梁 越,盧孝志,郝建云

(1.重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074;3.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400074)

內(nèi)河碼頭回填料壓縮-滲流耦合特性試驗(yàn)

梁 越1,2,3,盧孝志3,郝建云3

(1.重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074;3.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400074)

利用高級(jí)固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同配合比的砂泥巖混合料進(jìn)行壓縮固結(jié)試驗(yàn),研究不同豎向壓力下土體的壓縮、回彈及再壓縮過(guò)程中壓縮與滲透的耦合變化特征。試驗(yàn)結(jié)果表明:土體的壓縮系數(shù)隨豎向壓力的增大趨于穩(wěn)定,隨泥巖含量的增大而增大;壓縮指數(shù)隨泥巖含量的增大而增大,即泥巖含量越高,土體的壓縮性越強(qiáng);土體滲透系數(shù)隨孔隙比的增大而加速增大,隨泥巖含量的增大而減小;提出一維滲流-壓縮固結(jié)耦合有限差分計(jì)算方法,克服了太沙基固結(jié)理論中滲透系數(shù)恒定及小變形的假定。

砂泥巖混合料;壓縮固結(jié);滲透特性;壓縮指數(shù);孔隙水壓力;有限差分法;內(nèi)河碼頭

飽和土體在外部荷載的作用下孔隙水排出,超靜孔隙水壓力逐步消散,土體有效應(yīng)力及變形逐步增大,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為土體的壓縮固結(jié)[1]。確定土體壓縮固結(jié)特性是研究土體沉降、強(qiáng)度與變形的關(guān)鍵。土體的固結(jié)與土體的孔隙性和滲透性密切相關(guān),土體固結(jié)的快慢,即孔隙的減小速度,取決于孔隙水流出的速度?？紫端鞒龅乃俣扰c超靜孔隙水壓力的大小和土體的滲透性有關(guān),而土體的滲透性又受孔隙性控制[2],因此土體壓縮固結(jié)是孔隙變化與孔隙滲流相互影響的耦合過(guò)程。

我國(guó)中東部滲透性差、壓縮變形大的軟土、吹填土等特殊土分布廣泛,研究人員對(duì)其壓縮固結(jié)的規(guī)律、機(jī)理以及計(jì)算理論進(jìn)行了大量研究。房后國(guó)等[3]基于軟土微觀結(jié)構(gòu),提出了海積軟土的排水固結(jié)機(jī)理;胡瑞林[4]通過(guò)對(duì)動(dòng)力排水固結(jié)法的介紹,評(píng)述了軟土動(dòng)力固結(jié)機(jī)理;李冰河等[5]基于有限差分方法,建立了求解軟黏土非線(xiàn)性一維固結(jié)問(wèn)題的半解析方法;李傳勛等[6-7]針對(duì)軟土固結(jié)過(guò)程中土體的滲透性變化問(wèn)題,對(duì)固結(jié)過(guò)程中流固耦合過(guò)程進(jìn)行了探索。其他相關(guān)的研究成果也極大地推進(jìn)了人們對(duì)土體壓縮固結(jié)特性的認(rèn)識(shí)[8-11]。

近年來(lái),隨著長(zhǎng)江航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展,長(zhǎng)江上游港口碼頭建設(shè)任務(wù)繁重。長(zhǎng)江上游水文地質(zhì)條件復(fù)雜,以重慶港為例,港區(qū)岸坡地形陡峭,碼頭后方堆場(chǎng)多采用岸坡開(kāi)挖與回填相結(jié)合的方式(圖1),回填區(qū)的變形與沉降關(guān)系著碼頭的正常運(yùn)行?；靥顓^(qū)填料為岸坡的開(kāi)挖破碎料,根據(jù)長(zhǎng)江上游尤其是三峽庫(kù)區(qū)的地質(zhì)特性,岸坡地層大多為砂泥巖互層,破碎的砂巖材料強(qiáng)度與變形特性要優(yōu)于泥巖,然而為了施工的方便及節(jié)約成本,回填料不可能將泥巖全部剔除,而是混合了一定比例的泥巖顆粒[12]。因此,確定不同混合比例條件下砂巖、泥巖破碎顆?；旌狭系膲嚎s固結(jié)特性對(duì)研究回填區(qū)變形與沉降具有重要的工程意義。

圖1 重慶港區(qū)岸坡地質(zhì)情況及典型結(jié)構(gòu)示意圖

土體的孔隙大小由組成土體顆粒的細(xì)顆?？刂芠13],根據(jù)土體滲透性、壓縮性與孔隙的關(guān)系,土體滲透及土體固結(jié)也主要與土體中的細(xì)顆粒有關(guān)。因此,本文利用重慶港區(qū)岸坡開(kāi)挖過(guò)程中的砂巖、泥巖破碎料,通過(guò)篩分獲得了土料中的砂巖、泥巖細(xì)顆粒材料,按一定的配合比制得試樣,在室內(nèi)進(jìn)行壓縮固結(jié)與滲透試驗(yàn),分析不同配合比條件下砂巖、泥巖混合料的壓縮與滲透規(guī)律。

1 壓縮固結(jié)試驗(yàn)

利用高級(jí)固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)(GDS advanced consolidation testing system,GDSACTS)開(kāi)展相關(guān)的試驗(yàn)研究。本試驗(yàn)系統(tǒng)可在固結(jié)過(guò)程中進(jìn)行土體滲透試驗(yàn),已在土體固結(jié)特性試驗(yàn)研究中得到了大量的應(yīng)用并取得了良好的試驗(yàn)效果[14-15]。試驗(yàn)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、固結(jié)容器、位移傳感器、壓力及體積數(shù)字控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及分析軟件等組成,試樣內(nèi)徑為100mm,初始高度為30mm。

試驗(yàn)先取重慶港區(qū)岸坡開(kāi)挖過(guò)程中的砂巖、泥巖破碎料,篩分得到土料中對(duì)固結(jié)及滲透起控制作用的砂巖、泥巖細(xì)顆粒材料。砂巖顆粒密度為2.71g/cm3,泥巖顆粒密度為2.69g/cm3,利用激光粒度分析儀得到兩種材料的顆粒級(jí)配,如圖2所示。

圖2 試樣采用的砂巖、泥巖材料級(jí)配曲線(xiàn)

按一定的砂巖、泥巖顆粒質(zhì)量比例混合制樣,采用6∶4、4∶6、2∶8以及0∶10這4種不同的砂巖、泥巖質(zhì)量比,即泥巖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40％、60％、80％、100％。制樣后,按以下步驟進(jìn)行試驗(yàn):①抽真空飽和;②裝樣;③給試樣頂面施加恒定豎向壓力,并施加恒定孔隙壓力,模擬瞬時(shí)加載,使試樣在恒定有效應(yīng)力作用下發(fā)生單向排水壓縮固結(jié);④加壓過(guò)程中監(jiān)測(cè)試樣頂面位移隨時(shí)間變化;⑤每級(jí)壓力持續(xù)固結(jié)24 min,并在單級(jí)固結(jié)結(jié)束后進(jìn)行滲透試驗(yàn),滲透試驗(yàn)過(guò)程中保持豎向應(yīng)力不變;⑥滲透試驗(yàn)后,改變?cè)嚇禹斆尕Q向壓力大小,進(jìn)行下一級(jí)荷載的固結(jié)及滲透試驗(yàn)。

為分析試樣的壓縮及回彈特性,采用的試樣頂面豎向加壓方案為:50kPa→100kPa→200kPa→400kPa→800kPa→400kPa→200kPa→100kPa→50kPa→100kPa→200kPa→400kPa→800kPa→1600kPa。每級(jí)荷載下的固結(jié)結(jié)束后,保持豎向壓力不變并進(jìn)行滲透試驗(yàn),以確定壓縮完成后土體滲透性的變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓縮固結(jié)過(guò)程

試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)了瞬時(shí)加載后試樣頂面的豎向位移隨時(shí)間的變化關(guān)系。以純泥巖試樣(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100％)為例,圖3為試樣壓縮過(guò)程中每級(jí)荷載條件下頂面位移與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)?？梢钥闯?瞬時(shí)施加荷載后,試樣迅速沉降,隨著時(shí)間的推移沉降速度由快變慢,沉降量逐漸趨于穩(wěn)定值,每級(jí)荷載下的位移與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)接近于雙曲線(xiàn)形狀。試樣在每級(jí)荷載下的最終沉降量與豎向壓力的大小有關(guān),每級(jí)荷載下的沉降量隨著施加豎向壓力的增加而增大。

在豎向荷載增加到一定值后對(duì)試樣進(jìn)行逐步卸載,然后重新加載,探索試樣的回彈和再壓縮特性。以豎直向下為位移正方向,則回彈位移為負(fù)值,回彈及再壓縮過(guò)程中位移與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如4所示?？梢钥闯?回彈及再壓縮過(guò)程中每級(jí)荷載下位移與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)也呈雙曲線(xiàn)形狀。結(jié)合圖2可知,回彈過(guò)程中每級(jí)荷載下的回彈量要小于加載過(guò)程中的壓縮量,即在回彈過(guò)程中,試樣已產(chǎn)生了一定量的不可恢復(fù)的塑性變形;再壓縮過(guò)程中每級(jí)荷載下的沉降量也明顯小于壓縮過(guò)程,即試樣在經(jīng)過(guò)一輪壓縮過(guò)程后試樣的壓縮性有很大的降低。

圖3 壓縮過(guò)程中位移與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

圖4 回彈及再壓縮過(guò)程中位移與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

每個(gè)試樣的壓縮—回彈—再壓縮試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)336h,整個(gè)壓縮過(guò)程中試樣頂面位移與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。通過(guò)不同壓力條件下試樣的壓縮情況對(duì)比可以看出壓縮過(guò)程、回彈過(guò)程以及再壓縮過(guò)程中試樣的固結(jié)特性的差異。

圖5 整個(gè)壓縮過(guò)程中位移與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

2.2 壓縮固結(jié)特性

土體孔隙比與豎向壓力的大小有關(guān),根據(jù)圖5所示的每級(jí)荷載作用下試樣頂部的最終沉降量,可以得到孔隙比與沉降量之間的關(guān)系,即

式中:e0為初始孔隙比;ei為施加第i級(jí)荷載后的孔隙比;hi為施加第i級(jí)荷載后試樣的沉降量;H為試樣初始高度。

圖6為純泥巖試樣在壓縮—回彈—再壓縮過(guò)程中孔隙比e與豎向壓力p之間的關(guān)系曲線(xiàn)(e-p關(guān)系曲線(xiàn))?？梢钥闯?在加載階段,孔隙比隨豎向壓力的增加呈線(xiàn)性減小的趨勢(shì)?；貜椙€(xiàn)與再壓縮曲線(xiàn)形成一個(gè)回滯環(huán),當(dāng)再壓縮荷載超過(guò)壓縮最大荷載時(shí),試樣沉降量進(jìn)一步增大,與壓縮曲線(xiàn)呈現(xiàn)一定的連續(xù)性。如果對(duì)于表示壓力值的坐標(biāo)取對(duì)數(shù),則可以得到試樣壓縮的e-lgp關(guān)系曲線(xiàn),如圖7所示?？梢钥闯?當(dāng)豎向壓力較大時(shí),e-lgp關(guān)系曲線(xiàn)接近直線(xiàn),直線(xiàn)的斜率反映了土體的壓縮性能。

圖6 純泥巖試樣壓縮試驗(yàn)e-p關(guān)系曲線(xiàn)

圖7 純泥巖試樣壓縮試驗(yàn)e-lgp關(guān)系曲線(xiàn)

2.3 滲透特性

土體的壓縮固結(jié)主要是孔隙水流出、孔隙減小的過(guò)程,因此土體的固結(jié)速度由孔隙水的流出速度確定,而水流出的速度與土體的滲透性有關(guān)。在每級(jí)荷載下的壓縮試驗(yàn)完成后,在試樣內(nèi)進(jìn)行了定水頭條件下的一維滲透試驗(yàn),根據(jù)不同水頭差條件下的單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)試樣截面的滲透流量計(jì)算土體的滲透系數(shù)k,發(fā)現(xiàn)不同泥巖含量試樣的滲透特性基本服從達(dá)西定律。根據(jù)每級(jí)荷載下壓縮結(jié)束后測(cè)得的滲透系數(shù),得到不同試樣的k-e關(guān)系曲線(xiàn),如圖8所示?？梢钥闯?滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系密切,滲透系數(shù)隨孔隙比的增大呈加速增大,當(dāng)土體的孔隙比由0.23增大到0.55時(shí),土體的滲透系數(shù)由8.0×10-7cm/s增大到6.0×10-5cm/s,增大了約2個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖8 不同泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的k-e關(guān)系曲線(xiàn)

2.4 回彈特性

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,不同試樣的壓縮及滲透規(guī)律十分類(lèi)似,但試樣中砂巖、泥巖的含量對(duì)土樣的壓縮性及滲透性依然有很大的影響。土體的壓縮系數(shù)反映了兩級(jí)荷載之間的壓縮性,即圖6中e-p關(guān)系曲線(xiàn)上兩點(diǎn)之間的割線(xiàn)斜率。如豎向壓力p1、p2條件下對(duì)應(yīng)的孔隙比分別為e1、e2,則有

式中:a為壓縮系數(shù),MPa-1,其值與豎向壓力的大小有關(guān)。

圖9為壓縮過(guò)程中不同泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的壓縮系數(shù)a與豎向壓力p的關(guān)系?？梢钥闯?除純泥巖試樣外,試樣壓縮系數(shù)隨豎向壓力的升高而增大,當(dāng)豎向壓力較高時(shí)壓縮系數(shù)逐漸趨于恒定值。壓縮系數(shù)與砂泥巖配合比也密切相關(guān),泥巖含量越高,同一級(jí)壓力下的壓縮系數(shù)越大;而砂巖含量越高,壓縮系數(shù)越小。

圖9 不同泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的a-p關(guān)系曲線(xiàn)

通過(guò)試樣壓縮—回彈—再壓縮的e-lgp關(guān)系曲線(xiàn),可以得到壓縮指數(shù)與回彈指數(shù),其中壓縮指數(shù)為e-lgp關(guān)系曲線(xiàn)直線(xiàn)段的斜率;回彈指數(shù)取e-lgp關(guān)系曲線(xiàn)回彈段及再壓縮段的平均斜率。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)回彈指數(shù)遠(yuǎn)小壓縮指數(shù),將回彈指數(shù)擴(kuò)大10倍,二者與泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖10所示,可以看出回彈指數(shù)的值基本上為壓縮指數(shù)的1/20～1/10,且泥巖含量越低,壓縮指數(shù)與回彈指數(shù)的差值越大。隨著試樣中泥巖含量的增加,壓縮指數(shù)呈升高的趨勢(shì),而回彈指數(shù)呈線(xiàn)性減小。

圖10 壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)與泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線(xiàn)

壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)及回彈指數(shù)是反映土體壓縮性及回彈性的重要參數(shù)。通過(guò)以上的分析可以看出,土體的壓縮性與砂巖、泥巖配合比密切相關(guān),泥巖含量越高,土體壓縮性越大,土體越容易發(fā)生沉降。回彈指數(shù)反映了土體卸載回彈的特性,表征了卸載過(guò)程中土體的回彈模量,即砂巖含量越高,土體的回彈模量越大,回彈特性越明顯。

3 簡(jiǎn)化固結(jié)模型

土體壓縮過(guò)程中水的滲透性依然可以用達(dá)西定律描述,且滲透性受孔隙比的控制。根據(jù)圖8所示的k-e關(guān)系曲線(xiàn),對(duì)滲透系數(shù)k取常用對(duì)數(shù),可得lgk-e關(guān)系曲線(xiàn),如圖11所示。

圖11 lgk-e關(guān)系曲線(xiàn)

從圖11可以看出,lgk與e之間基本滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系,可以用下式表示:

式中:A、B為擬合系數(shù)。不同砂巖、泥巖配合比條件下的A與B值可以利用數(shù)據(jù)擬合得到,圖12為A、B值與泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系?？梢钥闯鯝、B值都與泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線(xiàn)性關(guān)系,但變化趨勢(shì)相反,A值隨泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小,而B(niǎo)值隨泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。利用線(xiàn)性擬合,可以得到A、B兩值與泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系:

式中:w為泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖12 擬合系數(shù)與泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線(xiàn)

在土體的壓縮固結(jié)過(guò)程中,土體的變形大部分由于孔隙水的流出而造成的體積減小。土體壓縮過(guò)程中的滲透性與孔隙性是耦合的,在試樣材料組成已知條件下,一旦確定了孔隙比與滲透系數(shù)的耦合關(guān)系,便可以建立起土體壓縮變形的計(jì)算模型。本文基于以上的試驗(yàn)結(jié)論,提出一種基于有限差分格式的砂巖、泥巖混合料一維壓縮固結(jié)計(jì)算方法,其需滿(mǎn)足以下假設(shè):①土體均質(zhì)且飽和;②土顆粒與水均不可壓縮;③水的流動(dòng)為豎向一維滲流,且服從達(dá)西定律;④每級(jí)荷載下的壓縮系數(shù)a為定值?？梢钥闯?與太沙基固結(jié)理論相比,本方法在壓縮固結(jié)分析中不再需要假定滲透系數(shù)為定值,且也不需要小變形假定。對(duì)于一定厚度土體,按間距Δh離散成的差分格式如圖13所示。

圖13 一維滲流-固結(jié)耦合有限差分格式

在某段時(shí)間Δt內(nèi),流經(jīng)格點(diǎn)j-1與j之間界面以及格點(diǎn)j與j+1之間界面的體積流量分別為

式中:kj為格點(diǎn)j處的滲透系數(shù);Ij-1,j、Ij,j+1分別為格點(diǎn)j-1與j之間、格點(diǎn)j與j+1之間的水力梯度;uj-1、uj、uj+1分別為格點(diǎn)j-1、j、j+1處的超靜孔隙水壓力;f(ej)為孔隙比與滲透系數(shù)的關(guān)系方程;ρw為水的密度;g為重力加速度。

根據(jù)質(zhì)量守恒,Δt時(shí)間處格點(diǎn)j處損失的流量為

水的流出引起土體孔隙的減小,則Δt時(shí)間后,格點(diǎn)j處的孔隙比以及格點(diǎn)間距變?yōu)?/p>

在孔隙比發(fā)生變化的同時(shí),格點(diǎn)的超靜孔隙水壓力也在消散。根據(jù)假定,壓縮過(guò)程中壓縮系數(shù)a為定值,根據(jù)a的定義,結(jié)合太沙基固結(jié)理論及有效應(yīng)力原理,在總應(yīng)力不變條件下,有

式中:Δu為超靜孔隙水壓力;Δσ′為有效應(yīng)力變化量。

那么孔隙比減小后的超靜孔隙水應(yīng)力變?yōu)?/p>

在得到了新的超靜孔隙水壓力以后,重復(fù)式(5)、式(7)、式(8)、式(10)的計(jì)算,進(jìn)行下一時(shí)步壓縮固結(jié)的模擬,直至達(dá)到預(yù)設(shè)的固結(jié)時(shí)間或超靜孔隙水壓力消散為零。在此過(guò)程中,排水邊界上的超靜孔隙水壓力一直取零。

以純泥巖壓縮試驗(yàn)為例,對(duì)有限差分法進(jìn)行驗(yàn)證。試樣初始高度H=3cm,初始格點(diǎn)間距Δh=0.3cm,即得到11個(gè)有限差分格點(diǎn)。取壓縮系數(shù)a=0.2 MPa-1;時(shí)步長(zhǎng)度Δt=0.01 s。利用有限差分法對(duì)壓縮過(guò)程中豎向壓力為200kPa條件下的試樣壓縮進(jìn)行計(jì)算。200kPa豎向壓力的前一級(jí)壓力為100kPa,因此荷載瞬時(shí)加載后,在試樣內(nèi)形成的初始超靜孔隙水壓力為100kPa。將以上參數(shù)代入式(5)、式(7)、式(8)、式(10)進(jìn)行計(jì)算,得到試樣頂部位移即土體的沉降量。為了進(jìn)行對(duì)比,同時(shí)利用太沙基固結(jié)理論對(duì)算例進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。圖14為不同方法得到的時(shí)間沉降比與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖14 時(shí)間沉降比與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

由于時(shí)間與位移變形量之間呈雙曲線(xiàn)關(guān)系,所以時(shí)間沉降比與時(shí)間之間基本呈線(xiàn)性關(guān)系?？梢钥闯?有限差分法與太沙基固結(jié)理論的結(jié)果非常相近,但由于太沙基理固結(jié)論假定了壓縮過(guò)程中滲透系數(shù)的值恒定,因此其結(jié)果中壓縮達(dá)到最大值所需要的時(shí)間略小于有限差分法的結(jié)果。當(dāng)土體滲透性隨孔隙比變化更敏感時(shí),這種差別勢(shì)必更大。同時(shí)需要指出的是,有限差分法與太沙基理固結(jié)論的結(jié)果在壓縮初始階段都明顯要大于試驗(yàn)數(shù)據(jù),造成這種現(xiàn)象的主要原因在于高級(jí)固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)在進(jìn)行瞬時(shí)加載時(shí),是通過(guò)向壓力室內(nèi)注入一定壓力的水實(shí)現(xiàn)的,水的注入及壓力的穩(wěn)定需要一定的時(shí)間,因此豎向荷載的施加并非嚴(yán)格意義上的瞬時(shí)施加,而是有一個(gè)時(shí)間過(guò)程,而土體壓縮速度最快的階段恰恰在壓縮的初始階段,在荷載施加至預(yù)定值以前,已經(jīng)造成了超靜孔隙水壓力的大量消散,使得試驗(yàn)初始階段試樣的頂面位移小于理論值。但對(duì)于最終壓縮量,計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較小,從圖5可得壓縮過(guò)程中200kPa豎向壓力下的最終頂面位移為0.395mm,而有限差分法與太沙基理論的計(jì)算結(jié)果分別為0.411mm與0.412mm。

4 結(jié)論

a.瞬時(shí)加載條件下土體壓縮沉降量與時(shí)間呈雙曲線(xiàn)關(guān)系;土體的變形主要由于壓縮作用下孔隙水的流出而造成的孔隙減小。

b.土體的壓縮系數(shù)與豎向壓力的大小有關(guān),隨著豎向壓力的增大趨于穩(wěn)定;壓縮系數(shù)受砂巖、泥巖配合比的影響,泥巖含量越高,壓縮系數(shù)越大。

c.壓縮指數(shù)隨泥巖含量的增大而增大,泥巖含量越高,土體的壓縮性越強(qiáng)。土體的回彈指數(shù)值約為壓縮指數(shù)的1/20～1/10,隨泥巖含量的增大而減小。

d.土體滲透系數(shù)隨孔隙比的增大而加速增大,lgk-e關(guān)系呈線(xiàn)性;同時(shí)滲透系數(shù)還與砂巖、泥巖配合比有關(guān)。

e.基于一維滲流-壓縮固結(jié)耦合過(guò)程的有限差分法不再假定滲透系數(shù)為定值,而是孔隙比的函數(shù);不需要小變形假定,考慮了壓縮變形對(duì)計(jì)算的影響,當(dāng)土體壓縮變形較大時(shí)依然適用。

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Experimental study on consolidation-seepage coupling of backfill in inland river ports

//LIANG Yue1,2,3,LU Xiaozhi3,HAO Jianyun3(1.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;2.Key Laboratory of Hydraulic＆amp;Waterway Engineering of the Ministry of Education,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;3.School of River and Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

We used the GDSCTS(GDS advanced consolidation testing system)for consolidating and permeating experiments on the mixed filling with different mix proportion.To do this,we proposed experiments for studying the coupling characteristics of the consolidating and the permeating in soils compression under instantaneous step loading.The results show that the compressibility tends to be stable with the increasing vertical pressure and goes up with the increasing mudstone content.The compression index also increases with the increasing mudstone content,which means that the more the mudstone content is,the higher the compressibility of soil would be.The permeability exponentially increases with the increasing of the void ratio and decreases with the increasing of mudstone content.Thus,we proposed an algorithm based on the finite difference method for 1-D seepage-consolidation coupling.The algorithm is more appropriate to describe the consolidation of soils than the Terzaghi's consolidation theory because the permeability is related to the void ration and the large deformation is permitted in the new method.

mixed filling of sandstone and mudstone;compression and consolidation;permeability characteristics;compression index;pore water pressure;finite difference method;inland river ports

TU411.4

:A

:1006-7647(2014)06-0070-06

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.06.015

2013-09-29 編輯:周紅梅)

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2011BAB09B01);國(guó)家自然科學(xué)基金(51409029,51349007)

梁越(1985—),男,山東臨沂人,副教授,博士,主要從事巖土體滲流研究。E-mail:lycqjtu@gmail.com