（岩土工程专业论文）软土流变模型及其工程应用.pdf

硕十学位论文 摘要 软土是一种极其复杂的工程材料，其特殊的物质成分和复杂的结构决定了软 土复杂的工程特性。在传统的土力学研究中，土被假定为弹性体或者弹塑性体， 然而，无论是线性弹性体还是非线性的弹塑性体，其本构关系都是应力与应变两 者之间的关系，与时间无关。而事实上，自然界土体的应力应变关系与时间紧密 相关，因而在土体的本构关系中加入时间因素极为必要。这种包括应力、应变和 时间三者在内的本构关系就是基于粘弹塑性理论而建立的土的流变力学。越来越 多的工程实例表明，岩土很多工程的破坏都跟软土流变有关。因而，研究软土的 流变特性具有重要的理论价值和实践意义。 正如土的本构关系在土力学中的重要性，土的流变本构关系也是土流变研究 的关键所在。因此，本文首先总结了以往研究软土流变本构模型的各种理论，分 析了理论模型和经验模型的构造及其优缺点。针对软土流变的非线性，建立一个 简化的半理论半经验的流变本构组合模型，用理论模型描述流变的线性部分，用 经验模型描述软土流变的非线性部分，并把它应用于上海淤泥质粘土的流变分析 中。其次，引入经典的b p 神经网络，利用人工神经网络超强的非线性映射能力和 容错能力，根据广东江门软土蠕变试验结果，建立广东江门软土流变的网络本构 模型，既克服了以往分别按各分级载荷下蠕变试验数据拟和出蠕变本构模型使用 不便的缺点，又克服了蠕变本构关系式难以合理构造的困难，并通过上海软土蠕 变试验的进一步验证，具有可考虑因素多、拟合精度高、泛化预测能力强、适应 性好等特点。最后，针对目前路基沉降计算和预测存在的困难和缺陷，引入了考 虑流变的有限元计算方法，通过m s c m a r c m e n t a t 有限元软件，对杭州绕城高速 公路的路基沉降进行了考虑流变和不考虑流变两种方案的有限元分析。结果表明， 考虑软土流变的计算方案更符合路基实际沉降规律，在软土地基沉降计算中，特 别是工后沉降，考虑软土的流变特性是非常必要的。 关键词：软土流变；非线性；流变本构模型；b p 神经网络；路基沉降；有限元 软十流变模型及其t 程应用 a b s t r a c t s o f t c l a y i sa n e x t r e m e l yc o m p l e xe n g i n e e r i n gm a t e r i a l ， i th a s c o m p l e x e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sf o rs p e c i f i cs u b s t a n c ec o m p o n e n t sa n dc o m p l e xs t r u c t u r e i n t h et r a d i t i o n a lr e s e a r c ho fs o i lm e c h a n i c s ，s o i li sg e n e r a l l yp r e s u m e dt ob ee l a s t i co r e l a s t i c - p l a s t i cb o d y b u tw h e t h e rt ob el i n e a re l a s t i co rt ob en o n l i n e a rp l a s t i c ，i t s c o n s t i t u t i o n a lr e l a t i o ni s0 n l yt h ef u n c t i o no fs t r e s sa n ds t r a i na n dh a sn o t h i n gt od 0 w i t ht h et i m e i nf a c t ，t h es t r e s sa n ds t r a i no fs o i li nn a t u r ei sc l o s e l yr e l a t e dt ot i m e ， s ot h et i m ee l e m e n ti sn e c e s s a r yt ob ei n c l u d e di nt h ec o n s t i t u t i o n a lr e l a t i o no fs o f t c l a y b a s e do nt h ee l a s t i c v i s c o p l a s t i ct h e o r y ，t h ec o n s t i t u t i o n a lr e l a t i o nw h i c h c o n t a i n ss t r e s s ，s t r a i na n dt i m ei sc a i l e dr h e o l o g i c a lm e c h a n i c so fs o i l a ni n c r e a s i n g n u m b e ro fp r o j e c t ss h o wt h a tm a n yg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gf a i l u r e sa r er e l a t e dt o r h e o l o g yo fs o f tc l a y ，t h e r e f b r ei th a sg r e a tt h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a lm e a n i n gt 0 s t u d yt h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fs o f tc l a y a st h ei m p o r t a n c e0 fc o n s t i t u t i v er e l a t i o n0 fs o i lo ns t u d y i n gs o i lm e c h a n i c s ，t h e r h e o l o g i c a l c o n s t i t u t i v er e l a t i o ni sa l s o i m p o r t a n tf o rs t u d y i n g s o i l r h e o l o g y t h e r e f o r ea l lk i n d so ft r a d i t i o n a lt h e o r i e so fs t u d y i n gt h er h e o l o g i c a lc o n s t i t u t i v e m o d e lo fs o i la r es y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e di nt h et e x tf i r s t l y ，t h e n ，t h em e r i t sa n d d e m e r i t s0 ft h e o r e t i c a lm o d e la n de m p i r i c a lm o d e ia n a l y s e s a c c o r d i n gt or h e o l o g i c a l n o n l i n e a r i t yo fs o f tc l a y ，t h et e x tp u tf o r 、a r d as i m p l i f i e dr h e o l o g i c a lc o n s t i t u t i v e m o d e lo fc o m b i n i n gt h e o r i e sw i t he x p e r i e n c e s ，t h et h e o r e t i c a lm o d e li su s e dt o d e s c r i b et h el i n e a rp a r to fr h e o l o g ya n dt h ee m p i r i c a lm o d e li su s e dt od e s c r i b et h e n o n l i n e a rp a r to fr h e o l o g y t h em o d e li ss u c c e s s f u u yu s e dt 0d e s c r i b et h er h e o l o g yo f s h a n g h a im u d d yc l a y l a t e r s e c o n d l y ，i n t r o d u c i n gt h eb pn e u r a ln e t w o r ka n d a c c o r d i n gt ot h ec r e e pd a t ao fl a b o r a t o r yd i r e c ts h e a re x p e r i m e n to fj i a n g m e ns o i l ，t h e t e x tb u i l dan e t w o r kr h e o l o g i c a lc o n s t i t u t i v em o d e lo fj i a n g m e ns o i lf b ri t ss t r o n g n o n l i n e a rm a p p i n ga b i l i t ya n df a u l t t o l e r a n c ea b i l i t y ，w h i c hc a na v o i dd i s a d v a n t a g e s o ft h a tt r a d i t i o n a lr h e o l o g i c a lc o n s t i t u t i v em o d e l sb u i l tu n d e re a c hl e v e ll o a d i n ga r e i m p r a c t i c a la n d an e c e s s a r yc o n l p l e xc o n s t i t u t i v ee q u a t i o ni sb u i l ti no r d e rt om e e t i n g t h ef a c t ，t h e n ，t h em o d e li sv e r i f i e db yt h ed i r e c ts h e a rc r e e pe x p e r i m e n to fs o i lo f s h a n g h a i i th a sc h a r a c t e r i s t i c so fc o n s i d e r i n gm o r ef a c t o r s ，h i g hs i m u l a t i o np r e c i s i o n a n dg o o dg e n e r a l i z a t i o n a b i l i t y f i n a l l y ，a c c o r d i n gt o d i f f i c u l t i e sa n df l a w so f c a l c u l a t i n ga n dp r e d i c t i n g t h es e t t l e m e n t0 f s u b g r a d e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sf i n i t e 硕：十：学位论文 e l e m e n tm e t h o dw h i c hc o n s i d e r sr h e o l o g yo fs o i l b yt h em s c m a r c m e n t a ts o f t w a r e ， t h es e t t l e m e n to fs u b g r a d eo fl o o pf r e e w a yo fh a n g z h o ui sc a l c u l a t e du n d e rt w 0 s c h e m e s ，o n ec o n s i d e r sr h e o l o g yo fs o f tc l a y ，a n o t h e rd o e s n tc o n s i d e rr h e o l o g yo f s o f tc l a y t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec a l c u l a t i o ns c h e m eo fc o n s i d e r i n gr h e o l o g yo fs o i l i sm o r ea p p l i c a b l et op r a c t i c a ls e t t l e m e n tl a wo fs u b g r a d e i nc a l c u l a t i n gs e t t l e m e n to f s o f ts u b g r a d e ，e s p e c i a l l yp o s t - c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t ，t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so f s o f tc l a yi sn e c e s s a r yt ob ec o n s i d e r e d k e yw o r d s ：r h e o l o g yo fs o f tc l a y ；n o n - l i n e a r i t y ；r h e o l o g i c a lc o n s t i t u t i v em o d e l ； b pn e u r a ln e t w o r k ；s e t t l e m e n t0 fs u b g r a d e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：吲杰事 日期：沙芳年j 月v 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：叫乏孑 日期：加乡年r 月1 日 导师签名。p 哟 日期： 卯g年r 月 、v 日 劬边 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 随着我国经济建设的发展，交通土建、地下建筑、地下铁道、隧道、高层建 筑、矿山井道、大坝基础、边坡等岩土工程的建设需求和规模日益增长，岩土工 程在国家基本建设投资费用中占有的比例也越来越大，搞好岩土工程的建设对我 国经济具有十分的重要意义。 不少的工程以其实践表明，岩土材料具有较明显的流变特性【l - 4 j 。例如法国 某坝体，高2 2 米，长5 2 0 米，建在6 米厚的裂隙粘土质砂岩上。建成十一年后， 由于土的蠕变引起位移加速，导致破坏【5 1 。瑞士的一个钢筋混凝土拱形高架桥台， 由于斜坡上粘土蠕变而变形，桥台在建成厚以大约一年3 7 毫米的速度发展，十三 年内达到4 8 0 毫米，在这期间的沉陷总共为1 4 9 毫米，流动涉及到整个厚1 2 米 的土层，桥梁不得不拆了重建【们。正如陈宗基教授所说：一个工程的破坏往往是 有时间过程的。换句话说，是由岩土的流变性控制的。甚至有的研究者指出，不 考虑岩土的流变性，某些岩土力学的基本课题就不可能解决【7 1 。对于我国，软粘 土广泛分布，而在软粘土地区兴建公路、铁路、高层建筑、机场的土工建筑物日 益增多，与此同时，越来越多的土工建筑物对地基的稳定和变形的要求也越趋严 格。比如高速公路工程，要通过分析预测工后沉降来确定路面铺筑时间和制定施 工控制条件，如何比较准确的分析预测路面铺筑以后的工后沉降是修建高速公路 的关键技术问题。此外，建筑物的长期变形和沉降；坑道开挖引起的地表向临空 面发生位移甚至失稳；地下洞室开挖引起地表沉陷以及洞室开挖其围岩向中心的 位移等都是由于岩土材料具有流变的特性，其变形随时问不断发展而造成的。因 而研究岩土材料的流变特性，将它作为岩土工程的设计、施工与监测的理论指导， 进而控制天然边坡等岩土工程的流变破坏和失稳，具有重要意义，也是岩土工程 界普遍关注的问题。 岩土力学与工程是一门理论内涵丰富而又实践性很强的工程应用学科。当前， 这方面的研究和实践在国内外都非常活跃，已经取得很多可喜的高水平的成果。 但是，就岩土介质材料工程流变学问题的研究而言，尽管它的重要性已为人们所 共识，而系统的理论与试验研究却相对比较少，对这类工程中存在问题的深入阐 述也还不多见【引。 软土是一种极其复杂的工程材料，其特殊的物质成分和复杂的结构决定了软 土复杂的工程特性。在过去的传统土力学研究中，土被假定为弹性体，后来逐步 软土流变模型及其工程应用 发展到把土作为一种弹塑性体来研究。但是无论弹性体还是弹塑性体都不考虑时 间因素，即假设变形是瞬间完成的。然而越来越多的工程实例表明，岩土工程中 的时间因素也很重要，不能不考虑。例如对鲁布革大坝的变形预测无论采用邓肯 模型还是南水模型都与实际不符，而只有考虑土体的流变性质后计算结果才与实 测相符【9 j ：又如上海工业展览馆从开工到竣工的4 年期间沉降量超过几十厘米；还 有许多例子诸如挡土墙的位移随时间的发展而发展、斜坡和边坡随时间的发展稳 定性降低、地基的长期沉降和倾斜、地下工程施工中地表的沉降及变形等。这些 工程实例都说明土不仅仅具有弹性、塑性，还具有粘滞性，即流变性。与其它类 型土相比，软土的流变性更为显著。准确的讲，软土是一种粘弹塑性土体，其本 构关系不再只是应力和应变两者的关系，而应把时间考虑进去，成为应力、应变 和时间三者之间的关系。因此，有必要应用流变学原理建立软土的本构关系模型， 并研究软土中应力应变状态随时间的变化规律。这是土力学及流变学的一门新兴 交叉边缘学科，具有重大的理论和工程实践意义，必将越来越受到人们的广泛重 视。 1 2 国内外土流变学研究发展现状 1 2 1 土的流变学研究发展概况 流变学是由化学、分子物理、固体力学的边缘学科发展起来的一门新兴学科。 1 9 2 2 年b i n 曲a m 流动和塑性名著的出版，以及根据他的倡议，1 9 2 9 年流变协 会的成立，标志着流变学成为一门独立的学科，掀开流变研究的新纪元。如今， 随着现代工程技术的发展，流变学在各工程和生产领域中得到广泛的研究和应用。 5 0 年代以前，国内外研究学者很少注意土体的流变现象。后来是由于某些岩 土工程因流变问题而引起事故( 如坝、桥、建筑物地基基础、海堤、边坡、地下工 程围岩变形) ，而引起了科技界的重视。1 9 4 8 年荷兰g e n i ee c w a 和我国学者 陈宗基首先开始对土体流变学进行系统的科学研究，他们应用实心圆柱样的扭转 试验，提出b i n 曲a m 粘滞塑性流动定律对立体的适用性。而后，在1 9 5 3 年第三届 国际土力学和基础工程会议( i c s m f e ) 上开始有了许多关于土体的流变问题的报 告和发言。这次会议在关于土、雪和冰的蠕变问题的综合报告中提出，由于蠕变 变形直接或间接的对土力学的所有过程起作用，因此蠕变问题的研究将影响上力 学将来的发展。此后，各国学者开始对土体的流变问题进行系统的研究，并取得 了大量的成果，使土体的流变学研究成为一个新的方向。在以后的第四十二届 国际主力学和基础工程会议上，有关流变的研究报告越来越多，以至在1 9 6 9 年的 第七届会议上成为综合报告的主要部分。1 9 6 4 年在法国召开了第一届国际“上的 流变学讨论会，苏联也在1 9 6 6 年、1 9 7 3 年、1 9 7 6 年举行了关于土体的流变的专 硕二t ：学位论文 门讨论会，日本1 9 7 6 年在土质工学会内设立了土体本构方程研究委员会，委员长 是日木流变学专家村山朔郎，许多国家如荷兰、苏联、葡萄牙、日本等己把土体 的流变学研究列为一个重要的研究方向【1 0 】。 我国对土体的流变学研究开展得比较早。1 9 5 9 年，陈家基教授从宏观和微观 两个方面先后提出粘土的流变本构方程，二次时间效应即片架结构理论【1 1 l 。1 9 8 0 年，武汉岩土力学研究所通过室内试验研究了上海浅层土的单剪流变特性，并指 出上海浅层土具有流变性质1 1 2 】。1 9 8 9 年，夏耀明、孙逸明等在硒固结仪上进行了 饱和软土的流变试验，发现在排水、不排水情况下饱和软土表现出明显的蠕变特 性【13 1 。1 9 9 3 年，孙钧【8 】等对上海地区软土的流变问题进行了深入的理论分析和试 验研究，并建立了相应的理论模型和经验模型。1 9 9 6 年，李希元从非线性流变的 定义出发建立一个归一化的非线性流变模型，并在此基础上，建立了对土体三维 非线性流变效应系统分析的理论和方法【1 4 j 。郑榕明、陆浩亮等【1 5 】根据室内试验结 果，提出了一种非线性流变理论模型和用于数值分析的计算公式。此后，土体的 流变研究发展很快，武汉岩土力学研究所、河海大学、清华大学、南京水利科学 研究院、同济大学等高校和科研院所都在主体的流变研究方面作了许多工作，并 取得了相当的成果。 1 2 2 土流变试验的发展 为了定性和定量的认识土的流变特性，也为了建立土体流变本构模型和确定 模型参数等需要，。必须对土体进行流变试验。目前，土的流变试验包括宏观和微 观两方面。 1 2 2 1 土的微观流变试验 目前，土体的微观流变试验的研究比较少，一般的微观流变试验研究仅限于 在“静态 方面，即借助于光学显微镜或电子扫描显微镜观察土体的微观结构， 然后通过分析，提出土体流变产生的微细观机理，确定土中导致流变的主要微细 观结构形式，或者得出一些具有明确物理意义的微细观参数来反映土体的流变特 性等。文献f 1 1 1 就是通过对粘性土的微观分析，提出了片架结构理论，并认为具 有片架结构的粘土流变特征最为明显。文献f 1 6 1 通过对土体的微观分析，提出了 一系列具有明确微观物理意义的内变量吼( 刀= 1 ，2 ，) ，并用它们来描述上体的流变 特征。至于对土体流变的“动态微观试验研究方面，由于受扫描电子显微镜对 试样制作的要求以及加载条件等限制，使这方面的工作开展起来比较困难。文献 f 1 7 1 在这方面作了一些尝试，通过加工制作的简易加载装置，用高倍光学显微镜 观察了粘土蠕变的动态过程。但由于受到设备的限制，试验条件与粘土的真实蠕 变条件有一些差距，而且没有把粘土的微观流变机理与其宏观表现相结合。因此， 对土体的流变做细观试验研究还有待于进一步发展。 软七流变模型及其t 程应用 1 2 2 2 土的宏观流变试验 由于土体的微细观流变试验受室内仪器设备和其它各方面条件的限制，因此， 很多学者大都采用室内宏观流变试验。通过宏观流变试验中土体所表现出的流变 特征，推求其流变方程式。这种试验方法目前已经比较成熟，但是，它没有很好 的解释土体流变的机理。土体的宏观流变试验分为现场试验和室内流变试验。现 场流变试验是在实际工程中测试土体的流变数据，如地基的长期沉降、基坑开挖 后测区向基坑临空面方向的位移等。室内试验是在实验室的流变仪上对现场取来 的土样，按研究的需要进行流变试验，如三轴或单轴蠕变试验、应力松弛试验等。 文献f 1 3 1 在肠固结仪上进行了土体静止侧压力系数在加载固结条件下的历时变化 规律的测定，以及在重复加载情况下，土体固结变形规律试验等。目前，岩土流 变特性宏观研究在试验方法上并没有产生突破性的进展，它不外乎单轴、三轴压 缩、剪切蠕变试验和为数不多的松弛试验。至于松弛蠕变一耦合试验方案则运用 得更少，因为这种方案试件的变形及受力情况非常复杂，试验数据处理相当难， 因此该试验方法很少有人采用。 在土室内流变试验中，蠕变试验( 或应力松弛试验) 有分别加载( 或加应变) 和 分级加载两种做法。分别加载( 或加应变) 须取得若干完全相同的土样，在完全相 同的仪器和试验条件、不同的应力( 或应变) 水平下同时进行试验，最终得到一簇 不同应力( 或应变) 水平下的蠕变( 或应力松弛) 全过程曲线。这种做法从理论上讲 是最符合流变试验的要求，并能直接得到土流变的全过程曲线，但要真正做到严 格的分别加载( 或加应变) 是不容易的，一方面要满足上述许多的完全相同不太可 能，另一方面很难有这么多的仪器同时用来做长时间的流变试验，所以，目前国 内外的土室内流变试验一般不采用这种做法，而改用分级加载( 或加应变) 的做法。 分级加载( 或加应变) 是在一个土样上施加不同的应力( 或应变) ，在某级应力 ( 或应变) 水平下蠕变( 或松弛) 经历了预定时间或达到稳定后，则施加下一级的应 力( 或应变) 水平，直至所需的应力大小。分级加载( 或加应变) 下得到的流变曲线 与分别加载( 或加应变) 下的不一样，在土的流变研究中，采用分别加载( 或加应变) 下得到的流变全过程曲线的形式比较方便，所以要把分级加载( 或加应变) 的时刻 作为这一级蠕变( 或松弛) 曲线的初始时刻，后面的时间都从此刻算起，即时间往 前移，这种做法是假定土为线性流变体，满足b o l t z m a n n 线性叠加原理。若要更准 确地研究土的流变，考虑土为非线性流变体，则不能采用线性叠加原理，流变响 应不能简单地由每一级的流变响应叠加而成，必须采用非线性的研究方法来处理 【1 8 j o 1 2 3 土的流变本构模型的发展 建立土体的流变本构模型在流变研究中是至关重要的。只有建立正确的流变 4 硕：e 学位论文 本构关系，即应力、应变和时间三者之间的关系，才能准确的描述土体的流变特 性。土体的流变本构关系可以分别从土流变的微细观和宏观表现出发来建立，或 者把两者结合起来建立本构关系【1 9 】。 1 2 3 1 从土体的流变微细观表现出发建立流变本构关系模型 从土体的流变微细观表现出发建立流变本构关系模型，一般是从土的微观角 度来研究，认为土体的流变是因土颗粒的骨架变形引起的。根据土微观构造的变 化机理，运用连续系统力学理论，或者借用金属晶体的微观理论( 如位错理论) ， 结合土体流变的宏观表现来建立土体的流变本构关系。k e e d w e l l ( 1 9 8 4 ) 【2 0 l 借助物 理化学的角度描述物体流变特性的速率过程理论，将其运用于土力学中，用于预 测土的流变特性。v y a l o v ( 1 9 8 6 ) 1 2 1 l 运用速率过程理论推导了土体的非线性流变流 动方程，方程反映了抗剪强度随应力增加的非牛顿体特征。还有内变量或内蕴时 间理论( e n d o c h r o n i ct i m et h e o r y ) 在土流变中的应用，它用一系列代表物质不可 逆变形内部机制的变量，即所谓的内变量来反映物质变形的某些特征，通过这些 内变量的演化规律，运用连续介质力学理论来建立本构关系。b a z a n t ( 1 9 7 9 ) 【2 2 】运 用内时理论建立了横向同性粘土的粘塑性本构方程。从微细观结构出发建立流变 本构模型具有深远的意义，它不仅能反映土体的流变宏观特征，还能揭示土体的 流变内部机理，对土体流变有更深层次的认识。 1 2 3 2 从土体流变的宏观表现出发建立流变本构关系模型 从土体流变的宏观表现出发建立流变本构关系模型，这方面的工作做得很多， 主要可分为三个方面。一是从土体的流变特征( 从实际工程及室内流变试验中得到) 出发，运用现有的流变理论一粘弹塑性理论，建立流变本构模型；二是从土体 的流变特性出发，直接总结出土体的经验流变本构模型；三是两者结合的半经验 半理论模型。 利用现有的流变理论一粘弹塑性理论建立的流变本构模型，它包括模型理 论【2 3 1 、遗传蠕变理论或称记忆理论【2 4 1 、以及研究材料( 金属、复合材料等) 在动载 ( 应力波) 下的粘弹塑性理论【2 5 】等。模型理论是采用一些基本流变元件的组合来描 述土体的流变特性，概念直观、简单、物理意义明确，被广大学者所采用。但它 存在一些缺点，例如无法用来描述土体的非线性流变、加速流变等。如今，为了 克服上述缺点，许多学者通过对模型中黏滞系数进行修正或者提出新的非线性元 件，来描述土体的非线性流变、加速流变，起到了很好的效果。遗传蠕变理论是 一种遗传积分型的本构模型，在遗传积分内包含一个函数称核函数，反映材料的 流动性能，当描述蠕变时它是蠕变柔量的概念，反映材料的蠕变性能；当描述应 力松弛时为松弛模量的概念，反映材料的应力松弛特性。借用研究材料在动载下 的粘弹塑性理论建立土的流变本构模型的方法，是把土流变这种与时间有关的特 软士流变模型及其工程应用 性看成应变速率敏感即动载的问题，运用粘弹塑性理论如过应力理论、粘弹塑性 屈服理论等来建立土流变本构方程，方程的形式一般是应变速率的形式。 土的经验本构关系是直接给出的函数形式，对不同的土以及不同的条件，用 不同的经验模型。它可分为应力应变关系型和应力应变速率关系型，后者也称速 率型本构关系，它反映了土流变过程中的粘滞流动特性，有时间显式出现在本构 关系中和隐含在应变速率中的两种形式。文献 2 1 】在研究土流变时，采用两个函 数分别代表应力、时间对应变的贡献，它们有着影响函数的作用，通过两者的组 合得到流变方程。土的经验流变本构关系与流变理论模型相比，较缺乏理论指导， 物理意义不够明确，通用性不强，对不同的土要总结出不同的经验本构关系。但 它的优点是直观明显，容易直接使用，为工程人员所乐意采用，所以也一直是工 程上土流变研究的一个重要的方向。 半经验半理论模型综合了前两者的优点，同济大学的孙钧院士及其学生在这 方面作了大量的工作，提出了一种介于模型理论和经验本构关系的半经验修正理 论，并将其成功应用于上海软土非线性流变研究中。目前，这方面的研究并不多。 这也是本文重点研究的对象。 1 2 4 土流变的解析方法的发展 在土的流变研究中，时间因素被考虑进去，因此流变问题的求解比一般的弹 塑性问题更加复杂，应力应变关系也更加复杂。土体流变问题的解有解析解和数 值解两方面【引。 1 2 4 1 解析解 解析解的方法是运用对应性原理，积分变换技术【2 3 1 。具体的做法是先求得弹 性解，然后进行拉普拉斯变换，从而得到拉普拉斯变换后的粘弹性解，最后通过 拉普拉斯逆变换得到最终的粘弹性解。由于只有一些简单和特殊的函数才能得到 拉普拉斯变换的解析解，许多问题虽然得到拉普拉斯变换后的粘弹性解，却无法 得到逆变换的解析解。因此，真正能得到粘弹性解析解很少，只有那些简单问题 及流变模型能通过以上方法得到解析解。另外，对应性原理只对线性粘弹性问题 有效，而不能用于粘塑性及非线性流变问题，因此解析解有很大的局限性。在这 方面，日本学者s a k u r a i 做了许多的工作。 1 2 4 2 数值解 由于解析解只能解决为数不多的简单流变问题，因此大多数土体流变问题只 能通过数值解解决。随着电子计算机的高速发展，土体流变问题的数值解发展较 快。数值解采用的基本方法主要是时步一粘性初应变法，即把粘性应变作为初 应变，计算每一时步粘性初应变引起的粘性附加荷载，加入到该时步的平衡方程 硕i ：学位论文 中加以修正并求解，逐步进行，最终得到土体流变问题的数值解。 至于非线性流变问题，只能应用数值解法。一般是采用时步增量非线性迭代 法。对每一个荷载增量，把非线性流变问题简化为线性流变问题进行求解。通过 不断迭代，即用一系列线性流变来逼近非线性流变，最终得到非线性流变问题解。 同济大学的博士生谢宁提出了一种方便有效地求解土体非线性流变问题的方法 一二次初应变法。这种方法在时步上仍采用与线性流变问题相同的粘性初应变 法，而在每一时步中则是采用非线性弹性初应变法，通过反复的选代，求解非线 性平衡方程，最终得到每一时步非线性流变问题的解。土体的流变问题的数值解 所运用的基本技术包括有限元法、有限差分法、边界元法、无限元法等。 1 3 本文研究的主要内容和方法 。 软弱地基土具有很强的流变特性，而流变本构模型是土流变研究的关键所在， 本文首先总结了传统的流变模型理论，介绍了常见的描述软土流变的线性流变本 构模型和非线性流变本构模型，比较了理论模型和经验模型的构造及其优缺点。 通过对软土非线性流变特性的认识，建立一个能描述软土非线性流变和加速流变 的简化半理论半经验流变力学模型，并把它用于上海淤泥质粘土的非线性流变分 析中。其次，引入人工神经网络，利用其独特的非线性处理功能，根据广东江门 软土蠕变试验资料，建立一个完全不同于力学建模思路的流变网络本构模型。最 后，通过考虑软土的非线性流变，对复合地基处治软土路基的沉降进行有限元分 析。具体的研究内容为以下几个方面： ( 1 ) 从不同方面总结土体流变力学在国内外的发展状况，分析描述软土流变 的各种理论，得出本文研究软土流变的重点和理论基础，即用模型理论建立反映 软土实际流变的本构模型，并用于工程实践。 ( 2 ) 分析模型理论和经验模型的优缺点，针对软土流变的非线性，提出一个 简化的半理论半经验的流变本构模型。用理论模型描述软土流变的线性部分，用 经验模型描述软土流变的非线性部分，并应用于上海淤泥质粘土蠕变的描述。 ( 3 ) 针对传统的流变力学本构模型分级构建、求解困难等缺点，引入人工神 经网络，利用人工神经网络超强的非线性映射能力和容错能力，根据广东江门软 土蠕变试验资料，建立软土流变的网络本构模型，并用上海地区软土蠕变试验进 行验证。 ( 4 ) 针对目前路基沉降计算和预测存在的困难和缺陷，通过有限单元法，考 虑软土的非线性流变，对路基沉降进行计算和预测，并与不考虑软土流变的有限 元计算和实测值进行对比。 软十流变模型及其t 程应用 第2 章软土的流变理论 土体是岩土工程中最主要的研究对象之一，它是一种由固体颗粒、水和气体 三种成分组成的多孔介质。土颗粒作为基本骨架，水和气体充填其中，因此土体 的工程性质就比较复杂，有许多特殊的工程特性1 2 6 1 。 在外力作用一下，孔隙中的水和气体部分被挤出，土颗粒重新排列使土骨架 产生变形。一方面，土颗粒与孔隙流体之间存在摩擦力，使孔隙流体的排出受到 阻碍，土体变形延滞；另一方面，土颗粒之间的接触是结合水膜之间的接触，结 合水的粘滞性也使土体的变形有一个过程【2 刀。因此，土的变形不仅与应力有关， 也与时间有关。土体所显示的特性表明，土体具有明显的流变性，是粘弹塑性结 合体。 2 1 土的流变性质 2 1 1 土的流变现象 土体的变形和强度不仅决定于土体中的有效应力，而且还与时间有关，这种 现象称为土的流变现象。任何一种土体，具有流变性质是绝对的，其显著程度与 土的微观结构有密切的关系，片架结构的软粘土，往往具有较明显的流变性。工 程实践中，土的流变现象主要包括1 8 l ： ( 1 ) 蠕变一在常应力作用下，变形随时间增长的过程。 ( 2 ) 应力松弛一在恒应变水平下，应力随时间逐渐衰减的过程。 ( 3 ) 长期强度一在长期荷载作用下，岩土的强度随受荷时间的增长而改变 的性能。 ( 4 ) 弹性后效和滞后效应一加荷时继瞬时的弹性变形产生后，仍有部分变 形随时间增长而产生，因为这部分变形属于可恢复的，且在恢复时亦需要一定的 时间，因此，这部分变形仍属于弹性变形范畴。对于这种现象，加荷过程中变形 随时间的增长称为滞后效应；卸荷后变形随时间的逐渐恢复称为弹性后效。1 土的流变变形分析分为压缩和剪切两大类。沉降分析中主要考虑土体受压时 的流变性能，强度问题则主要研究主体受剪时的流变性能。软土中出现的流变现 象，很大程度上是属于蠕变现象。因此本文着重研究的是软土的蠕变特性，对其 他方面不作太多探讨。 2 1 2 软土的蠕变特性 软土的蠕变特性可以通过单轴或三轴压缩、剪切、扭转或弯曲等蠕变试验研 8 硕一! ：学位论文 究获得。变形等于受荷后的瞬时变形和随时间发展的变形之和，即： f 一+ ( f ) ( 2 1 ) 岩土的蠕变可分为以下两种情况【2 8 2 9 l ： 第一种情况：衰减蠕变过程，如图2 1 a 所示。变形s ( f ) 以减速发展，速率最 后趋近于o ，即d 出= 0 ，而其变形值( f ) 趋向于与荷载值有关的某一稳定值，且 不导致土体发生破坏。该稳定值其大小与荷载大小、土体性质、围压等因素有关。 a ) 衰减蠕变 b ) 非衰减蠕变 图2 1 变形随时间变化的蠕变曲线町 第二种情况：非衰减蠕变过程，如图2 1 b 所示。岩土体的应变随时间逐渐增 长，且不趋于某一稳定值，当蠕变达到某一阶段之后，变形急剧增加，最后导致 岩土体发生破坏。非衰减蠕变变形包括在岩土试件上施加某一恒定荷载后，立即 产生的瞬时弹性蠕变g 。，即o a 段，以及在荷载保持恒定且持续作用下，随时间 继续增长的蠕变变形( f ) ，即a d 段，它一般包括三个性质不同的阶段。 ( 1 ) 第1 蠕变阶段( 图2 1 b 的a b 段) ，或称衰减蠕变阶段。蠕变曲线的斜率 逐渐变小，其应变速率随时间递减，变形以减速发展。当达到b 点时，应变速率 处于本阶段的最小值。若在此阶段中( 曲线上某点e ) 进行卸载，则应变e ( f ) 沿着 曲线e f g 下降，最后应变为零。其中e f 曲线为瞬时弹性应变。之恢复曲线，而 f g 曲线表示应变随时间逐渐恢复为零。在卸载后应力立即消失，而应变不与应 力同步恢复，总是落后于应力，但却随时间逐渐恢复，具有这种性质的弹性变形 称之为滞弹性或弹性后效。 ( 2 ) 第1 i 阶段蠕变( 图2 1 b 的b c 段) 或称稳定蠕变阶段。蠕变曲线近似一倾 斜直线，应变速率大体保持恒定，即d 出c 溯f ，一直随时间发展到c 点。若在 此段进行卸载，则应变将沿曲线h u 逐渐恢复并趋近于一渐近线，最后保留一定 永久粘塑性变形。 ( 3 ) 第蠕变阶段( 图2 1 b 的c d 段) 或称加速蠕变阶段。应变速率由c 点开 始迅速增加，当达到d 点时，最终导致岩土材料发生破坏( 脆性或粘滞性破坏) 。 此段还可以分成两部分：即发育着塑性变形但尚未发生破坏的阶段( c p 段) 和微裂 软十流变模型及】t 工程应用 隙强烈发展导致变形剧烈增加和引起破坏的阶段( p d 段) ；此段又称为破坏阶段。 目前，岩土流变本构模型正朝着能描述岩土加速蠕变方向发展，研究岩土加速蠕 变阶段的变形特征，具有较大的工程运用价值和理论意义。因此，本文也着重从 能描述软土加速蠕变方向建立软土的流变本构模型。 任意应变阶段的持续时间决定于土体的性质和荷载大小。同种土体，荷载越 大，第1 i 阶段的持续时间越短，第阶段出现越快。在很大荷载作用下，几乎加 载后立即产生破坏。在中等荷载作用下，所有的三个蠕变阶段表现得十分清楚。 无论是衰减蠕变还是非衰减蠕变，区别的关键在于岩土的蠕变界限应力，亦即长 期强度。如果土体中的应力小于界限应力，将产生衰减蠕变，即时间的增长不能 导致土体破坏。反之，如果上体中的应力等于或大于界限应力，土体会由于蠕变 变形导致破坏。 2 1 3 影响土体流变性质的因素 土体流变性质受许多因素的影响。在不同条件下，显示出不同的性状，主要 影响因素有【3 1 l ： 2 1 3 1 矿物成分的影响 粘粒含量及其矿物成分对土的流变性质有很显著的影响，粘粒含量愈多，塑 性指数愈大，流变性质也愈显著。粘粒含量相同时，含蒙脱土土样的流变性最显 著，伊利土其次，高岭土的流变特性最不明显。 2 1 3 2 含水量及孔隙水性质的影响 同压缩性等一样，含水量大小对土的流变性也有影响，含水量越大，流变性 质也愈显著。孔隙水的性质对土的流变性质影响是显而易见的，孔隙水粘性越大， 结合水的粘性也越大，土的流变性也越明显。 2 1 3 3 应力历史和应力路径的影响 流变土体的变形和强度与时间有关，故现有固结应力作用持续的时间及历史 上应力变化过程以上土的变形和强度也将产生影响。试验研究还表明，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路径的影响。 2 1 3 4 应力大小的影响 图2 2 为一组典型的蠕变曲线。这些曲线随作用应力的不同，显示出各不相 同的蠕变过程。当剪应力小于某值时，例如仃 吼，则蠕变曲线是非衰减型，体现出明显的多阶段性，并且最终趋于不收敛， 硕士学位论文 使土体最终破坏。 2 1 3 5 温度的影响 在常规试验中，一般不考虑温度对 土的性质的影响。实际上，温度变化时， 孔隙水的粘滞性和压力都将发生变化， 而且温度的变化也将直接影响土体所含 水分的挥发，而导致含水量的变化，从 而影响土的流变性质。一般来说，温度 越高，蠕变速率越大，松弛应力越小。 图2 2 应力对蠕变曲线的影响阻。1 温度改变很大时，甚至可能使土的蠕变曲线从衰减型变为非衰减型。 2 2 流变理论概要 t 流变学中采用的模型可分为微分模型和积分模型两种形式。微分模型比较形 象，它是由具有基本性能的元件组合而成。通过这些元件不同形式的串联和并联， 得到一些典型的流变模型体，相应地推导出它们的有关方程和特征曲线，所导出 的流变方程是微分方程形式。所以，微分模型既是数学模型，又是物理模型。而 积分模型仅仅是数学模型，它是根据实际材料的流变方程和数学上处理方便而建 立起来的流变方程的典型数学形式，如指数函数积分形式、幂函数积分形式等。 微分模型比较容易掌握，数学上简便，应用较