连续排水边界下非线性饱和土体一维热固结解析解

苗 青，闻敏杰，宗梦繁，田 乙，吴文兵,，梅国雄

(1.中国地质大学 工程学院，武汉 430074；2.浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心，杭州 310058)

土体的渗透系数及体积变化均会不同程度地受到温度的影响，同时，渗透系数及体积变化规律也会影响土体的固结过程，因此，温度的改变对土体固结理论的影响不容忽视。Passwell[1]通过试验发现了土体体积会受到温度的影响，较早地提出了土体热固结的概念。Booke等[2-3]推导了点热源和球热源影响下的土体内温度场和超静孔压分布解答。随后软土地基热排水固结处理技术的提出[4-6]，进一步促进了考虑温度效应的土体固结理论的发展，如考虑变荷载作用[7-8]、天然地基成层性[9]、土体流变特性[10]等对土体一维热固结的影响作用。但以上研究均假定土体在固结过程中土性(压缩和渗透)参数保持不变，事实上这样的假定并不能反映土体真实的力学特性。

考虑到土体的非线性特性，Davi等[11]基于e-lgσ′关系，假定固结过程中渗透系数与体积压缩系数同步变化且自重应力沿深度保持不变，获得了土体一维非线性固结解析解。Xie等[12-13]在Davis和Raymond的假定基础上推导了单级加载下单层及双层地基一维非线性固结解析解；随后求解了循环荷载的单层地基一维非线性固结问题[14]。Chen等[15]利用DQM法求解了成层地基非线性固结问题。但目前综合考虑温度影响和土体非线性的固结研究较为少见。Liu等[16]基于Davis和Raymond的假定，推导出了考虑二次固结和温度耦合效应下的一维非线性热固结方程，得到了温度对土体固结的影响关系。郭志光等[17]考虑热-水-力耦合过程，建立了饱和土热固结的非线性模型并获得数值解。白冰等[18-19]基于多孔颗粒材料的粒子重排原则，建立了热-水-力学本构模型，并利用改良的温控三轴装置，研究了热循环作用下土体的变形作用。以上固结问题的研究均沿用了Terzaghi一维固结理论中的边界条件，即假设土体边界为完全透水和完全不透水。在该边界条件下，土体边界处的孔压会瞬时完成消散，并不能反映土体边界孔压的时间效应。

实际上，土体边界属于土体的一部分，其孔压的消散规律也应该服从一般的固结规律——孔压随时间逐渐消散。由此看来，自然排水边界的透水性应该介于完全透水和完全不透水之间。Gray[20]较早地认识到此客观事实，并基于此提出了一种半透水边界。但半透水边界的形式较为复杂，很难得到相应的固结解析解。白冰等[21]引入了一种与时间有关的“半渗透性”边界条件，求解了饱和孔热弹性球体的不可逆固结问题，推导出了球体与球腔在承受可变机械和热载荷时的分析解。为了考虑边界孔压的时间效应，梅国雄等[22-23]提出一种能够反映排水面处超静孔隙水压力随时间逐渐消散的连续排水边界，并基于连续排水边界推导出了瞬时荷载下一维固结解析解。Wu等[24]基于连续排水边界，分别研究了双层地基及成层地基一维固结特性。随后，不同学者进一步考虑土体非线性[25-27]、变荷载[28]、非饱和[29]等特性，对连续排水边界下土体一维固结特性进行了研究。宗梦繁等[30-31]基于Davis和Raymond的假定，获得了连续排水边界下单层及双层地基一维非线性固结解析解。然而，目前关于连续排水边界下的土体一维非线性固结理论研究鲜见考虑温度效应的影响。

在实际工程中，有时土体会受到温度的影响，如供热管道设计、地热资源开采、高放射性废弃物处理等，因此，考虑土体的温度效应至关重要。本文在考虑土体非线性变形和渗透特性的基础上，同时考虑边界孔压的时间效应，建立了连续排水边界条件下一维非线性土体热固结模型。采用分离变量法和Laplace变换得到相应的固结解析解。基于所得解析解，通过参数敏感性分析，深入探究连续排水边界条件下一维非线性土体热固结性状。

1 基本问题

1.1 固结模型的建立

如图1所示，h为土体厚度，q0为瞬时施加的大面积无限均匀分布的外荷载，Ts为无限均匀施加于土层顶面的温度增量。土层顶面为连续排水边界并且可进行热交换，土层底面为不透水边界并且绝热。土层的初始有效应力均匀分布。

图1 地基固结模型

根据线性热应力理论，由应力变化引起和由温度变化引起的土体变形可以线性叠加[30]。因此,孔隙比的变化包括由有效应力引起和由温度引起两部分组成，其中，由有效应力引起的部分为

(1)

由温度引起的孔隙比变化表达式为

eT=e1-ΔeT=e1+aθ(1+e1)

(2)

式中:θ为温度增量，a为土的线性膨胀系数，eT为温度引起的孔隙比表达式，ΔeT为温度引起的孔隙比变化。

总的孔隙比变化为

(3)

采用Liu等[16]提出的固结过程中孔隙比的变化与有效应力为对数关系假定，孔隙比表达式为

(4)

式中：CcT为考虑温度影响后的压缩指数，包括荷载作用和温度作用下e-lgσ′曲线的斜率。

同时认为固结过程中孔隙比的变化与渗透系数为对数关系[16]，孔隙比与渗透系数表达式为

(5)

式中：kv和kv0分别为渗透系数和初始渗透系数，CkT为考虑温度影响后的渗透指数。

由式(4)和(5)知

(6)

假定土体中渗流服从达西定律

(7)

式中：v为渗透流速，i为水力坡降，u为超静孔隙水压力，z为土体深度方向，γw为水的重度。

土体体积变化为

(8)

式中:V为土体体积，t为时间，x和y分别表示水平x方向和y方向。

由于饱和土在固结过程中土体体积变化与水流流量变化相等，有

(9)

由式(8)和(9)可得

(10)

根据有效应力原理

σ′=σf-u

(11)

式中σf为土体所受总应力。

将式(11)和(7)代入式(10)，可得

(12)

热传导方程[8,16]为

(13)

式中：C为土体的体积热容，K为土的导热系数。

C=(1-n)ρscs+nρwcw

(14)

K=(1-n)λs+nλw

(15)

式中：n为土体的孔隙率，ρs和ρw分别为土颗粒密度和水的密度，cs和cw分别为土颗比热容和水的比热容，λs和λw分别为土颗粒热传导系数和水的热传导系数。

由于一维非线性固结方程较为复杂，很难求得解析解，Davis[11]在求解一维非线性固结方程时，假定压缩指数与渗透指数比等于1。此外，根据Li等[30]的研究发现，一般土的压缩指数和渗透指数较为接近，故假定CcT/CkT=1，则式(12)为

(16)

式中cv为固结系数，表达式为

(17)

mv0为初始体积压缩系数，表达式为

(18)

方程求解条件为

(19)

式中α为连续排水边界的界面参数。

1.2 模型求解

定义无量纲参数

同时令

(20)

将以上无量纲参数代入式(16)，可得

(21)

设

θ1=θ-Ts

(22)

则式(13)和求解条件(19)可化为

(23)

根据特征函数法可得

(24)

其中

(25)

将式(24)代入式(22)，可得温度增量表达式为

(26)

令

(27)

将式(27)代入式(21)，可得

(28)

结合有效应力原理(式(11))，将式(27)代入式(19)并齐次化可得

(29)

其中

(30)

为了进一步将边界条件齐次化，令

ω=v+ωα(Tv)

(31)

将式(31)代入式(28)，固结方程式(28)和求解条件(29)可齐次化为

(32)

其中

(33)

由特征函数法，设方程(32)解的形式为

(34)

(35)

其中

(36)

将式(34)和(35)代入式(32)可得

(37)

考虑式(37)的恒等性，可得

(38)

将式(38)进行Laplace变换可得

sVn(s)+M2Vn(s)=Fn(s)

(39)

其中Vn(s)和Fn(s)分别为vn(Tv)和fn(Tv)的Laplace变换式。

由式(39)可得

(40)

对式(40)进行Laplace逆变换可得

(41)

令

(42)

(43)

则式(41)可进一步转化为

(44)

将式(44)和(30)代入式(31)可得

(45)

1.3 平均固结度解答

按沉降定义的平均固结度为

(46)

按孔压定义的平均固结度为

(47)

1.4 土体沉降解答

土体沉降表达式为

(48)

2 与现有解答的对比分析

2.1 解答的退化验证

图2 不考虑热应力时不同Nσ下的超静孔隙水压力曲线

图3 考虑热应力时不同Nσ下的超静孔隙水压力曲线

2.2 不同解答下的固结特性对比分析

图4对比了不同解答下得到的超静孔隙水压力，其中，Liu解[16]为基于Terzaghi边界考虑热应力作用得到的一维非线性固结解析解，宗梦繁解[26]为基于连续排水边界得到的一维非线性固结解析解，Davis解[11]为基于Terzaghi边界得到的一维非线性固结解析解。对比本文解与宗梦繁解[26]以及Liu解[16]与Davis解[11]可以发现，当边界条件相同时，考虑热应力作用得到的超静孔隙水压力更小，说明热应力作用可以促进土体超静孔隙水压力的消散。对比分析本文解与Liu解[16]以及宗梦繁解[26]与Davis解[11]可以发现，连续排水边界下的超静孔隙水压力大于Terzaghi边界下的超静孔隙水压力，这是由于连续排水边界是一种阻碍型的排水边界，当边界孔隙水排出受阻时，会导致超静孔隙水压力消散速率变慢。

图4 不同解答下超静孔隙水压力曲线

图5对比了不同解答下按沉降定义的平均固结度。可以看出，当边界条件相同时，考虑热应力作用得到的土体固结速率更快，说明热应力可以促进土体的固结。此外，当热应力条件相同时，连续排水边界下的固结速率小于Terzaghi边界下的固结速率，这是由于Terzaghi边界假定为完全透水边界，土体可以快速排出孔隙水，土体的固结速率更快。

图5 不同解答下Us曲线

图6对比了不同解答得到的沉降曲线。当边界条件相同时，考虑热应力作用得到的最终沉降量更小，这是由于随着温度的升高，土体会发生膨胀，导致土体的最终沉降量会小于不考虑热应力时的最终沉降量。在温度荷载及其他参数不变的条件下，只改变边界排水性能，土体的最终沉降量相同，说明边界条件对土体最终沉降量没有影响。此外，连续排水边界下的沉降速率小于Terzaghi边界下的沉降速率，这是由于连续排水边界会阻碍孔隙水的排出，从而导致土体沉降速率降低。

图6 不同解答下的土体沉降曲线

3 参数敏感性分析

基于本文解答，对模型进行参数的敏感性分析，从而探究连续排水边界条件下的非线性饱和土体一维热固结特性。基本参数取值与上节相同。

图7分析了土体深度为土体总深度一半时温度增量Ts对超静孔隙水压力的影响。可以看出，温度增量Ts越大，土体孔压越小，超静孔隙水压力消散速率越快。说明提高温度可以促进孔隙水压力的消散。

图7 Ts对超静孔隙水压力曲线的影响

图8反映了温度增量Ts对按沉降定义的平均固结度的影响。可以看出，当温度增量Ts增大时，土体的固结速率会加快，说明提高温度可以促进土体的固结沉降。

图8 Ts对Us曲线的影响

在连续排水边界中，界面参数α反映了土体边界的排水能力，α越大，边界排水能力越强[19-20]。图9分析了界面参数α对按沉降定义的平均固结度Us的影响。可以看出，界面参数越大，土体的排水能力越强，越接近Terzaghi排水边界条件。当界面参数α=100时，图像与Liu[16]十分接近，因此，α的取值应为0～100。连续排水边界条件可以通过调整界面参数的取值模拟不同排水性能的边界条件，这是传统Terzaghi边界条件不能够达到的效果。

图9 α对Us曲线的影响

图10分析了κ/cv对按沉降定义的平均固结度的影响。κ/cv为热扩散系数与固结系数的比值，其值越大代表热扩散系数所起的作用越大。可以看出，在固结前期，随着κ/cv的增大，热扩散作用增强，固结速率明显增大，平均固结度曲线逐渐偏离宗梦繁解[26]得到的平均固结度曲线，但后期所有曲线达到完全固结所用的时间近似相同，说明改变κ/cv主要会在固结前期加快固结速率，但对平均固结速率没有太大影响。

图10 κ/cv对Us曲线的影响

图11分析了非线性参数Nσ对按沉降定义的平均固结度和按孔压定义的平均固结度的影响。可以看出，随着Nσ的增大，土体所受的施加荷载增大，按沉降定义的固结度会随着施加荷载的增大而速率增大，但按孔压定义的固结度会随着施加荷载的增大而速率降低，这是由于施加荷载的大小会同时影响土体的渗透系数和体积压缩系数[32]，这两个系数对土体的影响作用相反但随Nσ的变化相同。因此，在不同的定义下，由于两个系数所起作用的大小不同，呈现的变化规律不同。

图11 Nσ对固结度曲线的影响

4 结 论

1)本文所得解严格满足初始条件，并且退化结果合理适定，具有明确的物理意义。还可通过调节温度增量Ts和界面参数α来近似模拟热应力作用和土体的透水性，使解答更具有普适性。

2)热应力作用可以促进孔隙水压力的消散，提高土体固结速率，减小土体的最终沉降量。

3)对参数进行敏感性分析可知，当温度增量Ts增大或界面参数α增大时，土体的排水能力增强；反之，土体排水能力减弱。

4)当温度增量Ts增大或热扩散系数与固结系数的比κ/cv增大时，土体的固结速率增大，但Ts增大提高的是整个固结过程的固结速率，而κ/cv的增大主要是提高土体的前期固结速率，对总固结速率影响不大。当非线性参数Nσ增大时，两种不同定义下的固结速率变化趋势相反，按沉降定义的固结速率提高，按孔压定义的固结速率降低；当Nσ减小时，按沉降定义的固结速率降低，按孔压定义的固结速率提高。