1、巖土工程研究所土流變學(xué)土流變學(xué)河海大學(xué)河海大學(xué) 巖土工程研究所巖土工程研究所巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述流變是指材料的性質(zhì)、狀態(tài)隨時(shí)間變化的性質(zhì)；流變是指材料的性質(zhì)、狀態(tài)隨時(shí)間變化的性質(zhì)；1 1、流變的概念、流變的概念從應(yīng)力、變形的角度，或者說(shuō)從力學(xué)的角度，土具有三個(gè)特從應(yīng)力、變形的角度，或者說(shuō)從力學(xué)的角度，土具有三個(gè)特性：性：F非線性：包括：應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的非線性；非線性：包括：應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的非線性；變形隨時(shí)間而變化的非線性；應(yīng)力隨時(shí)間而變形隨時(shí)間而變化的非線性；應(yīng)力隨時(shí)間而變化的非線性變化的非線性 F彈性和塑性：經(jīng)典彈塑性理論所描述的彈性和塑性：經(jīng)典彈塑性理論所描述的 F流變性：時(shí)

2、間效應(yīng)。主要包括四種現(xiàn)象（主流變性：時(shí)間效應(yīng)。主要包括四種現(xiàn)象（主要表現(xiàn)）要表現(xiàn)）: :蠕變、應(yīng)力松弛、長(zhǎng)期強(qiáng)度、應(yīng)變?nèi)渥?、?yīng)力松弛、長(zhǎng)期強(qiáng)度、應(yīng)變率效應(yīng)率效應(yīng)巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述我們也正是通過(guò)這些現(xiàn)象來(lái)研究土體流變性我們也正是通過(guò)這些現(xiàn)象來(lái)研究土體流變性由于土體具有流變由于土體具有流變性而表現(xiàn)出的現(xiàn)象：性而表現(xiàn)出的現(xiàn)象：n蠕變：指恒定應(yīng)力下變形隨時(shí)間發(fā)展的現(xiàn)象；蠕變：指恒定應(yīng)力下變形隨時(shí)間發(fā)展的現(xiàn)象；n應(yīng)力松弛：應(yīng)力松弛：一定應(yīng)力狀態(tài)下，保持土體變形不變，應(yīng)力隨時(shí)間一定應(yīng)力狀態(tài)下，保持土體變形不變，應(yīng)力隨時(shí)間而減小的過(guò)程；而減小的過(guò)程； n應(yīng)變率（荷載率）效應(yīng)：應(yīng)變率（荷載率）

3、效應(yīng)：不同的加荷速率，土體表現(xiàn)出不同的不同的加荷速率，土體表現(xiàn)出不同的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度特性；應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度特性； n長(zhǎng)期強(qiáng)度：長(zhǎng)期強(qiáng)度：土體抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間而減小，即長(zhǎng)期的強(qiáng)度小于相土體抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間而減小，即長(zhǎng)期的強(qiáng)度小于相對(duì)瞬時(shí)強(qiáng)度；對(duì)瞬時(shí)強(qiáng)度；巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述 r r0 t I II III 圖1 土體剪切蠕變曲線 1 .11 .1 21 .1 41 .1 61 .1 81 .21 .2 21 .2 41 .2 61 .2 80 .111 01 0 01 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 0 0Tim e (m in)Void ratioIs otro

4、picc ons olidation tes t:pres s ure=100 kPaFitted line f ors ec ondaryc ons olidationCae=0.0106圖圖2 2 土體體積蠕變（次固結(jié)）曲線土體體積蠕變（次固結(jié)）曲線巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述 0 .40 .60 .8105 0 01 0 0 01 5 0 0Tim e (m in)q/q0CUC1CUC5CUC8CUE9CUE5CUE6CUC1-f itCUC5-f itCUC8-f itCUE9-f itCUE5-f itCUE6-f it圖4 某土的應(yīng)力松弛曲線 圖 3 （a）土的蠕變曲線和（

5、b）長(zhǎng)期強(qiáng)度曲線巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述(a) (b) (c) Fig.4.1 (a) Relationship of axial strain versus normalised deviator stress, (b) relationship of axial strain versus normalised porewater pressure, and (c) normalised effective stress paths for OCR=1 test series巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述流變與蠕變之間的區(qū)別：流變是指材料的性質(zhì)、狀態(tài)隨時(shí)間而變化；蠕變是指材料

6、的變形隨時(shí)間而增加；流變包括蠕變，或者說(shuō)流變更一般、范圍更廣。流變-Rheology 蠕變-Creep土的流變性而引起了大量的工程問(wèn)題，許多的工程由于土體流變而破壞失事：粘土地基上擋土墻的位移、邊坡穩(wěn)定性、橋臺(tái)因蠕動(dòng)而變形，碼頭、建筑物基礎(chǔ)、比薩斜塔、Londan粘土是一種典型的流變性較強(qiáng)的土。一般認(rèn)為：軟粘土流變性強(qiáng)，砂性土的流變性弱。巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述 圖4 瑞士土的蠕變引起橋臺(tái)位移（用虛線表示）圖5 在？地區(qū)由于土的蠕變引起的工廠擋土墻的位移巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述Fig.1.1 Tower of Pisa (Italy), (a) section of tow

7、er and geological structure of base of its foundation; (b) variation of settlement S (cm) and mass M (tons) of the tower with time; (c) ring foundation; (d) pressure diagrams at foundation base; (e) pressure diagram at depth of 8 m. (after Meschyan 1995)始建于1350年，高55m，基底壓力497kPa，建成時(shí)就傾斜了2.1m，到1995年，沉降

8、1.5m，傾斜5.58m，沉降速率2mm/年巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述流變學(xué)的基本任務(wù)：研究應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的規(guī)律，換句話說(shuō)，流變學(xué)要回答的問(wèn)題是：在應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間的三維空間內(nèi)，任一點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變值有多大？（蘇）C.C.維亞洛夫認(rèn)為：彈塑性理論：是現(xiàn)象學(xué)的理論，研究宏觀過(guò)程。流變學(xué)：研究宏觀過(guò)程，也研究微觀過(guò)程，也就是說(shuō)重視研究現(xiàn)象的物理實(shí)質(zhì)。 巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述宏觀流變學(xué)：研究實(shí)際物體的流變過(guò)程的外部表現(xiàn)，即那些能借助于一般量測(cè)設(shè)備觀察到的現(xiàn)象（如變形、應(yīng)力等）。它不研究物體的組成和結(jié)果特點(diǎn)，而把物體看作是連續(xù)均質(zhì)的。物體在外力作用下的表現(xiàn)與物體特性之間的

9、關(guān)系是建立在現(xiàn)象學(xué)觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上的。這種觀點(diǎn)不考慮物體中產(chǎn)生的物理過(guò)程，而在宏觀實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立這些過(guò)程外部表現(xiàn)的數(shù)學(xué)描述。微觀流變學(xué)：研究物體的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)特性，以及物體單元顆粒間的相互關(guān)系等問(wèn)題。研究微觀過(guò)程。土的流變特性研究應(yīng)用于兩個(gè)方面：1.剪切蠕變：包括長(zhǎng)期強(qiáng)度；邊坡、擋墻位移、穩(wěn)定2.體積蠕變：建筑物沉降巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述n土體流變學(xué)研究?jī)?nèi)容具體為下面土體流變學(xué)研究?jī)?nèi)容具體為下面4 4個(gè)方面：個(gè)方面：2 2、土土流變學(xué)主要研究重點(diǎn)流變學(xué)主要研究重點(diǎn)（1 1）流變?cè)囼?yàn)研究：）流變?cè)囼?yàn)研究： 通過(guò)試驗(yàn)，研究揭示土體流變規(guī)律。通過(guò)試驗(yàn)，研究揭示土體流變規(guī)律。（2 2）流變本構(gòu)

10、模型建立：）流變本構(gòu)模型建立： 探討用什么樣的本構(gòu)方程去描述土的應(yīng)力、應(yīng)變及時(shí)探討用什么樣的本構(gòu)方程去描述土的應(yīng)力、應(yīng)變及時(shí)間之間的關(guān)系，既要使得本構(gòu)方程能夠準(zhǔn)確反映土的流變間之間的關(guān)系，既要使得本構(gòu)方程能夠準(zhǔn)確反映土的流變特性，又要考慮到實(shí)際工程應(yīng)用的可行性。特性，又要考慮到實(shí)際工程應(yīng)用的可行性。巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述（3 3）本構(gòu)方程的解析：）本構(gòu)方程的解析： 包括方程的解析解和數(shù)值解。在解析解方面，給人包括方程的解析解和數(shù)值解。在解析解方面，給人印象最深的是日本學(xué)者印象最深的是日本學(xué)者SakuraiSakurai；數(shù)值解主要是有限元數(shù)值解主要是有限元法。此外，還有邊界元法、無(wú)

11、限元法以及它們的耦合，法。此外，還有邊界元法、無(wú)限元法以及它們的耦合，有限差分法等。有限差分法等。（4) 4) 工程問(wèn)題的應(yīng)用工程問(wèn)題的應(yīng)用 選用適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)模型和解析方法，解決工程中涌現(xiàn)選用適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)模型和解析方法，解決工程中涌現(xiàn)的各種問(wèn)題，如建筑物的變形和長(zhǎng)期沉降，邊坡和護(hù)岸的各種問(wèn)題，如建筑物的變形和長(zhǎng)期沉降，邊坡和護(hù)岸工程的變形，坑道和隧道的變形等等。工程的變形，坑道和隧道的變形等等。巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述n流變學(xué)作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科始于流變學(xué)作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科始于2020世紀(jì)世紀(jì)2020年代：年代：19221922年年BinghamBingham流動(dòng)和塑性名著的出版，以及流動(dòng)

12、和塑性名著的出版，以及根據(jù)他的倡議，根據(jù)他的倡議，19281928年流變協(xié)會(huì)的成立，標(biāo)志著年流變協(xié)會(huì)的成立，標(biāo)志著流變學(xué)稱為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。流變學(xué)稱為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。n土流變學(xué)：一般認(rèn)為始于土流變學(xué)：一般認(rèn)為始于19531953年的第年的第3 3屆國(guó)際土力屆國(guó)際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)會(huì)議；學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)會(huì)議；3 3、流變學(xué)歷史、流變學(xué)歷史巖土工程研究所第第1節(jié)節(jié) 概述概述n2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代以前，元件流變模型大量涌現(xiàn)；年代以前，元件流變模型大量涌現(xiàn)；這類模型是由理這類模型是由理想元件組合而成。如：陳宗基模型想元件組合而成。如：陳宗基模型(1957)(1957)、MerchantMerch

13、ant模型模型(1940)(1940)、 KeedwellKeedwell模型模型(1972)(1972)、 FolqueFolque模型模型(1961)(1961)、 MexwellMexwell模型模型(19)(19)、 KelvinKelvin模型模型(19)(19)、 BinghamBingham模型模型(1940);(1940);n在這段時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)研究也較多；在這段時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)研究也較多；n7070年代以來(lái)，隨著彈塑性理論的發(fā)展，以年代以來(lái)，隨著彈塑性理論的發(fā)展，以PerzynaPerzyna為代表的土為代表的土體彈粘塑性模型（體彈粘塑性模型（Elastic ViscoPlasti

14、c modelElastic ViscoPlastic model）得到發(fā)展。）得到發(fā)展。Perzyna (1963), Adachi and Oka (1982), Dafalias (1982), Katona (1984), Baladi and Rohanni (1984), Liang and Ma (1992), Sekiguchi (1977), Nova (1982), Matsui and Abe (1985, 1986), Yin and Grahama (1999)3 3、流變學(xué)歷史、流變學(xué)歷史巖土工程研究所粘滯性：液體（或氣體）單元顆粒相互位移時(shí)表現(xiàn)出的抵抗位移的特性。

15、牛頓液體：土的粘度：各種不同介質(zhì)的粘度值變化范圍很大。 空氣：1.810-4泊 水：10-2泊 各種油：0.510泊 地殼：51022泊 土：1061017泊 冰：10101015泊理想粘滯液體（牛頓液體）：a.任意剪應(yīng)力下，剪應(yīng)力速率 ；b. ；c.粘滯流動(dòng)變形不可逆。第第2節(jié)節(jié) 粘滯性粘滯性 一、粘滯性；粘滯流動(dòng)不可逆厘米秒泊達(dá)因2/常數(shù)r 巖土工程研究所土的粘度的測(cè)定方法：可用于進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)的儀器都可用來(lái)測(cè)定土的粘度；土的應(yīng)力和流動(dòng)速度之間的關(guān)系是非線性的；相應(yīng)地粘度也就不是常數(shù)，而是與荷載的大小、時(shí)間有關(guān)。粘度的變化成千倍的量級(jí)，過(guò)程開(kāi)始時(shí)，粘度1091010泊；結(jié)束時(shí)達(dá)1013101

16、4泊。體積粘度 ：壓縮粘度 、剪切粘度 和體積粘度 關(guān)系：第第2節(jié)節(jié) 粘滯性粘滯性 二、土的粘度測(cè)定mvpvv3vv巖土工程研究所第第2節(jié)節(jié) 粘滯性粘滯性 土是力學(xué)性質(zhì)非常復(fù)雜的材料，應(yīng)該被看成非線性的具有彈塑性、粘滯性的介質(zhì)。彈性：表現(xiàn)在土中存在可恢復(fù)的變形；塑性：表現(xiàn)在不可逆的變形的發(fā)展；粘滯性：表現(xiàn)在變形隨時(shí)間而發(fā)展。非線性表現(xiàn)在應(yīng)力變形時(shí)間之間的非線性關(guān)系；三、土的彈塑粘滯特性巖土工程研究所第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變 衰減蠕變過(guò)程和非衰減蠕變過(guò)程假定A：rr0+r(t) 假定B：rr(t)I：初始蠕變階段II：穩(wěn)定蠕變階段III：加速蠕變階段一、蠕變規(guī)律 r r0 t I II II

17、I 圖7巖土工程研究所第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變剪切和三軸壓縮的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果均表明：粘土的蠕變有衰減和非衰減特征之分。對(duì)非衰減型蠕變，其蠕變的三階段也很明顯（大多數(shù)情況如此）。巖土工程研究所第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變 對(duì)應(yīng)于各種的rt曲線稱作蠕變曲線。 或 對(duì)應(yīng)于各種t的曲線稱作等時(shí)曲線 或 tfr,1),(2tfrtr,1tr,2 t2 r 3 t1 2 t=0 1 t 等時(shí)曲線 儒變曲線 圖8巖土工程研究所第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變但也常遇到穩(wěn)定蠕變階段持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，而不出現(xiàn)加速蠕變階段。因此，有人對(duì)加速蠕變是否存在表示懷疑，而認(rèn)為試驗(yàn)中所表現(xiàn)出的加速蠕變是有試驗(yàn)條件所引起，如試樣工

18、作截面的減少，應(yīng)力集中等。有人則認(rèn)為加速蠕變是確實(shí)存在的，是由本身的特性決定的，而非試驗(yàn)條件所致。（蘇）維亞洛夫認(rèn)為：土在蠕變過(guò)程中同時(shí)存在硬化和軟化的過(guò)程。也就是說(shuō)蠕變過(guò)程中，顆粒之間的連結(jié)一方面被破壞，而另一方面又在恢復(fù)。當(dāng)其一方占優(yōu)時(shí)，蠕變表現(xiàn)出衰減或加速。巖土工程研究所試驗(yàn)表明，密實(shí)粘土蠕變顯脆性破壞，破壞前沒(méi)有明顯的穩(wěn)定蠕變階段。研究表明：顆粒之間的結(jié)構(gòu)連接對(duì)土體蠕變性狀有較大影響。以水膠連結(jié)為主的（凝聚結(jié)構(gòu)）塑性土具有典型蠕變曲線的所有變形階段，長(zhǎng)期強(qiáng)度只占短期強(qiáng)度的4070%。第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變?cè)谟谢旌系?、凝聚的和結(jié)晶連接的密實(shí)粘土中，衰減變形階段占優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期強(qiáng)度占短期

19、強(qiáng)度的7080%，且多直接從衰減（初始蠕變）直接過(guò)渡到加速蠕變，沒(méi)有穩(wěn)定蠕變階段。巖土工程研究所第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變粘土顆粒周圍有吸著水膜。該水膜有明顯的粘滯特性，使土體表現(xiàn)出蠕變特性。但是，即使是干土，干燥顆粒間也表現(xiàn)出了抵抗顆粒位移的粘滯強(qiáng)度。試驗(yàn)表明（如右圖）：風(fēng)干粘土粉末和潤(rùn)濕后的粘土粉末樣均表現(xiàn)蠕變特性。圖11 風(fēng)干粘土無(wú)側(cè)膨脹壓縮的蠕變曲線1風(fēng)干狀態(tài)；2浸濕后二、土骨架的蠕變巖土工程研究所類似的三軸試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。并且，干、濕土樣的蠕變均可用來(lái)表示，且干、濕狀態(tài)同一種土的參數(shù)n相同。nTtAr第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變巖土工程研究所第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變砂土的蠕

20、變一般也服從對(duì)數(shù)規(guī)律。（如圖12所示） 圖 12 干細(xì)砂無(wú)側(cè)脹壓縮的蠕變曲線圖13 凍結(jié)亞粘土（）的拉伸（1）和壓縮（2）流變曲線 壓縮和拉伸條件下土的蠕變是不同的，如圖13為凍結(jié)亞粘土的單軸壓縮和拉伸蠕變?cè)囼?yàn)。巖土工程研究所第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變壓縮和拉伸都可用同樣的方程描述：本人曾進(jìn)行三軸壓縮和伸長(zhǎng)條件下的蠕變?cè)囼?yàn)。mz121巖土工程研究所第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變（蘇）c.c.維亞絡(luò)夫等對(duì)一種高嶺土進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)，并用顯微鏡觀察研究了不同變形階段土樣微結(jié)構(gòu)的變化。土樣：高嶺土 3840 L58 p38蠕變?cè)囼?yàn)：采用空心圓柱土樣在扭轉(zhuǎn)的純剪條件下進(jìn)行，采用各種恒定的剪切荷載，從產(chǎn)生

21、瞬時(shí)破壞到僅導(dǎo)致衰減變形的荷載均有。三、蠕變過(guò)程中土的微結(jié)構(gòu)變化巖土工程研究所第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變%100SSd%1000SS定義：式中：Sd切片中結(jié)構(gòu)缺損所依據(jù)的面積 S0切片中平行剪切方向的顆粒所依據(jù)的面積 S垂直于剪切方向的總的截面積。采用了2個(gè)指標(biāo)定量描述微結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)破損程度和定向度。巖土工程研究所第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變研究結(jié)果：原始結(jié)構(gòu)：6070定向顆粒組成的團(tuán)粒； 3040無(wú)定向顆粒 破損程度02225衰減蠕變：試驗(yàn)開(kāi)始2天后，破損度從02522， 6天之后，降為20。 定向度無(wú)明顯變化 結(jié)構(gòu)缺損的減少主要在變形劇烈增長(zhǎng)的初期。巖土工程研究所第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕

22、變非衰減蠕變：結(jié)構(gòu)特征急劇改變，破損度和/或定向度變化大 迅速破壞情況：結(jié)構(gòu)無(wú)重新定向 t0.03小時(shí)內(nèi)破壞，從24.136.8 巖土工程研究所第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變變形過(guò)程較長(zhǎng)：不穩(wěn)定蠕變階段：結(jié)構(gòu)變化甚微，管隙減 小，顆粒開(kāi)始重新定向； 穩(wěn)定蠕變階段：結(jié)構(gòu)變化明顯，顆粒定向 明顯，一邊缺陷愈合，一邊發(fā)生新的結(jié)構(gòu) 破壞； 加速蠕變階段：顆粒定向明顯，微裂隙強(qiáng) 烈發(fā)育，匯合成主干式裂隙形成破壞 。巖土工程研究所蠕變方程蠕變方程在恒是應(yīng)力下隨時(shí)間發(fā)展的剪切變形方程蠕變方程。 如不考慮瞬時(shí)變形式中：m0.21， ，T單位時(shí)間，TtArm10TtArm11015 . 0trr*（一）、冪函數(shù)關(guān)

23、系第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變),(2tfrtr,2巖土工程研究所Singh-Mitchell方程：式中：A、 、m為參數(shù)， 為應(yīng)力水平，to單位時(shí)間。DmttDA0exp一、冪函數(shù)關(guān)系第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變巖土工程研究所Mesri方程：式中：m為參數(shù)，Rf破壞比， 應(yīng)力水平，Eu初始剪切模量。冪函數(shù)形式的蠕變方程：簡(jiǎn)單、實(shí)用，適用性強(qiáng)，從軟土到硬土、甚至巖石。mfuuttDRDSE1012D第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變巖土工程研究所若不考慮瞬時(shí)變形： TTtArmln10TTtArmmln110 TTtrrmmHln*TTtrrHln*二、對(duì)數(shù)關(guān)系第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變巖土工程研

24、究所三、分?jǐn)?shù)線性關(guān)系 （雙曲線關(guān)系）stTGtr10第第2節(jié)節(jié) 土的蠕變土的蠕變)(0)10(cbDcDatttH drained creep test data, Tian et al. (1994)巖土工程研究所 土的塑粘性流動(dòng)規(guī)律可用下式表示：式中： 塑性粘滯系數(shù)， 極限長(zhǎng)期強(qiáng)度, 單位應(yīng)力，m t0巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)（四）試驗(yàn)資料Zhu 2000000stsqq巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)（四）試驗(yàn)資料Yoshikuni et al. 1994Porewater pressure build-up during relaxation

25、 tests under one-dimensional conditions (after Yoshikuni et al. 1994)巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)（四）試驗(yàn)資料應(yīng)力松弛量的大小與開(kāi)始松弛時(shí)試樣的變形速率有關(guān)：(1) 開(kāi)始松弛時(shí)試樣的變形速率越大，q/q0越??；(2) q/q0與開(kāi)始松弛時(shí)的應(yīng)力水平有關(guān)；前面介紹的兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式不能反映應(yīng)力松弛量的大小與開(kāi)始松弛時(shí)試樣的變形速率相關(guān)的特性事實(shí)上，即使比較好的彈粘塑性模型也不能反映這一特性巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)（四）試驗(yàn)資料應(yīng)力松弛階段，對(duì)不排水試驗(yàn)，一般伴隨孔壓上升：(1) Un

26、der compression states the porewater pressure developed in the process of relaxation is small, and the ratios of u/0 range from 0.5% to 4.2%;(2) under extension states, the porewater pressure continuously increases, and the increases of porewater pressure are much larger with the ratios of u/0 rangi

27、ng from 8% to 12.3%巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)（四）試驗(yàn)資料應(yīng)力松弛應(yīng)該是很有前途的試驗(yàn)：(1) 試驗(yàn)時(shí)間短；(2) 不象蠕變?cè)囼?yàn)?zāi)菢?，發(fā)生加速蠕變破壞，在破壞階段，其應(yīng)力變形不穩(wěn)定，難以準(zhǔn)確量測(cè)和描述；而松弛試驗(yàn)最終是趨于穩(wěn)定；但目前還沒(méi)有合適的分析利用應(yīng)力松弛試驗(yàn)資料的方法巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)( (一一) )、概念概念（相對(duì)）瞬時(shí)強(qiáng)度：對(duì)材料迅速加荷至破壞，所測(cè)得的強(qiáng)度稱為瞬時(shí)強(qiáng)度。對(duì)有蠕變特性的材料，如對(duì)試驗(yàn)施加小于相對(duì)瞬時(shí)強(qiáng)度的荷載，通過(guò)一定時(shí)間后試樣會(huì)破壞，這種強(qiáng)度稱為長(zhǎng)期強(qiáng)度。長(zhǎng)期強(qiáng)度隨荷載作用時(shí)間的增加而減小。

28、三、三、土的長(zhǎng)期強(qiáng)度土的長(zhǎng)期強(qiáng)度 巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)用于進(jìn)行剪切點(diǎn)蠕變?cè)囼?yàn)的儀器都可用來(lái)測(cè)定土的長(zhǎng)期強(qiáng)度。要求：最好能夠控制應(yīng)力不變，而不是荷載不變( (二二) )、試驗(yàn)儀器試驗(yàn)儀器三、三、土的長(zhǎng)期強(qiáng)度土的長(zhǎng)期強(qiáng)度巖土工程研究所（三）、（三）、試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法1. 分別加荷試驗(yàn)：取一組樣作蠕變?cè)囼?yàn)，使其達(dá)到破壞，記錄達(dá)到破壞的歷時(shí)；（如圖20所示） 圖20 土的蠕變曲線（a） 長(zhǎng)期強(qiáng)度曲線（） 第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所（三）、（三）、試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法2.分級(jí)加載試驗(yàn)（1）若干級(jí)荷載對(duì)同一土樣逐級(jí)加載,每級(jí)荷載下至變形相對(duì)穩(wěn)定；24小時(shí)應(yīng)變0

29、.01%;（2）當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)定蠕變或加速蠕變,后面的2級(jí)荷載至少保持3天；圖21所示第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所 圖21 （a）應(yīng)變發(fā)展曲線；（）應(yīng)力（ln）與應(yīng)變（）關(guān)系問(wèn)題：對(duì)；在畫(huà)lnlnr曲線時(shí)，取何值時(shí)對(duì)應(yīng)的r，因時(shí)間不同，r不等。第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所3. 快速試驗(yàn)法1) 給試驗(yàn)施加應(yīng)力0，讓其蠕變和應(yīng)力松弛。這時(shí)，側(cè)力計(jì)要松馳，應(yīng)力下降，試樣變形；土樣是在變應(yīng)力下，作蠕變?cè)囼?yàn)，同時(shí)在非恒定變形下作松弛試驗(yàn)，且應(yīng)力和變形的變化互相有關(guān)。2) 0逐級(jí)提高，每一級(jí)保持到穩(wěn)定終結(jié)值k 、k同時(shí)記錄t ； 3) 繪制kk4) 確定 （圖25）第第3

30、節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所圖22 長(zhǎng)期強(qiáng)度和蠕變?cè)囼?yàn)的測(cè)力儀（a）儀器略圖（1土樣；2測(cè)微計(jì)；3壓板；4測(cè)力計(jì)；5測(cè)微計(jì)；6支架；7加力裝置）；（）一次加載；（B）梯級(jí)加載 第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所粘土的單軸和三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)表明：試樣長(zhǎng)期破壞強(qiáng)度一般占相對(duì)瞬時(shí)強(qiáng)度9045；密實(shí)粘土的強(qiáng)度降低比塑性粘土的程度小。到目前為止，進(jìn)行的三軸蠕變?cè)囼?yàn)測(cè)定長(zhǎng)期強(qiáng)度多為不排水條件；研究普遍認(rèn)為，蠕變導(dǎo)致孔壓上升，必然導(dǎo)致強(qiáng)度降低；對(duì)排水條件下，由于排水固結(jié)，減小了強(qiáng)度降低的效果，有的試驗(yàn)甚至表明時(shí)間增長(zhǎng)，強(qiáng)度提高。（四）、試驗(yàn)資料（四）、試驗(yàn)資料第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)?/p>

31、驗(yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所本人認(rèn)為：在排水條件下，對(duì)大部分土（不存在顆粒間結(jié)晶作用），可能有不同程度的降低（推測(cè)）；因?yàn)槿S試驗(yàn)表明：加荷速率快，試樣呈鼓形破壞；慢則出現(xiàn)剪切帶；表明長(zhǎng)時(shí)間下，土顆粒會(huì)定向排列。（五）、典型實(shí)例（五）、典型實(shí)例倫敦海相（海成）密實(shí)裂隙粘土；WL7090 WP2432 WL稍大于WP三軸：c12.5kPa 20 第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所對(duì) 象 達(dá)到破壞前的時(shí)間（年）粘聚力值 105（帕斯卡） 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn) 幾小時(shí) 0.12510013 0.08366.5290.06746350.04335540.05755對(duì)不同的邊坡，假定摩擦角不變，蠕變

32、使粘聚力下降，反算各邊坡滑動(dòng)破壞時(shí)粘聚力見(jiàn)表 一。第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)邊坡一邊坡二邊坡三邊坡四巖土工程研究所Ckemiitoh研究了滑動(dòng)的倫敦粘土邊坡，用反算法確定了破壞時(shí)刻作用在滑動(dòng)面上的有效法向應(yīng)力和切向應(yīng)力值。Iiiykjie又對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，假定所有例子的法向應(yīng)力值都相同，=35kPa ，求出破壞時(shí)刻土的抗剪強(qiáng)度值，列于表2，（表9.1圖9.10）對(duì) 象達(dá)到破壞前的時(shí)間（年）抗 剪 強(qiáng) 度105（帕斯卡）實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)幾小時(shí)0.283100 190.17963 290.16759 490.134470.10035第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)邊坡一邊坡二邊坡三巖土工

33、程研究所 圖23 野外條件下抗剪強(qiáng)度的降低曲線第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所1.強(qiáng)度指標(biāo)如果考慮了土的強(qiáng)度隨時(shí)間降低，其摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度條件可表示為：C(t)、(t)H 、相對(duì)瞬時(shí)的C0、0 變到極限長(zhǎng)期的C 和 相應(yīng)地抗剪強(qiáng)度： ttgtCn（六）、土的長(zhǎng)期強(qiáng)度（六）、土的長(zhǎng)期強(qiáng)度tgCtgCnn000第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所試驗(yàn)表明：土的粘聚力隨時(shí)間變化十分明顯，而摩擦角的變化較小。某凍結(jié)亞粘土的試驗(yàn)： 、145. 00CC7 . 00tgtg第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所2.長(zhǎng)期強(qiáng)度方程（1）對(duì)數(shù)方程式中：A0、m、為參數(shù)；t0為很

34、小的數(shù)，如1秒； 可作常數(shù)；T為單位時(shí)間。 TttApmcp00lncp第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所（2）冪次方程 式中：t0為很小的數(shù)，如1秒；T、為參數(shù)。Tttp0t0第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所（3）分?jǐn)?shù)線性方程式中： ； 稱為應(yīng)力水平。參數(shù)由蠕變曲線確定；T單位時(shí)間0Ttp0000時(shí)pt10時(shí)pt第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所n等梯度固結(jié)試驗(yàn)（常應(yīng)變率固結(jié)試驗(yàn)，等梯度固結(jié)試驗(yàn)（常應(yīng)變率固結(jié)試驗(yàn)，CRSNCRSN，Constant Rate of Strain)Constant Rate of Strain)：在單向固結(jié)儀上進(jìn)行在

35、單向固結(jié)儀上進(jìn)行；n不同剪切速率的三軸固結(jié)不排水剪試驗(yàn)：不同剪切速率的三軸固結(jié)不排水剪試驗(yàn)：四、應(yīng)變率效應(yīng)四、應(yīng)變率效應(yīng)第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)應(yīng)變率效應(yīng)是指土體的應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度特性隨應(yīng)變速率（或加荷速率）而變化。常見(jiàn)的兩種典型的應(yīng)變率效應(yīng)的試驗(yàn)：巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)試驗(yàn)方法：分別加荷；分級(jí)加荷目前三軸試驗(yàn)中的問(wèn)題：主要是孔壓的量測(cè)及孔壓在試樣中分布不均勻。（1）孔壓不均勻：普遍認(rèn)為，由于試樣端部約束作用，在剪切速率較快時(shí)，試樣內(nèi)孔壓分布不均。（2）孔壓的量測(cè)：有人曾將孔壓傳感器安插到試樣中部；巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)單向固結(jié)的 等梯

36、度固結(jié)試驗(yàn)分別加荷 分級(jí)加荷 巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)三軸壓縮與伸長(zhǎng)試驗(yàn)分別加荷 及 分級(jí)加荷巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)三軸壓縮試驗(yàn)分級(jí)加荷巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)三軸伸長(zhǎng)試驗(yàn)分級(jí)加荷巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)?zāi)壳叭S試驗(yàn)中的問(wèn)題：主要是孔壓的量測(cè)及孔壓在試樣中分布不均勻。（1）孔壓不均勻：普遍認(rèn)為，由于試樣端部約束作用，在剪切速率較快時(shí)，試樣內(nèi)孔壓分布不均。（2）孔壓的量測(cè)：有人曾將孔壓傳感器安插到試樣中部；巖土工程研究所結(jié)論：（1）對(duì)CSRN試驗(yàn)，應(yīng)變速率每增加10倍，其前期固結(jié)應(yīng)力增加1020；（

37、2）對(duì)三軸壓縮試驗(yàn)：剪切速率每增加10倍，其強(qiáng)度提高1020；第第3節(jié)節(jié)土的流變?cè)囼?yàn)土的流變?cè)囼?yàn)巖土工程研究所第第3節(jié)節(jié)土的流變本構(gòu)模型土的流變本構(gòu)模型n微觀方法微觀方法 Micromechanical ApproachF速率過(guò)程理論速率過(guò)程理論 Rate Process TheoryF內(nèi)時(shí)理論內(nèi)時(shí)理論 Endochronic Time Theoryn宏觀方法宏觀方法 Macromechanical ApproachF經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? :根據(jù)試驗(yàn)資料或現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料而建根據(jù)試驗(yàn)資料或現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料而建立；立；F粘彈性模型（元件模型）：利用粘彈性模型（元件模型）：利用虎克體、牛頓虎克體、牛頓體和圣

38、維南體而建立；體和圣維南體而建立；F彈粘塑性模型彈粘塑性模型( (粘彈粘塑性模型粘彈粘塑性模型) )：以經(jīng)典彈塑：以經(jīng)典彈塑性理論為基礎(chǔ)建立。性理論為基礎(chǔ)建立。1 1、模型分類、模型分類巖土工程研究所2 2、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚽特定的應(yīng)力路徑與應(yīng)力狀態(tài)；特定的應(yīng)力路徑與應(yīng)力狀態(tài)；n特定的土類；特定的土類；n反映的只是流變的外部表現(xiàn)，難以對(duì)內(nèi)部特性與機(jī)理進(jìn)行反映的只是流變的外部表現(xiàn)，難以對(duì)內(nèi)部特性與機(jī)理進(jìn)行反映，通用性差。反映，通用性差。n經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ统＝?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ统ｏ@含時(shí)間顯含時(shí)間，這是違反了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本原，這是違反了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本原理。理。Eringen (1962) “The expli

39、cit introduction of time in the constitutive relations violates the principle of objectivity in continuum mechanics”.),(tf),(tf),(f第第3節(jié)節(jié)土的流變本構(gòu)模型土的流變本構(gòu)模型巖土工程研究所2 2、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷诘?節(jié)節(jié)土的流變本構(gòu)模型土的流變本構(gòu)模型mDattAe1)(0)10(cbDcDatttH qqstt001log,mtt11011logtttCabtata巖土工程研究所3 3、粘彈性模型（元件模型）、粘彈性模型（元件模型）n基本流變?cè)夯⒖梭w、牛頓體

40、和圣維南體；基本流變?cè)夯⒖梭w、牛頓體和圣維南體；n以彈性理論為基礎(chǔ)，如采用非先線性元件，也能描述非以彈性理論為基礎(chǔ)，如采用非先線性元件，也能描述非線性流變；線性流變；n要較完整地反映土體流變性，需要較多的元件，對(duì)每個(gè)要較完整地反映土體流變性，需要較多的元件，對(duì)每個(gè)元件都需要彈性系數(shù)或粘滯系數(shù)，參數(shù)較多。元件都需要彈性系數(shù)或粘滯系數(shù)，參數(shù)較多。n參數(shù)大多沒(méi)有直接物理意義，難以確定；參數(shù)大多沒(méi)有直接物理意義，難以確定；第第3節(jié)節(jié)土的流變本構(gòu)模型土的流變本構(gòu)模型巖土工程研究所4 4、彈粘塑性模型（粘彈粘塑性模型）、彈粘塑性模型（粘彈粘塑性模型）n以彈塑性理論為基礎(chǔ)以彈塑性理論為基礎(chǔ)；n能考慮非線性

41、流變能考慮非線性流變, ,一般都可考慮蠕變、應(yīng)力松弛一般都可考慮蠕變、應(yīng)力松弛、應(yīng)變率效應(yīng)、長(zhǎng)期強(qiáng)度等；、應(yīng)變率效應(yīng)、長(zhǎng)期強(qiáng)度等；n參數(shù)多有一定物理意義，較易確定。參數(shù)多有一定物理意義，較易確定。第第3節(jié)節(jié)土的流變本構(gòu)模型土的流變本構(gòu)模型巖土工程研究所nPerzynaPerzynas theorys theory第第3節(jié)節(jié)土的流變本構(gòu)模型土的流變本構(gòu)模型4 4、彈粘塑性模型、彈粘塑性模型The total strain rate is composed of time-independent elastic strain rate and time dependent strain rate vpijeijijThe elastic strain rate is assumed to obey the generalised Hookes law, and is expressed as klijkleijC 巖土工程研究所nPerzynaPerzynas theorys theory第第3節(jié)節(jié)土的流變本構(gòu)模型土的流變本構(gòu)模型4 4、彈粘塑性模型、彈粘塑性模型The visco-plastic str