（岩土工程专业论文）软土流变特性室内试验研究及长期强度的确定.pdf

摘要 随着社会的进步，经济的发展，务必要求基础设施的配套建设需要同步进行。 因而在土木工程建设过程中，经常会遇到软土地基。由土的流变引起的大量工程不 均匀沉降或沉降过大以及长期强度的变化引起边坡失稳等问题而导致的事故越来越 被人们重视。地基的变形和稳定分析在岩土工程设计中又有着特别重要的地位。我 国大部分软土是形成在全新世的中晚期，虽一部分软土埋藏在密实的硬土层之下， 但都具有含水量高、压缩性高、灵敏度高、孔隙比大、抗剪强度低、渗透性差、流 变特性显著等特性。而用经典力学的方法无法满意地解释它的应力应变关系。因而 有必要研究软土的流变特性。同时为了研究实际工程中现场工作环境下土的工程特 性，利用室内应力控制式三轴剪切蠕变仪研究土体在固结排水情况下的流变特性。 本文在广泛查阅、研究国内外学术成果的基础上以软土的室内流变试验研究及 长期强度的确定为研究内容，做了以下工作： 1 、本文对土的流变研究现状进行了简要的总结。归纳了研究土体流变特性的研 究方法和成果；并归纳了土的流变模型的分类和模型的优缺点以及流变模型在工程 中的应用。 2 、对汕揭高速公路路基的原状样软土进行了恒温下室内三轴固结排水蠕变剪切 试验。得到不同围压不同应力水平下应变( 轴向应变、体积应变和剪切应变) 和时 间的较为系统的关系曲线；根据试验成果分析了汕揭高速软土的流变特性，得出汕 揭高速软土应变应力关系的非线性。 3 、根据本文的试验成果和在m i t c h e l l 的应变速率与时间双对数线性关系基础上 建立了考虑应力状态的三维流变经验模型以及建立在应力应变等时曲线基础上的长 期强度估算经验模型。通过对长期强度经验的模型分析，得出在固结排水情况下软 土的长期强度比标准强度有较大提高。 4 、利用新建模型和p l a x i s 有限元软件中的流变模型对汕揭高速公路软土地基沉 降变形问题进行了分析；计算结果和现场沉降监测数据进行了对比，以检验模型的 合理性。 5 、对本文工作进行了总结，并提出改进的建议 关键词：软土流变三轴固结排水蠕变剪切试验长期强度流变模型有限元分析 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i a l ，t h ei 妇c t u r ep r o j e c t sm u s tb e d o n es y n c h r o n i z a t i o n d u r i n gc i v i le n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i n g , i to f r e nh a p p e n st h a tm a n y p r o j e c t sb u i l do nt h es o f ts o i lg r o u n d 1 1 地a n a l y s i so f s o f ts o i lf o u n d a t i o nd e f o r m a t i o na n d s t a b i l i t yp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i nt h ed e s i g n a t i o na n dc o n s t r u c t i o no fg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g s m a n yb u l i d i n ga c c i d e n t sa r ep a ym o r ea t t e n t i o nr e s u l t e di nn o n - u n i f o r m s e t t l e m e n to rh j l g hs e t t l e m e n tw h i c hc a u s e db yr h e o l o g yc h a r a c t e r so fs o f ts o i lo rs l o p e d i s s t a b i l i t yb yl o n g - t e r ms t r e n g t hc h a n g e d s o f tc l a yd i s t r i b u t e di no n rc o u n t r yd e p o s i ti n m i d d l e0 1 l a t eo f t h eh o l o c e n ee p o c h , w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i co f h i g h e rw a t e rc o n t e n t , h i g h e rc o m p r e s s i b i l i t ya n dl o w e rp e r m e a b i f i t y , h i g h e rs e n s i t i v i t y , b i g g e rv o i dr a t i o ，l o w e r s h e a rs t r g t h , w o r s tp e r m e a b i l i t ya n dm o r eo b v i o u s l yt h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，s o m eo f w h i c hl i e su n d e rc o m p a c th a r ds o i lh o r i z o n s 1 1 r e l a t i o nw i t hs t r e s sa n ds l l a i ni sn o t e x p l a i n e dw i t hv e r ys a t i s f a c t i o nb yt h em e t h o d s o f c l a s s i c a ld y n a m i c s s ow em u s tm a k ea d e e p e rr e s e a r c hf o rt h e o l o g yc h a r a c t e r ss o f ts o i l a tt h es r i m et i m e ，t os t u d ya b o u ts o i l e n g i n e e r i n gc h a 矗m ：t e r so nt h ep r o j e c t t h et h e o l o g yc h a r a c t e r so fs o i li ss t u d i e db yt r i a x i a l s h e a r - c r e e pa p p a r a t u s o f s t r e s s c o n t r o lu n d e rc o n s o l i d a t i o na n dd r a i n e d t h em a i nc o n t e n ti nt h i sp a p e ra l es t u d i e do nt h el a b o r a t o r yt e s to f t h e o l o g i c a l c h a r a c t e r so fs o f tc l a ya n dl o n g - t e r ms t r e n g t ho nt h eb a s i so fp a p e r sa b r o a da n di n t h e m a i nw o r ko f t h et h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 i nt h i sp a p e rs t u d yo ns o i lr h e o l o g ya r es i m p l yn a r r a t e d ；t h es t u d yo fm e t h o d sa n d a c h i e v e m e n t so nr h e o l o g i c a lc h a r a c t e r so fs o i la n dr h e o l o g i c a lm o d e l sa n di t sc h a r a c t e r s a l es u m m a r i e d ；t h eu s e so f r h e o l o g i c a lm o d e la r en a r r a t e d 2 c o n s o l i d a t e d - d r a i n e d s h e a r - c r e e pt r i a x i a lt e s t sa r em a d eo ns o f ts o i lw h i c hi sf r o m s h a n t o u - j i e y a n gh i g h w a ya tt h es a m et e m p e r a t u r e s y s t e m a t i ct e s td a t e sa b o u ts p8 pss a n dt i m ea r ea c h i e v e du n d e rd i f f e r e n tc e l ls t r e s sa n ds t r e s sl e v e l r h e o l o g yc h a r a c t e r i s t i co f s o f ts o i li ns h a n t o u - j i e y a n gh i g h w a ya r ea n a l y s i s e da c c o r d i n gt ot e s td a t u m 3 an e w3 dt h e o l o g ym o d e l , w h i c hm a yi n f l u e n c e0 1 1s 缸 e s ss t a t e si sb u i l t0 nt h eb a s i s o f m i t c h e l l sl i n e a ro f s t r a i n - s p e e da n dt i m ea n da c c o r d i n go nt e s td a t u m ，a n dan e wl o n g t e a ms 仃e n g t hm o d e li sb r o u g h t 叩o nt h eb a s i so f t h ee q u i t i m ec u r v e so fs t r e s s - s t r a i n i ti s c o n c l u d e dt h a tl o n g - t e r ms t r e n g t hi sb i g g e rt h a ns t a n d a r ds t r e n g t ho nt h ec o n d i t i o no f d r a i n a g eb yc o n s o l i d a t i o n 4 s e t t l e m e n td e f o r m a t i o no fs o f t s o i lf o u n d a t i o no fs h a n t o u - j i e y a n gh i g h w a yi s a n a l y s i s e db yt h i sn e wr h e o l o g ym o d e la n dr h e o l o g ym o d e lo fp l a x i sf e m c o m p a r e d w i t ht h eo b s e r v a t i o n a ld a t u m ，t h em o d e li sp r o v e dt ob ef e a s i b l ea n de x a c t i t u d e k e yw o r d s ：s o f ts o i lr h e o l o g y t r i a x i a lc o n s o l i d a t e d - d r a i n e dc r e e ps h e a rt e s t l o n gt e r ms t r e n g t hr h e o l o g ym o d e l f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的堂岔论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 堋年岁月弦e l 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ： 童至。釜砷年厂月却e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着社会的进步，经济的发展，务必要求基础设旌的配套建设同步进行。但是， 各种工程问题也就会随之而来。很多工程事故都与土体的流变有关1 1 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在建成后就开始位移，以大约一年3 7 毫米的恒速发展，十三年达到4 8 0 毫米；在这个期间的沉降总共为1 4 9 毫米。流动 涉及到厚1 2 米的土层，桥梁不得不撤毁重建。上海工业展览馆位于上海软土地基上， 1 9 5 4 年5 月开工，1 9 5 7 年6 月竣工，而目前中央大厅的平均沉降量已超过1 6 0 厘米， 室内产生严重裂缝i 甜。上海地区城市地面沉降问题1 3 i 和建筑物的不均匀沉降问题l 卅和 高速公路工后沉降变形问题和挡土墙的位移以及边坡尤其是天然边坡稳定问题等无 不与时间有关即土的流变特性有关。因此，土的流变问题与我们和谐的生活环境越 来越息息相关了。 。 1 2 土流变问题的提出 古典土力学中，计算土体的应力状态和稳定时，是以弹性理论和极限平衡理论 为基础的。这些理论是假定应力和变形与时间无关。计算参数是取某一时问内的试 验数据为依据。并没有考虑时间的因素。但是土体实际是一种三相体系的介质，它 由土颗粒作为基本骨架，水和气充填其中。其中水和土颗粒之间由于物理化学作用， 形成了结合水。在外力作用下，颗粒趋向新的稳定位置移动，土体而产生变形。同 时由于颗粒间的摩擦以及颗粒和水之间的摩擦存在，使得孔隙水和气体的排出受到 阻碍，同时也阻碍了骨架自身的变形，从而使变形延迟。根据应力状态的不同，粘 性土的变形速度有时及其缓慢，最后趋于停止；有时则逐渐增长，最后导致破坏。 同时，其强度有时是随时间而逐渐降低，有时是随时间逐渐增长。这说明了变形和 强度是时间的函数，也说明了土不仅具有弹性、塑性，还具有粘滞性即流变性，是 一种粘弹塑性体。这样，在土的本构关系里就不再仅仅是应力与应变之间的关系了， 而是应力、应变与时间三者之问的关系。故研究土的流变问题也就是研究土的应力、 应变以及时间变化之问的关系，它是流变学与土力学的交叉，是流变学在土力学中 的应用，并解决岩土工程中随时间有关的工程问题。 1 3 软土的类型及在我国的分布 河海大学硕士学位论文 我国的软土主要分布在沿海地区，在内陆和山区也有分布。沿海地区分布有三 角洲相沉积的软土，如长江三角洲、瓯江三角洲、闽江三角洲和珠江三角洲等。当 河流流至海洋时，流速急剧减小，由河水所携带的沉积物在河口沉积，以这种方式 在堆积在陆相和海相环境边界上的沉积物形成了三角洲。此类软土，其主要特点是 厚度较大，黏性土和砂土或者粉土相间成层；在内陆地区，河流相沉积软土沿江河 分布非常广泛，主要是由于河流改道泛滥期形成的沉积物和河岸沉积物构成的冲积 平原。这种沉积物都具有层理和纹理特征，有时夹细砂层，分布的范围比较小，土 层厚度变化比较大，一般不会遇到很厚的均匀黏土。特别是沿海地区，由于工程建 设发展比较快，建设的规模比较大，软土地基的工程问题也比较突出，曾经发生过 不少的工程事故，也取得了许多宝贵的经验，丰富了土力学的宝库嘲。 我国软土的形成，绝大部分在全新世的中晚期，一部分软土层埋藏在密实的硬 土层之下，如上海在暗绿色硬粘之下，广东肇庆在红色硬粘土层之下仍有软粘土 层。就软土的生因类型划分，可分为滨海相软土、弱谷相软土、泻湖相软土、三角 洲相软土、河漫滩相软土、牛轭湖相软土、谷底相软土、湖相软土和沼泽相软土， 由于沉积环境的影响，使颗粒组成、沉积厚度，结构及成层条件均有其特点忙l ，但是 都具有含水量高、压缩性高、灵敏度高、孔隙比大、抗剪强度低、渗透性差、流变 特性显著等特性，从而使得它的应力应变关系用经典力学的方法无法得到满意的解 释。需要从流交学的角度来考虑。 1 4 软土流变研究现状 1 4 1 流变概述 “流变 ( r h e o l o g y ) - - 词来源于古希腊哲学家h e r a c t i t u s 所说的“l r c t y r a p e t , ” 意即万物皆流。1 9 2 2 年b i n g h a m 流动和塑性著作的出版，标志着流变学成为一 门独立的学科。随着生产力的提高、科学的发展和生产的需要，流变学于1 9 2 9 年在 美国成立了流变学会，随后在各个领域得到广泛的应用。而土的流变学顾名思义就 是以土体作为对象，研究其在外力和其自身重力作用下的应力应变状态变化及其随 时间变化规律的- - f 3 科学。但关于土的流变特性，直到2 0 世纪5 0 年代以前，国内 外的学者还是很少注意的，后来由于在某些岩土工程中因流变破坏引起的事故( 如 坝、桥、建筑物、地基基础、堤防、边坡、基坑、隧道以及其他地下工程围岩变形 等) ，而引起科学界的重视。直到1 9 4 8 年由荷兰的葛兹( g e u z e ) 和我国科学家陈宗 2 第一章绪论 基1 7 l 的研究开始才标志着系统的土流变学研究的开始。通过一系列的试验，提出了粘 土具有三种屈服值：即第1 屈服值、第2 屈服值和第3 屈服值。当时荷兰的o l a g g e n m a n 大桥、z u i d e r z e e 海堤及软土铁路路基因流变而破坏，从而引起荷兰科学家的重视， 开始了系统的土的流变特性的研究工作。而后在1 9 5 3 年的第三届土力学和基础工程 会议上开始了许多土的流变问题的报告和发言。在关于土、雪和冰的蠕变问题的综 合报告中指出蠕变研究将影响土力学的将来发展，因为蠕变变形直接或者间接地对 土力学的发展过程起作用嘲。在此后的各届土力学会议上，有关土的流变报告数量越 来越多，以至于第七届会议上成为综合报告的主要部分。之后有荷兰、苏联、葡萄 牙、日本等许多国家把土流变学列为重要的研究方向。 我国对土流变的研究开展比较早，并做了许多工作，取得了相当的成果。1 9 5 9 年陈宗基教授从宏观和微观两个方面先后提出了粘土的流变本构方程、二次时间效 应及片架结构理论唧。土流变学的基本课题是研究应力应交的变化规律及其随时间 的变化，并根据建立的本构方程去解决工程实际中遇到的与流变有关的问题。为了 改进土工建筑物的计算，几十年来有许多学者作了许多工作，取得了较为丰硕的成 果。一般包括以下几个方面的工作：( 1 ) 蠕变：即在恒定的应力作用下变形随时间 增长的过程；( 2 ) 应力松弛：即在变形恒定的情况下，应力随时间衰减的过程；( 3 ) 长期强度：即在长期荷载作用下，强度随受荷历时变化的现象；( 4 ) 流动：即给定 时间的变形速率随应力变化的现象i l 哪。 目前情况下，人们研究土体的流交特性，解决的问题或研究的侧重点主要有以 下三个方面：( 1 ) 、本构模型的建立，探讨用什么样的本构方程去描述土的应力、应 变及时间之间的关系，使得本构方程即能够准确反映土的流变特性，又能考虑到实 际工程中的可能性；( 2 ) 、本构方程的解析，包括方程的解析解和数值解；而数值解 主要有有限单元法、边界元法、无限元法、有限差分法等；( 3 ) 、工程问题的应用， 选用适当的模型和解析方法，解决工程中的问题。而研究方法一般是通过以下三个 途径：即微观和宏观以及这两个方面的结合，前者主要从土的微观结构研究土的流 交特性的变形机理和影响因素，但由于目前的研究手段和研究设备的不成熟和不完 善，还不能给出较为量化的分析，或者这方面的研究成果不可再生和没有刊出，即 只能作定量的分析。而后者则是假定土是一种均一体，利用直观的模型来模拟土的 结构，采用力学手段来建立方程和数学方法得到方程解，即量化分析土的流变规律 及其给工程带来的影响，并利用现场的实测资料来评价模型的可行性和合理性。通 3 河海大学硕士学位论文 过探讨土体内部的微观结构与宏观流变特性的内在规律的变化，从机理上进一步反 映软土的流变规律。 1 4 2 土的流变试验研究现状 为了定性和定量的认识土的流变特性，必须进行土的流变试验。土的流变试验 正如前面所说的有三方面包括微观试验、宏观试验以及这两个方面导的结合试验。 1 4 2 1 土体流变的微观试验研究 在流变学的微观结构研究方面，首先利用低倍放大镜和肉眼，继而是光学显微 镜对土体微观结构进行研究，形成了土微观结构的概念和相关模型。1 9 2 5 年t e r z a g h i 太沙基首次提出土微观结构概念，并提出了粘土的蜂窝结构。g o l d s c h r r l i d t 于1 9 2 6 年提出了黏土的片架排列结构。c a s g r a n d e 于1 9 3 2 年发展了t e r z a g h i 的蜂窝结构， 提出了蜂窝结构中基质粘土和键合粘土的概念。l a m b e 在1 9 5 3 年至1 9 5 8 问曾从胶 体化学、双电层理论出发，提出了边边、边面接触的开放形式非盐絮凝结构，面面 和边面接触的“盐絮”结构以及面面接触的分散排列结构。我国陈宗基于1 9 5 7 年将 粘土中片状颗粒的接触形式分为点面、边面、面面接触，并将粘土片状颗粒的相互 作用形象地描绘成三维网络模型。2 0 世纪6 0 年代以后由于受到新技术革命的冲积、 测试水平的日益提高，尤其是扫描电子显微镜等先进仪器的应用，使土微观流变学 的研究得到迅速的发展。如v a no p h e n ( 1 9 6 3 ) 综合并扩充了已有模型，提出了边边、 边面的“絮凝集合”的结构模型，类似于后来的“片堆架”或“书本家”结构。到 7 0 年代后期，由于计算机技术的不断提高，使得土的微观结构在另外一个方向 定量化分析技术也得到了很好的发展并取得了较大的进展。应用x 光衍射仪和偏光 显微镜对粘土矿物的定向行进行二维和三维的研究。尤其是计算机图像处理系统被 引进土结构的研究中，使得土结构的定量化水平上了一个新台阶。值得一提的是， 1 9 7 3 年8 月在瑞典歌德堡( c h a l m e r s u n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y ) 召开了首届国际土结构 会议，就微观结构的观察技术和定量方法，土的宏观和微观结构、土的矿物化学过 程对土结构的影响以及从微观结构角度分析土的变行于破坏机理等方面进行了交 流，展示了里程碑的作用。如s r i d h a r a n 等( 1 9 7 1 ) 研究了土中孔隙的分布，o s i p o v 等( 1 9 7 3 ) 对粘性土微观结构的定向化进行了研究，m i t c h e l l ( 1 9 7 6 ) 对粘土微观结构及其 控制因素的定量化进行系统的分析研究，t o v e y 等( 1 9 8 0 ) 应用计算机图像处理系统 对土的微观结构进行了定量化分析，取得了很有价值的成果。8 0 年代以来的研究重 点是微观结构定量化技术研究的进一步深入t o v e y ( 1 9 8 9 1 9 9 0 1 9 9 1 ) 、c a m o o r e 4 第一章绪论 和c e d o n a l d s o n ( 1 9 9 5 ) 、吴义祥( 1 9 8 8 ，1 9 9 1 ) 、施斌( 1 9 9 0 ，1 9 9 5 ) 、王清0 9 9 7 ) 等对 粘土微观结构图像进行计算机分析处理研究，取得了显著的成果1 1 1 1 2 1 从微观结构方面建立土的本构关系的探索。主要代表是以b a z a n r 为首的研究 者，c a r o l 等相继对粘性土的变形、蠕变、岩石和混凝土断裂等方面建立了微观力学 模型1 1 3 1 我国开展粘性土微观结构的工作比国际上晚了几十年，除了陈宗基( 1 9 5 7 ) 提出粘性土三维网格模型和6 0 年代末张宗枯、林崇义、朱海之等对黄土结构开展一 些工作外，直到7 0 年代末，我国才开始对粘性土微观结构的研究工作才真正开展起 来。到8 0 年代中期达到高潮，此时对结构形态分析较少，一般多是结合粘性土尤其 是某一特殊土( 如黄土、膨胀土、软土等) 工程性质，应用土结构在解释一些土特 殊的工程性质方面取得了较大进展。如李生林、施斌等于1 9 8 2 年对海相沉积粘土特 性的微观结构进行深入的研究。曲永新等( 1 9 7 7 ) ，王幼麟( 1 9 8 0 ) ，陈守义( 1 9 8 0 ) 对软 岩微观结构特征与工程特性进行了详细分析。在微观结构各样技术有了重大进展， 填* f t 我国在微观结构备样技术上的空白。如李生林( 1 9 8 5 ) 等、和吴义祥( 1 9 8 8 ) 等分 别成功地研制了冷冻真空升华干燥仪，填补了我国微观结构各样技术的空白。虽然 我国在土的微观结构方面研究也取得较好的成绩，但是也应当看到目前存在的不足， 如在备样技术上虽然真空冷冻干燥仪已研制成功但速度和硬件与国际上还存在着一 定的差距；粘性土的微观结构在定量研究与国际上还有较大一段距离；从微观结构 角度建立土的微观力模型并对粘性土的力学性状进行模拟也存在一定的差距，因此 还有许多课题需要在以后的实践和科研中做出努力。由于本文内容所限，不在此一 一列举。 1 4 2 2 土体流变的宏观试验研究 土体的宏观流变试验可分为现场流变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、基坑开挖后向临空面的侧向 变形、边坡的位移、地面的下沉等。钱征等在十字板剪力仪的基础上，对变形观测 部分做改进而成十字板流变仪，用于现场测量土的长期强度参数1 1 4 1 。土的室内流变 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，对得到 的系统的试验结果进行归纳、提取因素，建立能够刻画试验结构的模型，然后通过 现场测试资料检验校正。按照所施加外荷载的方式不同，可以将土的室内流变试验 区分为两大类：直接法和问接法。前者是直接施加剪力的试验方法，包括直接剪切 和扭转试验；后者则是利用单轴或者三轴压缩或拉伸的试验，包括一维固结试验和 5 河海大学硕士学位论文 三轴剪切试验。常用的室内流变试验仪器有单轴压缩流变仪、三轴流变仪、扭转和 单剪流变仪、直剪流变仪以及进行蠕变应力松弛耦合试验的常规应变控制式三轴仪 和直剪仪。三轴流变仪包括土体流变仪中的三轴蠕变流变仪、三轴应力松弛试验仪 和m - 8 型三轴流变试验仪和g d s 三轴流变试验仪以及球形静水压缩蠕变试验仪。 直剪流变仪包括直接剪切蠕变试验仪和直接剪切松弛仪。谢宁和孙钧在1 9 9 6 年利用 三轴剪切仪和直剪仪做了上海地区三种典型饱和软粘淤泥质粘土、褐黄色粉质粘 土和暗绿色粉质粘土在排水条件下的蠕变和应力松弛试验，建立了反映蠕变和应力 松弛统一的非线性流变经验本构关系，还讨论了长期强度问题1 3 i 。赵明华等在2 0 0 4 年利用室内直剪蠕变试验对西原模型进行了改进i 堋。 下面介绍一下本文所用的三轴蠕变试验仪：( a ) 压力室：压力室与常规三轴剪 力仪的压力室相似，土样由橡皮模固定于压力室内。试验时，室内充水，通过气压 压水，由水压向土样施加围压。土样上端排水，并与捧水量测管相连以便观测试验 过程中孔隙水的排出量；下端与孔隙压力检测仪相连，以便监测孔隙压力随时间的 变化。( b ) 加压系统：围压通过空压泵或氮气瓶产生，压力的大小由调压阀调节， 由压力室内的水传递，向土样施加均匀的围压。竖向偏压通过施加砝码来实现，并 保证形成蠕变的应力条件，即在围压不变的条件下产生恒定的偏应力。( c ) 量测系 统：在蠕变过程中，要分别获取应力水平、应变量、孔隙水压力以及排水量等数据。 围压大小由调压阀控制，并有压力表监测；竖向偏应力根据砝码的重量和土样的截 面积得到；应变大小通过百分表对变形的量测导出：孔隙水压力通过压力传感器以 及与之相联的孔压检测仪量测；捧水量由与排水管相通的排水量测管测得。土样的 尺寸为截面积1 2 c m 2 、高8 c m 的圆柱体。本文限于篇幅，关于各仪器的功能和使用 以及注意事项在此就不详细阐述。 1 4 3 土体流变本构模型的研究 1 4 3 i 元件流变模型理论研究 元件模型是用模型元件( 牛顿粘壶体n 、胡克弹性体h 、圣维南塑性体s ) 的组 合来模拟岩土的流变行为。通过室内蠕变、松弛试验得到应力一应变一时间曲线， 分析时间对应力一应变曲线的弹性阶段、弹塑性阶段的影响，建立由各元件串联或 并联而成的模型来模拟实际岩土体的应力一应变关系，然后调整模型的参数和组合 元件的个数，使得模型的应力一应变曲线和试验结果相一致。在元件的组合模型中 较著名的有毳与弹性模型中的麦克斯韦尔体( m a x w e l l 体) 、开尔文体( k e l v i n 体) 以二 6 第一章绪论 及广义开尔文模型、西原流变模型和广义的西原流变模型；粘弹塑性模型中的村山 塑郎流交模型、修正的考马母拉一黄模型、b u r g e s 模型，理想粘塑性体、刘宝琛模 型、马明军模型、索费尔德模型等。虽然物体模型理论的概念直观、简单，然而， 元件模型只能说明某些现象，不能反映实质，例如，岩土的松弛现象，表明它与麦 克斯韦尔体相类似；弹性后效性质与开尔文体相似；从岩土的极限强度来看它又具 有宾哈姆体的特性。因此，用元件模型说明岩土的复杂性质显然有困难，它只适用 与一定的范围。 1 4 3 2 屈服面流变模型的研究 屈服面流变模型研究弹塑性理论的三要素( 屈服面、关联准则和硬化规律) 随 时间的变化规律。该类模型结合流变机制的研究，建立了符合实际的三维流变模型。 而流变机制的研究可分为体积蠕变和偏态蠕变规律、应力松弛规律、应力松弛与蠕 交耦合等4 方面。体积蠕变规律研究体积变形速率随时问的变化特征，而偏态蠕变 ，j 规律最初是在偏应力水平d 处于0 3 至0 9 之间当d 固定，l n e 和i n t ，t 固定时l n 毛 和d 都成直线关系。后来在此基础上，拓展了d 的适用范围，并提出了考虑超固结 因素的新的方程式1 扣埔i 。 b o r j a 于1 9 9 2 年得到了一个关于反映蠕变和应力松弛耦合效应的微分本构方程 1 1 9 l 。 殷建华于1 9 9 9 年基于体积蠕变规律推导出一维弹塑性等时模型1 2 0 1 ； b o r j a 和k a v a z a n j i a n 于1 9 8 5 年认为修正剑桥屈服面中的硬化参数一一等向固结 应力不仅是塑性应变也是时间的函数，时间相关的塑性部分用时间比例系数通过体 积蠕变规律或偏态蠕变规律求得，体现了塑性变形和粘塑性变形的耦合作用。该模 型揭示了如比昂初中屈服面随时间的变化规律，适用于压缩区的任意应力路径但 模型中的时间比例系数的求取即可用体积蠕变规律又可用偏态蠕变规律，使人产生 两种流变机制等同的模糊概念1 2 1 i 。 李军世于1 9 9 7 年利用b o r j a ( 1 9 9 2 ) 模型的流变机制，结合魏汝龙修正剑桥模 型屈服面，使得变形更接近于实际阎。 廖红建于1 9 9 8 年采用非关联准则，屈服面和塑性势面都为剑桥模型形式，提出 了考虑时间效应、剪胀性的弹粘性模型，反映了蠕变试验中应力点接近临界状态时 体应变的剪胀现象侧。 7 河海大学硕士学位论文 h s i e h 和k a v a z a n j i a n 于1 9 9 0 年提出米赛斯屈服面g = q q ，和修正剑桥模型屈 服面相交的双屈服面模型。该模型的两个屈服面解释了体积蠕变和偏态蠕变存在的 原因，能够很好地阐述应变率效应，比单屈服面模型更真实的反映实际情况1 2 4 1 。 詹美礼和钱家欢于1 9 9 3 年将殷宗泽的一个土体的双屈服面应力一应变模型中1 2 5 l 的体积硬化参数和塑性剪应变置换成粘塑性体积变形和粘塑性剪切变形，得到一个 弹粘塑性双屈服面模型。这个模型既反映了土体的剪胀、剪缩性，又反映了流变性 质孙i 。 而当d e s a i 和z h a n g 这个单一的连续屈服面模型的出现，避免了使用两个或更多 的屈服面的不连续性问题，适用于粘性土和软岩唧。 i a - 3 3 内时理论和经验模型的研究 内时理论最初由v a l a n i s h e l u b j e l 于1 9 7 1 年提出，用以描述耗散材料的粘塑性 ( 热力学不可逆) 过程的理论。它的基本概念为：塑性和粘塑性材料内任一点的现 时应力状态是该点领域里整个变形和温度历史的泛函；变形历史用取决于变形中材 料特性和变形程度的内蕴时间来度量；通过对内变量表征的材料内部组织的不可逆 变化，必须满足热力学约束条件的研究，得出内变量的变化规律，从而给出显式方 程。它摒弃了传统塑性理论所采用的单纯用应力或空间点来描述物体所处的应力应 变状态的方法，而在内时空间中对物体的应力应变状态进行描述；屈服面概念和运 动硬化和等向硬化规则可以作为内时理论的特殊情况，通过理想化和简化得到。 a d a c h i 于1 9 8 5 年将内时理论用于冻砂土上，建立了本构模型，描述应变软化现象i 。 在1 9 9 8 年进一步修正上述模型，加进应变软化因子，使之不仅适用于软岩应变软化 现象，而且可以描述蠕变应力松弛和应变率效应1 3 2 i 。我国的陈沅江、潘长良、曹平 等学者于2 0 0 3 年从内时理论出发，通过在内蕴时间中引入牛顿时问，在h e l m h o l t z 自由能中引入损伤变量，对它们分别进行重新构造，利用连续介质不可逆热力学的 基本原理推导了软岩的内时流变本构方程i 硎。 其实早在1 9 2 5 年，t e r z a g h i 就已经提出了蠕变的概念，并指出某些土具有蠕 变特性。近几十年来，为了弄清时间和应变速率对土的抗剪强度和变形特征的影响， 国内外一些学者在土的应力一应变一时间响应方面作了大量研究。这类研究的典型 例子是蠕变和应力松弛试验。前者是在试验过程中使所加荷载保持不变，从而量测 出变形随时间的变化：后者是在试验过程中保持变形状态不变，则可量测出应力随 0 第一章绪论 时间的变化。鉴于大多数岩土工程问题中保持不变的是荷载而非变形状态，敌对蠕 变的研究要比对应力松弛的研究广泛得多。国内外许多学者通过对蠕变试验结果的 整理分析，建议了众多的蠕变经验计算公式。流变经验本构关系可区分为以应力、 应交的形式出现的经验函数型和以应变速率应力的形式出现的速率型的经验函数。 而速率型的本构关系反映了土流变过程中的粘滞流动特性，其又分为时间显示在本 构模型中和时间以速率的形式出现的时间隐式本构模型。常见的经验函数形式有幂 函数型、双曲线型、指数型、多项式型等。如k e e d w e l l ( 1 9 8 4 年) 和v y a l o v ( 1 9 8 6 年) 总结了土体非线性流变常用的一些速率型的本构关系，如 = ( f r 彤 i = s m p l r = r e x p ( r r + 1 ( 1 1 ) 进一步的研究，应该考虑剪应变速率随时间的变化，即或是时间的函数。 v u l l i e t 和h u t t e r ( 1 9 8 8 年) 给出了与时间的一些常见关系： ( f ) = e x g t , j ) y ( o - - ( t 。t r ( 1 2 ) v y a l o v 还给出了下面的剪应变速率的表达式： 乡= 仉( 1 ( 1 + f 妒”，疗( ) = 五一五，r ( f o r ) ( 1 3 ) 当n o 时，式1 3 中变形速率随时间减小，可描述为衰减蠕变；当厅= 0 时，产 生恒定速率的流动，可描述等速蠕变；当n o 时，变形速率随时间增长，可描述加 速蠕变。 1 4 4 土体流变问题的解析研究 众所周知，对软土材料而言，其应力一应变一时间的本构关系一般都是非线性的。 因此，对线性流变问题中适用的对应性原理在非线性流变中就不在适用。而流变问 题的解析有两个方面，即解析解和数值解。由于流变问题较为复杂，所以能得到的 解析解问题较少。在解析解方面，我国学者徐志英于1 9 6 4 年采用k e l v i n 模型，推倒 出考虑土体骨架蠕变的三维固结基本方程p 4 1 ，并求出了轴对称情况下的理论解；钱 家欢与王盛源将l e ee h 的比拟法推广到饱和粘弹性土体，并假定存在位移势函数， 9 河海大学硕士学位论文 同时导得采用m e r c h a n t 模型的饱和粘弹性土体平面应变固结理论解m i 。数值解主要 是有限元法，还有边界元法、无限元法以及它们的耦合、有限差分法等。对现有的 数值解，一般采用时步增量迭代法，即对每一个荷载增量，把非线性流变问题简化 为一系列的线性流变增量来求解，通过用一系列的线性流变来逼近非线性流变，最 终可得非线性流变问题的解答。 1 4 5 流变模型在工程上的应用 任何一种理论都将必须用到实际中去，接受实际的考验，否则就失去价值。同样， 流变模型也一样也必须用到实际中去解决问题。例如上述在文献 1 9 1 中，殷建华等人 引入等效时间的概念，采用对比拟合法，推导出三维状态下的应力一应变一时间关 系，将模型应用于比奥理论中，成功应用于香港地区的软土地基沉降中。在文献 2 5 】 中把粘弹塑性模型应用于隧道有限元固结分析中 1 5 本文所作的工作 本文在广泛查阅、研究国内外学术成果的基础上以软土的室内流变试验研究及 长期强度的确定为研究内容，做了以下工作： 1 、本文对土的流变研究现状进行了简要的总结。归纳了研究土体流变特性的研 究方法和成果；并归纳了土的流变模型的分类和模型的优缺点以及流变模型在工程 中的应用。 2 、针对软土的流变特性及规律的研究，本文立足于室内试验，对汕揭高速公路 路基的原状样软土进行了恒温下室内三轴固结排水蠕变剪切试验。得到不同围压不 同应力水平下应变( 轴向应变、体积应变和剪切应变) 和时间的较为系统的关系曲 线；根据试验成果分析了汕揭高速软土的流变特性。 3 、在m i t c h e l l 的应变速率与时间双对数线性关系基础上并根据本文试验成果建 立了考虑应力状态的流变经验模型；还建立了长期强度经验模型，通过对长期强度 经验的模型分析，得出在固结排水情况下软土的长期强度比标准强度有较大提高。 从而得到排水情况良好的情况下，可以加强地基的稳定性。 4 、利用新建模型和p l a x i s 有限元软件中的流变模型对汕揭高速公路软土地基沉 降变形问题进行了分析；计算结果和现场沉降监测数据进行了对比，以检验模型的 合理性。 5 、对本文工作进行了总结，并提出改进的建议。 第二章软粘土的三轴剪切流变试验与试验成果的分析 第二章软粘土的三轴剪切流变试验与试验成果的分析 2 1 试验研究目的 岩土流变本构模型的建立、模型参数的确定等等都要用到试验数据和资料。而岩 土流变试验包括现场试验和室内试验。现场试验需要在实际工程中测试岩土体材料 及岩土体结构物的现场流变数据，如测试地基的长期沉降、基坑开挖后侧壁向邻空 面的位移以及坑底卸荷后的变形、边坡的位移等等。我们知道岩土体的应力应变是 十分复杂的，如果在考虑时间对岩土体的力学特性的影响，就更为复杂了。但是为 了满足工程实际上强度和变形问题的时效特性的需要，现场试验条件又不允许的情 况下，进行室内试验。而室内试验主要是通过室内的三轴仪，剪切仪等仪器对土体 进行其蠕变、松弛、长期强度等流变现象。而室内试验按照加外载的方式不同，可 以分为：直接法和间接法。前者指直接施加剪力的试验方法，包括直接剪切和扭转 试验；后者则是利用单轴或者三轴压缩或拉伸试验，包括一维固结试验和三轴剪切 试验。而对于不同的研究目的、研究对象和研究内容，其试验方法及其仪器设备也 是多种多样的。 2 2 软粘土的常规三轴固结排水剪切试验 试验所用的土样取自汕头至揭阳高速公路路基的原状软土。试样为原状圆柱样， 直径3 9 1 c m ，高8 c m 。对粘土进行了四组常规三轴固结排水剪试验，采用剪切速率 为0 0 1 6 m m m i n ，围压分别为1 0 0 k p a 、2 0 0 k p a 、3 0 0 k p a 、4 0 0 k p a 。得到摩尔强度包 线如下图2 1 所示。 i 2 0 0 $ 0 04 0 0 郅o5 7 0 0 o1 0 0 0 图2 1 摩尔圆及强度包线 拟合试验曲线，得到软土固结排水剪强度值为c = 5 9 k p a ，留= 2 3 7 0 。 2 3 软粘土的三轴固结排水剪切蠕变试验 河海大学硕士学位论文 2 3 1 试验方法和试验思路 对于土的室内流变试验中，有两种不同的加载或加应变的方式，即分别加载( 或 加应变) 和分级加载( 加应变) 。所谓分别加载( 或加应变) 如图2 2 所示，就是对 同一土样需要取得完全相同的该土样若干，在完全相同的仪器、完全相同的试验条 件、不同的应力水平( 或应变水平) 下同时进行试验，得到的是一簇不同应力水平 ( 或应变水平) 下的蠕变( 或松弛) 全过程曲线。但是，真正做到严格的分别加载 ( 加应变