土层排水固结过程中孔隙水应力的消散和有效应力增长

土在压力作用下体积减小的性质叫做土的压缩性。土体压缩的原因可能有三种：①土粒本身的压缩；②孔隙中水和气体的压缩，③水、空气所占据的孔隙体积的减小。

水是不可压缩的，土粒的压缩性极小，可忽略。因此，土的压缩，即其体积的减小主要是由水、空气所占据的孔隙体积的减小。孔隙体积的减小，必须借土粒的移动和重新排列，水和空气部分地从空隙中被挤出，封闭气体被压缩，才能实现。此外，土粒的移动、靠拢及孔隙水的挤出，需要经历一定的时间才能完成，因而土的压缩变形也需要持续一定时间才能趋于稳定。

对于饱和土，孔隙全被水充满，是由土颗粒和孔隙水组成的两相体，只有挤出孔隙水，孔隙体积才会减小。所以饱和土的压缩量等于孔隙中水被挤出的体积，由于水被挤出，使土变得紧密，这种过程叫做土的渗透固结。所谓“固结”是指土体随着土中孔隙水的消散而逐渐压缩的过程。也就是土体在外加压力作用下，孔隙内的水徐徐排出而使土体受压缩的过程。

图6.4.1 两种应力

饱和土土颗粒间的孔隙被水所充满，孔隙是连续的，所以孔隙水也是连续的，并且与地下水自由连通。取土体中某一局部，如图6.4.1所示，当这局部剖面上承担着由外荷载所引起的应力σ时，这应力σ是由土颗粒和孔隙水共同承担的。通过土粒接触点传递的应力用σ′表示，通过孔隙水传递的应力用u表示。

当饱和土体受到外界压力作用时，孔隙中的一部分自由水将随时间而逐渐向外渗流（被挤出）；原来全部由孔隙水承担的土中压力逐渐传递给土骨架一部分，剩下的部分仍由孔隙水承受。这种现象叫做骨架和孔隙水的压力分担作用。

由骨架承受的压力能使土骨架的形状和体积压密而变形，也能使土粒之间在有滑动趋势时产生摩擦，从而使土体具有一定的抗剪强度，所以骨架承受的压力叫做有效压力。

由孔隙水承受的压力只能使每个土粒四周受到相同的压强，它既不改变土粒的体积，也不改变土粒的位置；它对土体既不能产生变形，也不能产生抗剪强度，因此这种压力叫做孔隙水压力。

图6.4.2 饱和黏性土渗透固结模型

当饱和土体仅受自重作用时，孔隙中的水只产生静水压力，这时孔隙水压力u=0。

超静水压力是指由外荷在孔隙水中引起的压力。当饱和土体受到外界压力作用时，土颗粒和孔隙水共同承担外界压力，孔隙中的水压力u必然要超过静水压力，所以孔隙水压力又叫做超静水压力。

下面用图6.4.2所示的饱和黏性土渗透固结模型对土的受力情况再加以说明。

在一个盛满水的圆桶中，装一个带有弹簧的活塞，弹簧表示土的颗粒骨架，容器内的水表示土中的自由水，带孔的活塞则表征土的渗透性。活塞上作用均布荷载p，这荷载p使饱和土中任意点产生总应力σ=p。设其中的弹簧承担的应力为有效应力σ＇，圆桶中的水承担的应力为孔隙水应力u，按照静力平衡条件，

σ=σ′+u （6.4.1）(www.xing528.com)

或σ′=σ-u （6.4.2）

上式表明，饱和土中任意点的总应力σ总是等于有效应力σ′与孔隙水应力u之和，这就是有效应力原理。

用渗压模型来讨论饱和黏性土渗透固结的过程，如图6.4.3所示。

图6.4.3 饱和黏性土渗透固结过程模型

a）未加载 b）t=0 c）t＞0 d）t→∞

①活塞上未加载时，水和弹簧均未受力，测压管显示静水压力而无压力水头，如图6.4.3a所示。

②当时间t=0时，即活塞顶面骤然受到压力p作用的瞬间，水来不及排出，弹簧没有变形和受力，压力p使任意点产生的总应力σ=p全部由水来承担，即：u=p，σ′=0。测压管中显示出有超出静水位的压力水头h₀=p/γ_w，如图6.4.3b所示。

③当时间0＜t＜∞时，随着荷载作用时间的迁延，水受到压力后开始从活塞排水孔中排出，活塞下降，弹簧开始承受压力σ′，并逐渐增长；相应地u则逐渐减小。总之，u+σ＇=p，而u＜p，σ′＞0。测压管显示的压力水头也逐渐下降，如图6.4.3c所示。

④当时间t→∞时（代表“最终”时间），水从排水孔中充分排出，孔隙水压力完全消散，活塞最终下降到p全部由弹簧承担，饱和土的渗透固结完成。即：σ′=p，u=0。测压管水头完全消失，如图6.4.3d所示。

由上述分析可知，土层的排水固结过程即是土中孔隙水应力的消散和有效应力增长的过程，即两种应力的相互转换过程。这个过程可表述如下：

荷载施加瞬间：t=0，σ=σ′+u=u

渗流过程中：0＜t＜∞，σ=σ′+u

渗流终止时：t=∞，σ=σ′+u=σ′

上述渗压模型说明了土中一点的应力随时间的转化过程，即在渗透固结过程中，随着孔隙水压力逐渐消失，有效应力逐渐增大，土的体积逐渐减小，强度不断提高。