱和土饱和度，n和S
r
根据非饱和土实际测量值确定；(6)建立非饱和土中超静孔隙孔压的初始分布，所述初始分布采用下列公式进行确定：u
a
(z)＝a
a
–
b
a
z，u
w
(z)＝a
w
–
b
w
z进行确定；其中，z为深度变量，a
a
，b
a
，a
w
，b
w
为四个用来控制超静孔压力的初始分布的参数，根据非饱和土层的性质得到；b
a
与b
w
根据条形外加荷载在地基内产生的附加应力计算，采用线性衰减进行描述；a
a
和a
w
分别采用分别采用进行计算，其中，q为外界施加的荷载，根据步骤(5)确定；(7)根据步骤(6)得到的初始分布的规律特征，采用积分方法确定傅里叶系数；(8)基于步骤(2)确定的非饱和土特征参数确定下列非饱和土固结相关参数，结相关参数，其中，n为非饱和土的初始孔隙率，S
r
为非饱和土饱和度，n和S
r
根据非饱和土实际测量值确定；g为重力加速度；M为空气的分子质量；初始...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵林爽，沈水龙，
申请(专利权)人：汕头大学，
类型：发明
国别省市：