土工离心模型试验固结时间比尺规律的研究

在离心模型试验相似理论中，固结问题的时间比尺为1：n*n，虽然这一比尺关系得到了广泛应用，但也存在一些争议，关键问题就是高重力场条件下土的固结特性和渗流特性与普通重力场条件下是否一致？如果不一致，土的固结特性和渗流特性随离心加速度是怎样变化的？本项目通过大量的离心模型试验，研究高重力场条件下土的固结特性和渗流特性，检验离心模型相似理论关于固结系数和渗透系数的关键基本假定，验证土的固结系数和渗透系数是否与离心加速度有关，从而得出高重力场条件下土的固结系数和渗透系数随离心加速度的变化规律，论证达西定律的适用范围。综合分析试验结果并结合模型相似理论，提出离心模型试验固结时间比尺规律及其适应范围，并经离心模型试验验证。本项研究对澄清固结与孔隙水压力扩散问题的时间比尺关系的一些模糊不清问题，完善离心模型相似理论，推广离心模型试验技术，具有十分重要的理论意义和应用价值。

在离心模型试验相似理论中，固结问题的时间比尺为n*n，虽然这一比尺关系得到了广泛应用，但也存在一些争议，关键问题就是高重力场条件下土的固结特性和渗流特性与普通重力场条件下是否一致？如果不一致，土的固结特性和渗流特性随离心加速度是怎样变化的？通过Biot动力固结方程、Terzaghi固结方程、物理量定义三个途径从理论上建立了固结时间比尺与渗透系数比尺或固结系数比尺的关系，推导出离心模型试验的渗透系数比尺为1/n、固结系数比尺为1、固结时间比尺为n*n。通过大量的离心模型试验，研究了高重力场条件下土的固结特性和渗流特性，检验了离心模型相似理论关于固结系数和渗透系数的关键基本假定，验证了土的固结系数和渗透系数是否与离心加速度有关。不同离心机加速度条件下变水头渗透试验结果表明，离心模型试验渗透符合达西定律，土的渗透系数随加速度的增加而线性增大，证明了离心模型试验渗透系数比尺为1/n。不同离心机加速度条件下固结试验结果表明，土的固结系数与加速度无关，证明了离心模型试验固结系数比尺为1。离心模型试验结果表明，离心模型试验符合Terzaghi土体固结理论，综合分析超重力场土体的渗透特性和固结特性试验结果并结合模型相似理论，当离心机加速度达设计加速度后，离心模型试验固结时间比尺为n*n是正确的。研究成果澄清了离心模型试验中固结与孔隙水压力扩散问题的时间比尺关系的一些模糊不清问题，完善了离心模型相似理论，对推广离心模型试验技术，具有十分重要的理论意义和应用价值。