河海大學(xué)高等土力學(xué)固結(jié)與流變第1頁/共52頁第一節(jié)概述

引起變形的主要原因荷載，地下水位變化，滲流，側(cè)向支撐喪失，人為地下活動，降解。含水量變化，溫度,第2頁/共52頁第一節(jié)概述

什么是固結(jié)過程，現(xiàn)象。描述過程的學(xué)說或數(shù)學(xué)表達(dá)。固結(jié)理論太沙基Terzaghi，比奧特Biot。第3頁/共52頁第一節(jié)概述

流變次固結(jié)過程、現(xiàn)象。吹填土等的固結(jié)問題研究。大變形固結(jié)理論蠕變，松弛，流動，長期強(qiáng)度。第4頁/共52頁第二節(jié)太沙基固結(jié)理論由荷載引起的主固結(jié)變形

在荷載作用下，土體中的孔隙水排出和孔隙氣(非飽和土)的壓縮引起土骨架錯動和土體的變形。土顆粒和水是不可壓縮的。第5頁/共52頁第二節(jié)太沙基固結(jié)理論固結(jié)變形產(chǎn)生的過程tSSd：初始瞬時沉降Sc：主固結(jié)沉降Ss:次固結(jié)沉降第6頁/共52頁第二節(jié)太沙基固結(jié)理論一維太沙基固結(jié)理論及其解pσz=p不透水

層飽和

壓縮層物理模型p第7頁/共52頁第二節(jié)太沙基固結(jié)理論固結(jié)理論的基本假設(shè)：材料是均質(zhì)，飽和，線彈性；土體變形是微小的；土顆粒和孔隙水是不可壓縮的；滲流滿足達(dá)西定律；土體變形和其中滲流是豎向的；荷載一次施加且保持不變。第8頁/共52頁第二節(jié)太沙基固結(jié)理論固結(jié)理論方程的建立土骨架的體積變化＝孔隙體積的變化＝流入流出水量差

第9頁/共52頁第二節(jié)太沙基固結(jié)理論定解條件的補(bǔ)充0zH:u=pz=0:u=0z=H:uz初始條件：邊界條件：p不透水z排水面Hzuo第10頁/共52頁第二節(jié)太沙基固結(jié)理論實際條件下的初始條件工程背景H小，

p面積大自重應(yīng)力附加應(yīng)力底面接近零自重應(yīng)力附加應(yīng)力和3類似

底面不接近零應(yīng)力分布基本情況

12345不透水透水papb=1==0>1<1第11頁/共52頁第二節(jié)太沙基固結(jié)理論固結(jié)方程的解通解可由分離變量法求得;特解由初條和邊條確定相關(guān)參數(shù)得到。邊界、荷載、時間？第12頁/共52頁第二節(jié)太沙基固結(jié)理論

固結(jié)方程解的應(yīng)用推求St或t第13頁/共52頁第三節(jié)太沙基多維固結(jié)理論固結(jié)方程(假設(shè)總應(yīng)力不變,變形三方向)Carrillo定理（一次加載，齊次邊條）第14頁/共52頁第三節(jié)太沙基多維固結(jié)理論軸對稱固結(jié)方程的解（Barron,1948）自由應(yīng)變條件解;等應(yīng)變條件解。Hansbo,

趙維炳，謝康和。多維太沙基固結(jié)方程數(shù)值解(后續(xù))軸對稱轉(zhuǎn)化成平面問題:砂墻第15頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論固結(jié)理論的假設(shè)均質(zhì)、飽和、線彈性;微小變形；土顆粒和水不可壓縮；滲流滿足達(dá)西定律。

平衡方程有效應(yīng)力表示的彈性力學(xué)平衡方程物理方程幾何方程位移表示的平衡方程（三向位移、孔壓）第16頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論

平衡方程第17頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論連續(xù)方程土骨架的體積變化＝孔隙體積的變化＝流入流出水量差第18頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論

固結(jié)方程的解4個未知數(shù)：三向位移+孔壓4個方程：三條平衡+連續(xù)方程補(bǔ)充邊界條件和初始條件數(shù)值解法第19頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論發(fā)展概況1969

年由Sandhu和Wilson提出1975年在河海大學(xué)開展有限元法求解研究商用程序的開發(fā)研究第20頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論單元平衡方程第21頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論單元連續(xù)方程第22頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論單元增量形式的平衡方程單元增量形式的固結(jié)方程第23頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論總體平衡方程(全量)總體平衡方程(增量)第24頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論總體連續(xù)條件和連續(xù)方程Biot固結(jié)理論有限元方程位移增量孔壓全量第25頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論初始條件初始孔壓(超靜)初始位移轉(zhuǎn)化成初始荷載第26頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論邊界條件孔壓已知邊界不透水邊界約束孔壓自由度連續(xù)方程照用截取邊界位移約束、孔壓約束第27頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論時間步長孔壓第28頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論Biot與Terzaghi固結(jié)理論的比較（1）假設(shè)：總應(yīng)力不變（Terzaghi固結(jié)理論）1、Biot固結(jié)理論退化成Terzaghi固結(jié)理論2、靜止側(cè)壓力系數(shù)須為1.03、土體將出現(xiàn)不可能的變形4、只有一維條件下才是嚴(yán)格的固結(jié)理論第29頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論Biot與Terzaghi固結(jié)理論的比較（2）求解方法Terzaghi固結(jié)理論：優(yōu)缺點Biot固結(jié)理論：優(yōu)缺點Biot與Terzaghi固結(jié)理論的比較（3）曼德爾效應(yīng)第30頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論Terzaghi1883年10月2日生于匈牙利--奧匈帝國;1904年畢業(yè)格拉茨技術(shù)大學(xué),在部隊服役一年期間利用業(yè)余時間翻譯“野外地質(zhì)概況”;1906年在維也納的一家建筑公司工作,主要進(jìn)行設(shè)計工作,并作為HighAswanDam的顧問專家;開始對巖溶地質(zhì)產(chǎn)生興趣;第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā),移居俄國;1910年回到格拉茨技術(shù)大學(xué)并通過論文博士答辯。第31頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論Terzaghi1911年第一次去美國，參加灌溉工程建設(shè)；1914年-1918年為奧地利空軍工作，機(jī)場；1916年由他在格拉茨技術(shù)大學(xué)的老師舉薦，被外交部派到依斯坦布爾任道路和鐵路基礎(chǔ)工程教授；大戰(zhàn)結(jié)束，但生活和工作陷入困境;在管涌破壞和粘土沉降時間特性基礎(chǔ)上1925出版“SoilMechanicsbasedonSoilPhysics”第32頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論Terzaghi1925年作為訪問教授到MIT工作,試驗和顧問;培養(yǎng)大批學(xué)生,其中來自維也納的Casagrande;1929年回維也納技術(shù)大學(xué),水力學(xué)和土力學(xué);維也納成為國際土力學(xué)中心,試驗規(guī)程和三軸;1936年第一屆國際土力學(xué)會議在MIT,主席;1957年榮譽(yù)主席,1963年10月25日在哈佛去世.第33頁/共52頁第四節(jié)Biot固結(jié)理論太沙基樓太沙基街太沙基郵票和首日封第34頁/共52頁第五節(jié)大變形固結(jié)理論概述新吹填、水墜壩、尾礦壩、新沉積地基。大變形固結(jié)方程大變形固結(jié)方程的解第35頁/共52頁第六節(jié)土體的流變概述流變：蠕變、松弛、流動、徐變。影響流變特性的因素土的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力大小、溫度等。第36頁/共52頁第六節(jié)土體的流變常用的流變模型基本元件h元件的串、并聯(lián)第37頁/共52頁第六節(jié)土體的流變常用的流變模型賓漢模型hh第38頁/共52頁第六節(jié)土體的流變常用的流變模型彈塑性模型應(yīng)變無限增長

第39頁/共52頁第六節(jié)土體的流變常用的流變模型馬克斯威爾模型hh恒載卸載殘余蠕變變形應(yīng)變恒定—松弛第40頁/共52頁第六節(jié)土體的流變常用的流變模型開爾文模型h恒載卸載彈性后效應(yīng)變恒定無松弛第41頁/共52頁第六節(jié)土體的流變常用的流變模型麥欽特模型h1蠕變松弛卸載—彈性后效？第42頁/共52頁第六節(jié)土體的流變常用的流變模型組合模型:修正的考馬拉-黃模型有限元計算由流變模型計算確定第43頁/共52頁第七節(jié)非飽和固結(jié)理論概述三相體：顆粒、水、氣，土水特征曲線有效應(yīng)力原理其他理論Fick定律、波利爾定律第44頁/共52頁第七節(jié)非飽和固結(jié)理論一維固結(jié)水連續(xù)方程氣連續(xù)方程(h-表示氣溶于水的亨利系數(shù))第45頁/共52頁第七節(jié)非飽和固結(jié)理論多維固結(jié)水連續(xù)方程氣連續(xù)方程平衡方程第46頁/共52頁第七節(jié)非飽和固結(jié)理論簡化求解方法溫度不變氣不溶解水氣特征曲線單一滲透系數(shù)為常數(shù)分段求解:飽和度40%以下、40-70%、

70-95%、95%以上