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超静孔隙水压力的产生和影响
创建者:章延平,编辑者:章延平,最近更新:2016/09/23 15:22:54

问题描述

在计算模型的分析结果中,超静孔隙水压力有时为正值、有时为负值,其对变形和应力的影响如何评估?

解答

根据有效应力原理,土层中的应力分别由土骨架和孔隙水(气)来分担,因此就有有效应力(土骨架承担部分)和孔隙压力(孔隙水和气承担部分)之分。在PLAXIS的分析结果中,可以输出不同的孔隙水压力,可参考:如何理解后处理中不同孔隙水压力的概念

区别于静孔隙水压力(由土层对应的水头确定),超静孔隙水压力主要在变形分析中产生,即应力的改变导致土骨架与孔隙水对总应力的承担比例发生改变。超静孔压产生的条件是土层的不排水特性和低渗透性(主要对粘性土来讲),即孔隙水短期无法排出、而其压缩刚度很高(一般认为具有不可压缩性),应力增量主要体现在超静孔压的变化上面,可参考:材料的排水类型与渗透性

模型中应力变化主要来自加/卸载和固结,包括水力条件的变化,可以看做广义的加/卸载过程(土体有效自重的变化)。超静孔压的变化(对应到有效应力的变化)直接影响到土体强度和变形,可参考:摩尔-库伦本构模型的强度参数与排水类型

比如,黏土地基上的基础加载问题,如果按照短期加载考虑,黏土地基为不排水加载,将在基础下方的地基中产生超静孔压。随着荷载增加,地基中剪应力逐步增大,虽然超静孔压不断增长,但有效应力变化很小(塑性计算),相对于排水加载(超静孔压为零,有效应力增大)的情况,地基承载力降低。


1 基础加载时黏土地基中的超静孔压

又如,黏土地基中的基坑开挖问题,考虑黏土的低渗透性和短期施工,黏土地基为不排水开挖,将在开挖(卸载)区域--主要是坑底回弹土层中产生超静孔压。可以看到,不同于基础加载问题,坑底所产生的超静孔压为正值,即孔隙拉力。由于坑底的开挖卸载,土体产生正的体积应变(呈现膨胀状态),孔隙比有增大趋势,因此形成了孔隙拉应力。同样,根据有效应力原理,此时的有效应力为总应力与超静孔压(拉应力)之和,即有效应力不断增长(相当于对坑底的反向压载),对坑底的回弹产生约束。


2 基坑开挖时黏土地基中的超静孔压

上述两类问题均为塑性计算的情况,即不考虑孔隙水压力随时间的变化,此时超静孔压的产生与变化主要取决于所定义的土层不排水特性。而在考虑孔隙水压力随时间变化的情况下,如固结计算,超静孔压的产生和发展主要取决于所定义的土层渗透性,与土层不排水特性无关。比如,在软黏土地基上的堤坝填筑施工问题中,要考虑地基土强度问题(即地基承载力),此时超静孔压的变化与土层渗透性和时间相关,即孔隙水的流动性。一方面,在加载过程中,由于土层的渗透性,在较短时间内孔隙水来不及排出,超静孔压逐渐升高;另一方面,随着时间的增长,孔隙水发生流动,超静孔压逐渐降低。伴随上述过程的是有效应力的相应变化,从而影响土层强度的变化和变形的发展。因此,在地基固结过程中,地基承载力不断提高,地基变形趋于稳定。


3 堤坝填筑时黏土地基中的超静孔压

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