太沙基一维固结模型在《土力学与地基基础》中的应用

土体在固结过程中，若渗流和变形均沿一个方向发生，则称此为一维固结问题。土样在压缩试验过程中所经历的压缩过程以及地基在无限大面积均布荷载作用下的固结就是典型的一维固结问题。

1923年，太沙基对饱和土体的渗透固结提出了如图4-3所示的物理模型，形象地阐述了饱和土体的渗透固结过程。模型是由弹簧和带孔活塞组成的充水容器，容器的侧壁和底部均不能透水，利用侧壁上的测压管显示容器内水的压力水头。与容器相连的弹簧代表土骨架，弹簧刚度的大小代表土压缩性的大小，容器中的水相当于孔隙中的自由水。与弹簧顶部相连的活塞有许多透水小孔，模拟土孔隙中的排水条件，孔径愈大，象征着土的竖向渗透性愈大。容器是刚性的，活塞只能沿侧壁作竖向运动，当活塞受荷载作用后下移时，水也只能向上从活塞上的小孔排出，弹簧只能做竖向的压缩，象征饱和土体的渗透固结时，发生的渗流和变形是一维的。此时，容器中水承担的力为孔隙水压力u，弹簧承担的应力相当于有效应力σ′。

图4-3　饱和黏性土渗透固结过程模型

现在分析当模型顶面的活塞受到均布压力σ 作用后其内部的应力变化及弹簧的压缩过程，即饱和土体的固结过程。

活塞上无压力作用时，活塞的重量已由弹簧承担，测压管的水位与容器中的静水位齐平，无压力水头产生，相当于土体在自重作用下已经完成固结的初始状态。此时，弹簧承受一定的应力，容器中的水也承受一定的孔隙水应力。

当模型顶面的活塞受到均布压力σ 作用时，就会产生附加应力，该附加应力要么由孔隙水承担，要么由弹簧承担，或者两者共同承担。(www.xing528.com)

当均布压力σ 施加的一瞬间，即t＝0时，容器中的水来不及从活塞小孔中排出，活塞未下降，弹簧无变形，有效应力σ′＝0测压管中显示有超出静水位的压力水头h0，这说明施加的均布压力完全由活塞下的水来承担，u＝σ。因此，孔隙水承担的这部分应力也被称为超静水压力。此时，测压管中的水位高出容器中的静水位的高度为h0＝σ/γw。

随着受压时间的延续，容器中的水在超静水压力作用下，由下向上逐渐从顶层活塞的排水孔向外排出，从而活塞下降促使弹簧压缩而受力，即t＝t1时，测压管显示的压力水头相继下降，说明孔隙水承担的压力u在逐渐减少，u＜σ。与此同时，弹簧相应压缩承担了孔隙水所减少的那部分压力，有效应力σ′＞0。此时，均布压力由弹簧和孔隙水共同承担，即σ＝σ′＋u。

随着孔隙水不断排出，活塞继续下降，测压管的压力水头愈来愈小，而弹簧承受的压力愈来愈大。最后，当t趋于无穷大时，测压管中的压力水头完全消失，水位恢复到与容器中静水位齐平的位置，即u＝0，仅剩下静水压力，均布压力全部由弹簧承担，σ′＝σ，如表4-1所示。容器中的水不再向外排出，活塞不再下降，弹簧压缩稳定，至此固结过程完成，压缩变形达到该均布压力的最终数值。

表4-1　饱和土一维渗透固结过程中的应力与变形变化规律

注：在任意时刻，σ＝σ′＋u，服从有效应力原理。

由此可以看出，饱和土的渗透固结不仅是孔隙水逐渐排出、变形逐步发展的过程，也是超静水压力不断转化为有效应力的过程，或者超静水压力不断消散、有效应力逐渐增长的过程。