每天一点土力学（44）：地基沉降与时间的关系之一维渗流固结理论

前言

饱和土体在附加应力作用下，孔隙水随时间逐渐向外排出，孔隙体积逐渐缩小，土颗粒重新排列，相互挤紧，由孔隙水承担的压力逐渐转移到土骨架上来承受，成为有效应力的过程，称为

渗流（渗透）固结。 渗流固结即为饱和土体排水、压缩、应力转移三者同时进行的一个过程。 在实际工程中，土的一维渗流固结并不存在（除了在实验室内侧限固结试验中），但对于大面积均布荷载作用下的固结可近似看作一维固结问题。

一维渗流固结物理模型

为了形象阐明上述饱和土体的渗流固结过程，饱和土的渗流固结过程可以借助如图所示的弹簧活塞力学模型。

在一个刚性的容器中装着一个带有弹簧的活塞，活塞上有很多细小的排水孔，弹簧的下端与容器底部相连。 其中弹簧代表土体骨架，容器内的水相当于土体孔隙中的自由水，而活塞上的小孔用来模拟土的渗透性，刚性容器象征侧限条件，整个模型代表饱和土体的一个土单元。 所模拟的渗流固结过程包括以下 ４ 个阶段：

①活塞上尚未施加荷载时，容器中完全充满水，测压管水位与容器中水位齐平。

②当施加均布荷载 σ在活塞顶面的瞬间，即 t ＝０ 时刻，容器中水位来不及向外排出，加上水可被认为是不可压缩的，因此弹簧没有变形，故弹簧的有效应力（相当于土体骨架的有效应力）为 ０，则施加荷载的瞬间，刚性容器单位水平截面面积上的荷载 σ全部由超静孔隙水压力（超静孔压或超孔压）承担，即超孔压 u ＝σ，σ′＝０。 此时，测压管水位上升 h ０ ＝u／γ ｗ ＝σ／γ ｗ ，此水头称为超静水头。

③

经过时间 t，容器中水在压力作用下不断从活塞中的细小孔隙向外排出，容器中水的超孔压 u 下降，测压管水位下降，超静水头 h ＜h ０ 。 此时，活塞下降，弹簧的有效压力 σ′增加，迫使弹簧受压，相当于土体骨架已经产生有效压力 σ′。

④随着活塞继续下降，超孔压力不断减小，弹簧的有效应力增加，最后当时间 t→∞时，超孔压力完全消散，即 u ＝０，容器中水停止排出，超静水头 h ＝０，测压管水位与容器中水位又保持齐平状态，此时，弹簧的有效应力 σ′＝σ，相当于土体骨架有效压力 σ′达到了 σ。 土体渗流固结过程结束。

从以上利用弹簧—活塞模型模拟土的固结过程可以看出：饱和土体的渗流固结过程就是土中的孔隙水压力 u 消散并逐渐转移为有效应力的过程。 在这个过程中，任意时刻任意位置的应力都满足有效应力原理，即

实际工程中，土体的有效应力 σ′与孔隙水压力 u 的变化，不仅与时间 t 有关，而且还与该点离透水层距离有关，如图所示。

即孔隙水压力 u 是距离 z 和时间 t 的函数：

上图所示为固结试验的土样，土样厚度为 ２H，上半部的孔隙水向上排，下半部的孔隙水向下排。 在施加外力 σ后，经历不同时间 t，沿土样深度方向孔隙水压力 u 和有效应力 σ′的分布：

①当时间 t ＝０，即外力施加以后的一瞬间，孔隙水压力 u ＝σ，有效应力 σ′＝０，两种应力分布如图右端竖直线所示；

②当经历一段时间后，t ＝t １ 时，两种应力都存在，σ＝σ′＋u，两种应力分布如图中部曲线所示；

③当经历很长时间后，时间t ＝∞，此时孔隙水压力u ＝０，有效应力 σ′＝σ，两种应力分布如图左侧竖直线所示。