将土样加入一定量的水充分混合搅拌均匀形成初始含水率为2倍液限的黏流体,然后采用质量控制法将泥浆注入固结仪中成型,试样直径6 cm,高2 cm.
相应温度条件下的有效竖向应力通过式(1)计算得到:
式中:σ′为有效竖向应力(kPa);σ为总应力(kPa);ue为超静孔隙水压(kPa).
式中:K为渗透系数;ρw为水的密度;g为重力加速度;H0为试样的初始高度;Ht为固结过程中t时刻对应的试样高度.
试验的具体操作步骤如下:①按照操作规程将试样安装到固结仪中,安装好各种辅助设备;②调节恒温水域容器内水的温度至设定值;③施加反压(100 kPa)饱和并进行等温水循环6 h,以保证试样有足够长的时间达到设定温度值;④打开排水阀门让试样在固结压力100 kPa作用下排水固结,直至孔隙水压力消散至稳定.
式中:符号′表示求导数;变量上的一点表示对时间求导数;p为孔隙水压;u为位移;T为温度;εkk表示体积应变;β为热膨胀因子;λ和G为Lame常数;γw为水的重度;α为Biot水力耦合系数;K为渗透系数;qw为渗透流量;αp为介质的总压缩系数;αm为热膨胀系数;θ为热传导系数;T0为参考温度;Qh为热源热量;Qw为水源热量;mw为水的内热容;m为总内热容.
体积为Vw的孔隙水的热膨胀量ΔVw的表达式为
温度对土颗粒引起的热膨胀量可以通过土颗粒和水的密度来间接反映.密度增量可以通过式(10)计算得到:
式中:σc′(T)为温度T条件下的先期固结应力(kPa);σc′(T0)为初始温度T0条件下的先期固结应力(kPa);γ为材料参数(无量纲),γ是热膨胀因子β的函数.
式中:λT与κT分别为正常固结土升温和降温过程中体积变化曲线的斜率;λ为e-lnσ平面内正常压缩线的斜率;κ为e-lnσ平面内回弹线的斜率;e0为初始孔隙比.从式(12)可知,先期固结应力随着温度的升高而减小.不同模型之间的比较将作为作者后续的研究计划,为建立更加精确的热黏弹塑性本构模型提供参考.
渗透系数的表达式可写为
式中:K为渗透系数;k为孔隙介质的渗透率,它只与固体骨架的性质有关; η为黏度;ρ为流体密度;g为重力加速度.
从式(13)可以看出,温度对渗透系数的作用是通过黏度的改变反映的.温度与黏度成反比例关系.
黏度是流体黏滞性的量度,用于表示流体流动力对其内部摩擦现象.流体的黏度越大,则表示流体流动时产生上述内摩擦力越大,流体的流动性越差.温度越高,水溶液的黏度越低,越容易被排出,渗透系数越大,超静孔隙水压的消散越快.
另一方面,温度荷载作用下,吸附在土颗粒周围的水分子因获得更高的势能而被激化,导致水分子脱离土颗粒的约束,游离出吸附水膜,造成水膜的厚度减小,孔隙水流通的通道变大,渗透性进一步增强.所以超静孔隙水压随着温度的升高而减小.
式中:mT为与土的性质无关的参数;βT为与渗透系数有关的参数.对两种黏土不同温度条件下的渗透系数进行拟合得到:C-1:K(T)=1.063 51×10-11T0.551 83;C-2:K(T)=1.816 03×10-12T0.719 47.
1)渗透系数随着孔隙比的减小而减小.随着孔隙比的减小说明单位体积内所包含的孔隙体积减小,孔隙水流通的通道变小,故渗流系数减小.
1)温度对土颗粒的膨胀作用和孔隙比的收缩作用影响较小.
2)高温条件下压缩指数较低温条件下有减小的趋势,这是因为高温作用下发生热膨胀,一定程度上阻碍了变形的发生.但渗透性的增强使得该现象逐渐减弱.
3)随着温度的升高,先期固结应力均随之减小.通过反分析得到了两种黏土的材料参数γ.材料参数γ越大,相同温度下的归一化的先期固结应力越小.
4)超静孔隙水压随着温度的升高而减小.这是因为温度的改变引起了渗透系数的改变.温度越高,其渗透系数越大.温度越高,水溶液的黏度越低,越容易被排出,超静孔隙水压的消散越快.
5)渗透系数随着孔隙比的升高而升高.粒径较大的试样的渗透系数大于粒径较小的试样的渗透系数.