王海波--土的流变特性及其在工程中的应用

一、土的流变研究现状
变现象做定量的分析，这方面的研究成果很多， 进展也较快。例如，河海大学的詹美礼、钱家欢教 授通过对上海软粘土流变特性的研究提出了一个带 双屈服面的流变模型。沈珠江院士提出了三参数流 变模型。孙钧院士通过深入的理论研究与大量室内 蠕变和松弛试验，对三种软土分别建立了各自的流 变本构模型并且拟合出了模型中的参数值。 在土的微观方面，认为土的流变特性是因土 粒子骨架的微细变化引起的，从土的物质成分、土 的微观构造的变化和机理来推导出整体的流变特性。 在这一方面 , 国外的学者如太沙基、普什、波迪斯、 陈宗基、马斯特等人提出过很多微结构模型和新概 念。但由于理论不足、研究手段、设备的不成熟和 不完善，只能做定性的研究。定量的描述成果极为 少见或者成果缺少重现性。
2.2 土蠕变机理 2.3 影响土流变性质的因素 2.4 土的流变理论 2.5 土的流变模型 2.6 土流变问题的解析
二、岩土流变的基本理论
2.1 岩土流变学研究的内容
岩土的流变学就是研究岩土的变形、强度与时间 的关系，一般包括以下几个方面。 2.1.1 蠕变 在恒力作用下，变形随时间增长的过程。蠕变方 程用和相应的蠕变曲线来表示。
二、土流变的基本理论
2.3.5 应力大小的影响
应力偏小，则只出现衰减蠕变阶段，若应力中等， 则出现衰减蠕变和等速蠕变阶段，若应力较大，则 具有明显的蠕变三阶段，若应力极大，则直接进入 加速蠕变变形阶段。如图2-3 所示。
图2-3 应力对蠕变变形的影响
二、土流变的基本理论
2.4 土的流变理论
流变理论是建立模型理论的基础，根据目前国内
三、土的流变试验研究
图3-1 分别加载得到蠕变（松弛）曲线
三、土的流变试验研究
分级加载，就是利用一台试验仪器，利用一个试 样，在这一个试样上逐渐加上不同的应力，即在一级 应力下蠕变经历给定的时间或达到稳定后，将应力水 平提高到下一级的水平，直到达到所需的应力水平。 但实际应用中需采用Boltzmann叠加原理将图3-2转化 为图 3-1 所示的形式。这种加载方式虽然建立在线性 叠加原理的基础上 ,但由于采用单个试件 ,避免了结果 的离散性,同时也节省了时间和资金。因此,该法室内 试验广为采用。
二、土流变的基本理论
2.6 土流变问题的解析
将流变研究应用到实际工程 , 必须先解决本构方程的解析 问题。土流变问题的解主要有解析解和数值解。
2.6.1 解析解
解析解的方法是采用对应性原理 , 积分变化（Laplace）技 术得到解析解。但由于土流变问题比较复杂，只有那些简单 的问题及流变模型，才能得到真正的解析解。另外对应性原 理只对线性粘弹性问题有效。因此，解析解有很大的局限性。
土的流变基本理论
2.5.4 微分模型 该模型理论的出发点是根据理想的弹性、粘 性、塑性元件组合成各种不同的模型 , 由各组合元 件的基本性质以及组合关系 ,推导出模型的本构方 程 , 然后通过试验资料来确定模型中的各个参数。 这类模型主要有: Mexwell模型、Kelvin模型和广义 Kelvin 模 型 、 Burgers 模 型 、 Bingham 模 型 和 广 义 Bingham模型、西原模型等。
三、土的流变试验研究
图3-2 分级加载下得到蠕变（松弛）曲线
三、土的流变试验研究
3.2.2 时间尺度效应问题
流变是个时间效应问题 , 在试验过程中存在时间尺度效应
问题。由于时间尺度的选取不同 ,同样的试验结果会得到不同 的结论。如图3-3所示,时间尺度的选取,取决于土体本身的流变 特性 ,也取决于试验条件要求等许多方面的因素。室内试验多 采用分级加载,加下一级荷载的标准一般是在某级应力水平下 , 蠕变变形稳定以后或蠕变达到预期要求的时间。由于时间尺 度效应问题 ,它对分级加载流变试验中何时加下一级荷载的标 准起着关键的作用。一般根据具体试验确定。根据大量的文 献,对于加下一级荷载的标准为连续5天的总变形量小于 0.01mm 或等速流动时连续观测 30-60 天 , 对于松弛试验 , 连续 24 小时内应力值变化小于1%或连续观测15-40天。
2.6.2 数值解 数值解主要是采用它对整体平衡方程的影响达到对弹性问 题的修正。随着电子计算机高速发展，土流变的数值解发展很
二、土流变的基本理论
快，数值解的采用给流变研究的应用带来了生机。 土流变问题数值解所采用的技术主要有有限元法、无 限元法、边界元法、有限差分法以及各种方法的耦合 等。
三、土的流变试验研究
三、土的流变试验研究
3.1 试验设备
3.2 试验方法
3.3 绘制试验曲线
三、土的流变试验研究
3.1 试验设备
流变试验是了解岩土体流变力学特性的最重要的手段，试 验研究的成果是流变本构模型研究的基础。因研究的侧重点 不同，流变试验可分为微观试验和宏观试验。而宏观试验又 可分为现场试验和室内试验。 微观试验研究方面一般是借助光学显微镜或扫描电子显微 镜观察土的细微结构，有的文献介绍，通过加工制作的简易 加载装置 ，用高倍光学显微镜观察了土的蠕变的动态过程。
现场试验主要是十字板剪切蠕变仪。
室内试验的试验仪器主要有直接剪切蠕变试验仪、扭转和 单剪蠕变仪、单轴压缩蠕变仪、三轴蠕变试验仪。
3.2 试验方法
3.2.1 加载方式
来自百度文库
三、土的流变试验研究
室内蠕变试验采用的加载方式有分别加载和分 级加载两种。分别加载是指在同一时间，利用多台完 全相同的仪器，在完全相同的试验环境下，对多个完 全相同的土样，分别在不同的应力水平下，进行试验， 这种加载方式能够得到蠕变的全过程曲线，这种加载 方式得到的蠕变曲线，有利于蠕变模型的识别和提供 完整的试验数据。但无法保证试验仪器、试验条件以 及各个土样的完全一致性，所以该法在国内外的室内 蠕变试验中应用的较少。试验曲线如图3-1所示
四、流变理论在土木工程中的应用
即 由此得到不同应力时的直线斜率和截距。
图４–１滑坡示意图
图４–２土的蠕动和流动曲线
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2.3 影响土流变性质的因素
土的流变性质受许多因素的影响，在不同的条件
二、土流变的基本理论
下，显示出不同的性状，其主要影响因素有： 2.3.1 矿物成分的影响
粘粒的含量越多，塑性指数越大，流变性质越 显著。
2.3.2 含水量及孔隙水性质的影响 含水量越大，结合水膜越厚，结合水粘性越大， 流变性质越明显。
三、土的流变试验研究
图3-3 不同时间尺度的蠕变曲线
三、土的流变试验研究
3.3 绘制试验曲线
根据试验测得数据，可以得到不同应力水平下的蠕变曲线、 流动曲线。
四、流变特性在土木工程中的应用
四、流变特性在土木工程中的应用
目前流变理论已广泛应用于边坡稳定、堆石坝体稳定变形、
滑坡滑动带土的加固，软基加固、地基沉降, 隧道开挖时围岩 与地表的沉陷等分析中 ,也有的文献将流变理论应用到建筑物 的纠偏中。这里只介绍一下考虑土的流变的土坡稳定分析。 钱家欢提出了先按常规方法验算土坡的稳定性,然后估算土 坡稳定性随时间的发展情况。设土坡由两层土组成,如图4–1所 示。计算前,对每层土进行三轴固结不排水剪切试验测得如图 4–2(a)所示的蠕变曲线。由不同剪应力作用下的稳定蠕变速率, 绘制出流动曲线如图4–2(b)所示，并用如下宾哈姆方程拟合，
2.3.3 温度的影响
常规试验中，一般不考虑温度对土的性质影响。
二、土流变的基本理论
实际上，温度变化的将导致含水量、孔隙水的 粘滞性和压力的变化，从而影响土的流变性。温度 越高，蠕变量越大，应力松弛越小。
2.3.4 应力历史及应力路径的影响 试验研究表明，同样大小偏应力作用下，平面 应变试验和轴对称三轴试验测得的蠕变曲线及破坏 时间是不同的，因此土的流变性质受应力的路径影 响。
外文献及专著的叙述，流变理论包括模型理论 、 遗
传流变理论、老化理论、流动理论、硬化理论 、 速 率过程理论、工程比拟法 , 共七类，模型流变理论构 造简单，原理显而易见，在工程中应用的最为广泛。
二、土流变的基本理论
2.5 土的流变模型
模型是指对于一组材料特别是粘弹性材料的一 组关于材料性质的基本假定 ,它可以是微观的,也可以 是宏观的。纵观各国学学者提出的岩土材料的流变 本构模型,从形式上分为: 微分模型、积分模型、经验 模型、屈服面模型。 2.5.1 积分模型
一、土的流变研究现状
因此，进行土体的流变特性的研究，就必须综 合以上两种研究方法，将宏观与微观相结合，理性 与物性相结合，探讨土体的微观、细观结构与宏观 流变特性的内在联系及相关规律，从机理上进一步 深化认识岩土流变发生和发展条件。
二、土流变的基本理论
二、土流变的基本理论
2.1 土流变学研究的内容
积分模型属于数学模型,它是根据材料的实际流 变性质和数学上处理的方便 ,建立起来的流变方程的 数学形式。
二、土流变的基本理论
2.5.2 经验模型
经验模型主要应用具体工程中。
2.5.3 屈服面模型 实际上大多数粘土在塑性部分在表现出显著的 粘性,所以屈服面流变模型理论认为与弹性部分时间 无关,为弹粘塑性模型。屈服面模型可以分为单屈服 面模型、双屈服面模型、边界流变模型和连续面模 型。
二、土流变的基本理论
大致不变﹔第Ⅲ阶段为加速蠕变阶段，变形速率逐渐增大。 如图2–1所示
2.1.2 松弛
二、岩土流变的基本理论
在变形恒定的情况下应力随时间衰减的过程。 可用松弛方程 及相应的松弛曲线来描述，如图2–2所示
二、岩土流变的基本理论
2.1.3
长期强度
长期强度是岩土在荷载长期作用下所具有的强度。一 般用长期强度线来描述。长期强度线，可以通过各种应 力水平长期荷载试验加以确定。
土的流变特性及其 在工程中的应用
王海波
2007.11.10
重要内容
一、土的流变研究现状
二、土的流变的基本理论
三、土的流变试验研究 四、流变特性在土木工程中的应用

一、土的流变研究现状
一、土的流变研究现状
土是一种三相介质，是具有弹性、塑性和粘滞性 的粘弹塑性体。土的变形和强度受时间的影响是明显 的，这就是土的流变现象。 早在1925年Terzaghi在其著名的《土力学原理》 一书中就已提出了蠕变的概念。在此之后,开展了土 流学不同角度的研究。诸多学者用不同的实验方法研 究土的流变性，并验证Bingham定律对土的适用性,也 提出了许多新的理论。 对土的流变性质的研究是从宏观和微观两个方面 来进行的。在宏观上,将土作为均匀连续体,通过数学、 力学的推导及解析,综合各条件下所表现的流变现象, 以此得出流变方程式,再应用其它一些手段进行计算, 以得到流变方程的数值解或者解析解,从而对流
2.1.4
弹性后效和滞后效应
加荷瞬时弹性变形产生之后，还有一部分变形随时间 增加而产生，这部分变形是可以恢复的但需要一定的时 间。在这个过程中，加荷过程中变形随时间的增加称为 滞后效应；卸荷后变形随时间的恢复称为弹性后效。
二、土流变的基本理论
2.2 土蠕变机理
流变性是固体物质的固有特性，但土体的流变性 并不是固体土颗粒流变性，而只是土的颗粒与颗粒 接触点的性质的反映，土的颗粒之间可以是直接接 触，也可以是通过结合水或其他胶结物相连接。因 此，粗粒土土颗粒的破碎，细粒土之间的接触方式 变化以及结合水膜的变薄，都会导致土体的变形。 这种变形是缓慢的相继发生的。
根据蠕变发展的过程，蠕变可分为衰减蠕变和非
衰减的蠕变；根据是否排水可以分为排水蠕变和非
二、土流变的基本理论
排水蠕变；根据变形的原因，可分为剪切蠕变 和压缩蠕变；根据变形的性质可分为可恢复变形的 蠕变和不可恢复变形蠕变；也可根据变形是否与应 力成正比关系分为线性蠕变和非线性蠕变。 当应力很小时，应变速率很小，岩土将不会因 蠕变而破坏，这种蠕变成为衰减蠕变。当应力很大 时，岩体将发上蠕变破坏，称非衰减蠕变。非衰减 蠕变除瞬时变形外，还包括三个阶段：第Ⅰ阶段为 衰减蠕变阶段，在此阶段变形不断增加，但应变速 率越来越小﹔第Ⅱ阶段为等速蠕变阶段，变形速率