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岩土研究院

软土地基加固理论及其发展

390 2021-09-14 14:22:13

土力学的发展大致可分为三个阶段,一是以库伦(Charles Augustin de Coulomb, 1736—1806)贡献为标志的第一阶段,二是以太沙基 (Karl von Terzaghi,1803—1963)贡献为标志的第二阶段,三是太沙基后的现代发展阶段。让人深有感触的是,诸如太沙基这样的开拓者,其所有的创造几乎都与现场第一线切身体验与长期独立思考分析分不开。国内外学术界一致认为库伦为土力学先驱,国际专业网站上称其为 The Grandfather of Soil Mechanics;他在 1773 年发表的论文《极大极小准则在若干静力学问题中的应用》,为土体破坏理论奠定了基础。太沙基则为土力学的另一里程碑式的人物,国际专业网站上称其为 The Father of Soil Mechanics;他发表的论文《黏土中动水应力的消散计算》,提出了土体一维固结理论,接着又在另一文献中提出了著名的有效应力原理,从而建立起一门独立的学科——土力学。一般认为,在 1925 年以前,主要是考虑以 Mohr-Coulomb 原理为依据的最大剪应力理论;从 1925 年到1960 年是以太沙基有效应力原理为象征的土力学阶段,注意到了有效应力、超静水压力以及不扰动土样与三轴试验等;1960 年以后的土力学注意到了应变的重要性,应力与应变历史及加卸载循环的影响,应变发展过程对强度的影响,不同阶别连续性、非线性、变形梯度、变形特征尺度与变形局部化对于土体介质力学响应的影响;近些年还特别注意到土力学学科及其基础学科本身固有的局限性等。有关十力学与十(岩)体工程学科的发展状况可参考本书著者 2006 年出版的《软土地基加固的理论、设计与施工》的第一章。

地基加固理论的发展与土力学及地基加固技术的发展紧密相关,理论的主要构成及发展大致可以划分为以下几方面∶ ①考虑土体主固结变形的固结理论;②考虑土体次固结的流变理论;③)各种地基加固工法技术相对应的力与变形理论以及物理化学作用理论。诸如∶真空与堆载联合作用下软土固结与力传递理论,冲击荷载下软土变形及固结与力传递理论,复合地基变形与力传递理论,搅拌桩固结机理,电渗固结机理,加筋土作用机理等等;④考虑瞬时变形的有关理论也可认为是地基加固理论的基本组成部分。

固结及流变理论包括;均匀地层的线弹性、黏弹性、弹塑性、黏弹塑性、黏弹黏塑性等变形(固结)理论,成层地基的各种固结理论,考虑软土结构性效应的固结理论,基于作者提出的有限特征比本构关系的固结理论等;其中以考虑小变形的线弹性固结理论应用的最为广泛。

线弹性固结理论是以1925 年太沙基提出一维固结理论为开创标志,以比奥(M. A. Biot)1941 年建立固结理论为系统理论较为完备而为代表的。而巴隆(R.A.Barron)于 1948 年在太沙基固结理论基础上,建立了轴对称固结基本微分方程并导出其解析解,其在砂井地基设计中得到广泛应用。

太沙基固结理论与比奥固结理论的假定是基本一致的,即骨架线性弹性、变形微小、渗流符合达西定律等;但有一个很大区别,即太沙基理论实际包含了一个假定——在固结过程中法向总应力和(θ= a,十σ,十o,)不随时间而变。比奥方程推导的方式与太沙基方程稍有不同,但若增加此假定,就会得出与太沙基方程完全—致的形式。由于这两种理论在假定上的差别,导致了建立的方程形式不同;太沙基方程中 只含孔隙压力1 个未知变量,与位移无关;比奥方程则是包含孔隙压力和位移的联立方程组。太沙基方程在推导过程中应用了有效应力原理、连续性方程式,对本构方程只用了与体积变形有关的表达式,在假定总应力和不变后就可将应力或应变从方程中消去;进而,孔隙压力的消散仅仅决定于孔隙压力的初始条件和边界条件,与固结过程中位移的变化无关。而比奥固结理论没有作总应力和为常量的假定,在方程中不能将应力或应变消去,故需完整地引入本构方程。进而引入几何方程,最后把孔隙压力与位移联系起来。这就可以反映固结过程中位移与孔隙压力的相互影响,或者说反映了两者的耦合。

为了科学合理应用线弹性固结理论,在此将比奥固结理论的假定与主要结果作一简单介绍。在连续性、均质性与各向同性等线弹性力学基本假定基础上,比奥理论的附加假设为∶

(1)土骨架为线弹性变形;

(2)土体是饱和的,只有土骨架和水二相;

(3)荷载作用下孔隙水的压缩量忽略不计(当考虑稳定渗流时,土粒本身压缩量也忽略不计);

(4)水的渗透流动符合达西定律,渗透系数为常量;(5)渗流速度很小,不考虑动水压力;(6)不考虑温度效应。

有着工程经验的读者不难看出,上述假设(1)与 (4)在大多数情况下与实际条件有大的偏差。

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