（岩土工程专业论文）湛江强结构性粘土力学性状的时间效应研究.pdf

摘要 本文以湛江强结构性粘士为研究对象以先进的g d s 应力路径三轴仪为工具，开展其力 学性状的时间效麻研究，结合结构破坏的演化过程，系统研究了不同剪切应变速率对其力学 特性的影响，分析一维和三轴蠕变的力学性状；并尝试从微观层面解释其机理。 首先，开展了在不同剪切应变速率条件f 的三轴c u 试验，发现强结构性粘土具有独特的 剪切速率力学效应，其c u 剪切强度随剪切应变速率增大而呈现先减小后增大的特征，存在临 界速率现象；研究发现湛江粘土在低围压条佴：f ，剪切应变速率对孔隙水压力的影响很小， 随着围压的增大，其影响逐渐明显：其粘聚力与内摩擦角随剪切速率增大整体上分别呈现减 小与增大的变化规律，而当剪切速率增大到定程度均存在转折点但后者滞后于前者。引 起上述现象的原因在于粘土的结构性破损性状与其结构性强弱相关联，为深入认识结构性粘 土的工程特性提供了帮助。 其次，采用两种不同的加载方式，在室内开展了一维蠕变试验，研究了不同荷载条件下 士体的单向变形特性，认为在大多数情况下一i n t 之间呈线性关系，而在分级加载条件下， 荷载增量较小时则呈幂次关系即f = a ( i n t ) 8 ；攉导出应力一应变本构方程，其中含有隐性 反映结构性变化的指数参数。 第三，通过三轴排水蠕变试验，发现当围压小于结构屈服压力时，体变为剪缩与剪胀反 复交替的过程：丽当围压达到结构屈服压力时，体变却隧肘间线性发展：且l g e l g t 之间呈 线性关系，导出了类似m e s r i 模型的本构方程即占= ( d r t ) t “s ( t 、s 均为常数) ，对于 强结构性粘土，时间效应指数r l 是一个隐含徽结构变化的参数；并利用m o h r 包线，验证了粘 土长期强度随时间的延长而降低的规律：此外，给出了强结构性粘士在破坏阶段的变形一时 间关系即s = a t 3 + b t 2 + c f + d 。 最后，从微观层面分析了结构性粘土蠕变的变形机理，为今后研究此类问题提供一个可 能方向，即需加强微观层面的研究，从多学科角度探讨土体变形的本质，从而全面把握结构 性粘土的力学效应。 关键词：强结构性粘士力学性状剪切速率一维蠕变三轴蠕变本构模型微结构 r e s e a r c ho nt i m e - d e p e n d e n tm e c h a n i c a lb e h a v i o ro fs t r o n gs t r u c t u r e dc l a yi n z h a n j i a n ga r e a c a iy u ( g e o t e c h n i e a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y p r o f k o n gl i n g w e i a b s t r a c t ：b a s e do nt h es t r o n 【g - s t r u c t u r e ds o f tc l a yj nz h a n j i a n ga r e aa n dt h ea d v a n e e dg d st r i a x i a l t e s t i n gs y s t e m ，t h er e s e a r c ho nt i m e - d e p e n d e n tm e c h a n i c sb e h a v i o ro fs t r o n g - s t r u c t u r e dc l a yi n z h a n j i a n ga r e ah a v e b e e ni n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r i nw h i c ht h ee v o l u t i o n a r yp r o c e s s o f s o i ls t r u c t u r ed a m a g ei st a k e ni n t oa e c o u n ta n dt h em e c h a n i c sb e h a v i o ro f t h es t r u c t u r e ds o f tc l a y u n d e rv a r i o u ss h e a r i n gs t r a i nr a t ea n dc r e e pc o n d i t i o n so fo n ed i m e n s i o no rt r i a x i a la r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t e n t a t i v e l y , t h em e c h a n i s mo fd e f o r m a t i o ni se x p l a i n e df r o mt h ea n g l eo f m i c r o s c a l e f i r s t l y , t h ee f f e c t so f s h e a r i n gs t r a i nr a t eo nm e c h a n i c sb e h a v i o ro f z h a n j i a n gs t r o n gs t r u c t u r e d c l a yh a v eb e e ni n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yb ym e a n so ft r i a x i a lt e s t i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h es t r o n g s t r u c t u r e dc l a yh a ss p e c i a lm e c h a n i c se f f e c to fs h e a r i n gs t r a i nr a t e ，( a n d ) t h ec us h e a rs t r e n g t h i n c r e a s e sa tf i r s tt h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i nr a t e s 。a n dac r i t i c a lr a t ee x i s t s t h ee f f e c t o fs t r a i nr a t eo np o r ep r e s s u r ei sn o ts os i g n i f i c a n tu n d e rt h e1 0 wc o n f i n ep r e s s u r ec o n d i t i o n w h e r e a s w i t ht h ei n c r e a s eo fc o n f i n ep r e s s u r e ，t h ee f f e c tg r a d u a l l yb e c o m e ss i g n i f i c a n t f u r t h e r m o r e ，t h e c o h e s i o na n dt h ei n t e m a lf r i c t i o na n g l ee n t i r e l yd e c r e a s e sa n di n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i n r a t e ，r e s p e c t i v e l y , w h i c hs h o wt u r n i n gp o i n t sw h e nt h es t r a i nr a t ei n c r e a s e st oac e r t a i nv a l u e b u tm e i a t t e ri a g sb e h i n dt ot h ef o r m e r t h e s ep h e n o m e n aa r er e s u l t e df r o mt h eb r e a k a g eb e h a v i o ro fc l a y s t r u c t u r er e l a t e dt ot h es t r o n ga n dw e a ks t r u c t u r eo fs o i l ，w h i c hp r o v i d e sah e l pt ou n d e r s t a n dt h e e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so f s t r u c t u r e dc l a yf u r t h e r s e c o n d l y ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f d e f u r m a t i o no fs o f tc l a yu n d e rd i f f e r e n ti o a d i n ga r es t u d i e db y m o a n so fo n e - d i m e n s i o nc o n s o l i d a t i o nc r e e pt e s ti nw h i c ht w ok i n d sw a y so f1 0 a d i n ga r ea p p l i e d t h ea x i a ls t r a i n i sl i n e a rw i t hl nri nm o s tc o n d i t i o n se x c e p tt h a tt h ei n c r e m e n to fl o a d i n gi s v e r ys m a l lw h e nt h es t y l eo fs t a g el o a d i n gi sa p p l i e du n d e rw h i c hs = a ( i n t ) 6 t h ec o n s t i t u t i v e e q u a t i o ni sd e r i v e db ya n a l y z i n ge x p e r i m e n t a ld a t aa n dc o m p r i s e dai n d e xp a r a m e t e rt h a tr e f l e c tt h e c h a n g eo f s t r u c t u r eo f c l a yr e c e s s i v e l y t h i r d l y , t h er e s e a r c ho nt h et r i a x i a ld r a i n e dc r e e pi si n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yu n d e rd i f f e r e n t c e l lp r e s s u r e t h ev o l u m ec h a n g ei n c r e a s e sa n dr e d u c e sb yt u m sw h e nt h ee e l ip r e s s u r ei sl o w e rt h a n t h es t r u c t u r ey i e l ds t r e s s ，w h i l ea st h ee e l lp r e s s u r ea r r i v e st ot h es t r u c t u r ey i e l ds t r e s s ，t h ev o l u m e c h a n g ed e v e l o p sw i t h t i m el i n e a r l y t h el a wt h a tl g ei sl i n e a rw i t hi n fi sc o n f i r m e db y a n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e c o n s t i t u t i v ee q u a t i o ns = ( n t ) t “s ( t 、sa r e c o n s t a n t s ) t h a ti ss i m i l a rt ot h em e s r im o d e l i nf o r ma s p e c ti sd e r i v e d t h et i m ee r i e c ti n d e xni sa p a r a m e t e rt h a tr e f l e c t st h ec h a n g eo fs t r u c t u r eo f s t r o n gs t r u c t u r e dc l a yr e c e s s i v e l y t h er o l et h a tt h e l o n g - t e r mi n t e n s i t yd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft i m ei sv e r i f i e db yu s i n gm o h re n v e l o p e 1 n a d d i t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np 一，o f 占= a t + b t 。+ c t + di nt h ep h a s eo fr u p t u r ei s s u g g e s t e d f i n a l l y , t h em e c h a n i s mo fc r e e pd e f o r m a t i o ni sa n a l y z e df r o mt h ea n g l eo fm i c r o s c a l et h a t p r o v i d e sap o s s i b l ed i r e c t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h ，t h a ti st 0s a yt h a tt h er e s e a r c hi nm i c r o s t r u c t u r e s h o u l db es t r e n g t h a n e d t h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs t r u c t u r e dc l a ys h o u l db ei n v e s t i g a t e db y m e a n so fm u l t i - d i s c i p l i n a r ya n a l y s i st or e c o g n i z et h em e c h a n i c se f f e c to ft h es t r u c t u r a lc l a yi na n a l l r o u n dw a y k e y w o r d s ：s t r o n gs t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ；s o f tc l a y ；m e c h a n i c a lb e h a v i o r ；s h e a r i n gr a t e ；o n e d i m e n s i o nc r e e p ；t r i a x i a lc r e e p ；c o n s t i t u t i v em o d e l ，m i c r o s t r u c t u r e 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 经发表的和撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院武汉岩土力学研究所 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 作的贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者妊荔四 日期：脚多月，口日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉岩土力学研究所关于保留、使用学位论文的规定，即该所有 权保留、送交论文复印件，充许论文被查阅和借阅：可以公布论文的全部或部分 内容，可以采用影印、缩影或其他复制手段保存论文。 作者签名：兹嗣 日期：艚年月，o 同 翩签名：黝 日期：弦蟹年月厂d 白 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 早在1 9 3 6 年召开的第届国际土力学与基础工程会议上，研究人员就讨论 过结构性对土剪切过程的影响，并给出“土结构性”的定义：土颗粒对应于某种 结合体系的排列和形式( t h et y p ea n da r r a n g e m e n to fs o i lp a r t i c l e s ，a n d c o r r e s p o n d i n g l yt oac e r t a i ns y s t e mo fc o n t a c t s ) 。现代土力学理论给出的定义是指 土体颗粒和孔隙的性状和排列形式及颗粒间的相互作用。土颗粒结合的数量越 大，每个颗粒上的平均力就越小，因此这种结构就越稳定，结构重组的机会就越 小。由于结构性的存在，不应当再把土体看作是具有固定变形模量和强度指标的 材料，只能说土体的力学行为是随其结构的变化从原状士至q 扰动土逐渐转化的过 程【l l 。 作为土的一种固有特性，结构性并不以力学性质的形式出现，而是通过自身 的强弱变化隐性地影响着土的诸多工程特性。许多学者对原状粘土的力学特性进 行了大量的研究。国内外岩土工程师们发现许多地区的饱和粘土的工程性质都有 其不同的特性，诸如l o n d o n 粘土、b o s t o n 蓝粘土、曼谷牯土、o s l o 粘土、l e l a 粘土、上海粘土、湛江粘土等。这些粘土虽有共性，但其个性对工程建设影响更 为重要。 结构性粘土在我国分布广泛，沿海地区的粘土均具有不同程度的结构强度。 以强结构性著称的我国湛江软土以其独特的力学性质与工程问题引起学术界和 工程界的广泛关注。上世纪8 0 年代前后，罗鸿禧脚、陈守义1 2 、李作勤【3 】、谭罗 荣f 4 】、张诚斟5 i 等学者对湛江软粘土的微观结构、物质组成和物理化学特性等研 究取得了较大的进展，发现其不良的物理性质与良好的力学特性指标的“异常” 组合是由土体亚稳态的絮凝结构以及颗粒问很强的胶结作用所致；从力学特性来 看，结构性增大了土骨架的刚度。孔令伟等 6 - 刀则针对琼州海峡铁路轮渡工程北 港防波堤在进行爆炸挤淤施工中，出现按通常爆填施工抛石层未能达到原设计标 高，丽南港防波堤能按正常爆填施工的异常现象，着重对湛江海域软土的工程特 性及其微观机制进行了试验研究分析，认为湛江海域软土属极高灵敏性粘士，具 湛江强结构性粘土力学性状的时间效应研究 有一定的结构强度，而海口海域软土为淤泥而基本无结构强度是导致影响爆炸挤 淤施工不同效果的原因，并通过对湛江海域防波堤下卧软土层的结构性破损程度 分析、稳定性评价与变形监测，提出该下卧软土层可作为防波堤的持力层，防波 堤多年运营效果验证了其科学合理性，为充分利用软土结构性潜能进行设计提供 了成功实例，拓勇飞【8 1 从湛江地区区域地质演化特征的角度，研究了湛江软土的 赋存规律，分别对其物理特性、压缩特性、剪切变形特性、固结特性等方面进行 系统的室内土工试验及原位测试研究，指出湛江软土是一种典型的强结构性土。 其结构特性在各项物理力学性质指标中均有不同程度的关联与体现，并在常规试 验基础上研究了湛江软土在不同应力路径下结构性的力学效应，结果表明，与一 般弱结构性软土相比，湛江软土在结构屈服前的有效应力强度指标具有更为显著 的应力路径相关性；为跟踪宏观力学试验条件下其微结构形态的演化规律，利用 微观试验( 冷冻干燥样的压汞试验，扫描电镜等) 及超微观试验( 物理化学试验) 研究软土的微结构特征。然而，涉及湛江内陆性粘土的强结构性对其强度及变形 特性的有利影响，在实际工程加以利用的设计与工后效应评估方法尚无系统深入 的研究报道。 在岩土工程实践中，软粘土是最为软弱的，将其作为地基时常常需要慎重对 待，但是随着经济的发展，在结构性粘土分布地区进行大规模工程建设却是一个 不能回避的事实，对于土体而言一方面意味着上部荷载的施加速率加快，另一 方面，大型工程的工后效应也越来越显著，此时，结构性土自身特有的力学和工 程性质就逐渐显现出来，丽这些特性是我们在以前的研究中认识不够的，因此， 有必要对结构性土在这种加载条件不断变化下的力学性质和工程性质予以关注。 本文立足于结构性粘土的基本物理力学性质，着重考虑不同剪切应变速率以 及蠕变效应对结构性粘土力学性状的影响，探讨结构性粘土的独特力学特性及工 程利用的可能性。本章将就笔者所触及的有关研究历史与现状，给予一定的描述， 并明确本文的研究工作。 1 2 土体力学特性时间效应研究的历史与现状 第一章绪论 1 2 1 剪切应变速率对土力学指标影响的研究概况 1 2 1 1 剪切速率对粘土强度和孔隙水压力的影响 早在2 0 世纪五、六十年代，b j e l t u r l ，e t a l ( 1 9 5 8 ) 【9 1 ，r i c h a r d s o na n d w h i t m a n ( 1 9 6 3 ) 【1 0 1 ，c r a w f o r d ( 1 9 6 5 ) 1 1 1 ，j a r r e t t ( 1 9 6 7 ) 【1 2 】等发现加载速率对粘土的 应力一压缩特性和应力应变响应有显著的影响。a r c h i em r i c h a r d s o n 等( 1 9 6 3 ) 【l3 】对位于m i s s i s s i p p i 河流域底部的漫滩沼泽冲淤沉积的正常固结粘土重塑样 ( o b t m n e df r o mab a c k s w a m pa l l u v i a ld e p o s i tt y p i c a lo ft h o s ei nt h el o w e r m i s s i s s i p p ir i v e rv a l l e y ) 进行应变速率分别为1 m i n 至0 0 0 2 m i n 的三轴不排 水剪切试验，发现当应变速率由慢变快时，剪切抗力( s h e a rr e s i s t a n c e ) 峰值增 加1 0 ，在小应变情况下，增幅达到1 0 0 ，抗力随应变速率的增加而增加源于 小应变条件下基于有效应力的强度的增加和大应变情况下超孔压的消散。而且发 现： ( 1 ) 在大应变情况下，孔隙比和有效应力之间的关系和应变速率之间存在 明显的相关性，当应变速率增加时，有效应力随之增大以支撑当孔隙比为某值时 的土体，同时，相邻的土颗粒之间移动变得更加困难。总之，对饱和土而言，应 变速率的增加意味着有效应力和剪切抗力的增加； ( 2 ) 丽在小应变条件下，土体的力学性状则有显著的不同：有效应力比 仉毋随着应变速率的增大而增大。 从试验中发现，应变速率对正常固结粘土偏应力峰值的影响在各向异性固结 试样( a n i s o t r o p i e a l l yc o n s o l i d a t e ds p e c i m e n s ) 上表现得较之于在q = 吒条件下 固结试样明显。 而到了2 0 世纪7 0 8 0 年代，c r o o k s a n dg r a h a m ( 1 9 7 6 ) 【1 4 】，g r a h a m ( 1 9 7 9 ) ，v a i d ，e ta 1 ( 1 9 7 9 ) 0 6 1 ，a n dg r a h a m ，e ta 1 ( 1 9 8 3 ) 1 7 1 就发现当应变速率增 加十倍时，土的不排水强度增加约9 2 0 ；认为应变速率对土体不排水强度的影 响与土塑性、试验形式、以及在试验室重新周结过程中的应力历史均没有关系； 并且发现在半对数坐标中，多数粘土的不排水强度( o ，e ) 随着应变速率线 性变化的。 n i k h i l e s hr o y 等( 1 9 7 6 ) u s j 以粘土状的淤泥土击实样为对象，进行了应变 湛江强结构性粘土力学性状的时间效应研究 控制式固结排水剪( c d ) 试验，发现存在临界围压，在l 临界围压范围内，破坏 时的偏应力随着应变速率的增加而增加，当围压大于临界值时，破坏时的偏应力 随着应变速率的增加而减小：随着应变速率的变化，粘聚力( c o h e s i o n a l c o m p o n e n t ) 和内摩擦角的变化趋势是相反的，当应变速率 临 界围压时，粘聚力和内摩擦角似乎与围压无关。 t s u t o m uk i m u r a 等( 1 9 8 3 ) 1 9 1 分别以一种塑性指数为3 0 的k a w a s a k i 原状 粘土、两种k a w a s a k i 粘土与t o y o u r a 粘土的人工制备混合样( 塑性指数分别为 2 0 、1 0 ) 为对象，进行了c u 试验，发现当应变较小时，试样中部的孔隙压力明 显大于底部和外围值，而在应变较大时，差异逐渐淡化；同时发现，三种土的有 效内摩擦角之间的差异随着应变速率的降低逐渐淡化，当应变速率达到4 m 时， 这种差异可以忽略。 g u yl e f e b v r ea n dd e n i sl e b o e u f ( 1 9 8 7 ) 【2 川通过对加拿大q u e b e c 东北地区 三种灵敏性( 结构性) 粘土进行试验，发现对于天然超固结结构性粘土，偏应力 峰值随应变速率的提高而提高，然而孔隙水压力的变化受应变速率的影响却不明 显，并且发现。由于土样的疲劳，随着应变速率的降低，有效强度包络线随之变 低；而对于正常固结的d e s t r u c t u r e dc l a y ，由于土骨架的蠕变，应变速率的降低会 导致孔隙水压力的增大，但强度包络线却不变；然而，从量的观点来看，应变速 率的增大所引起强度的增大的规律对结构性粘土和正常固结粘土都适合，且至少 在5 个应变速率的对数循环中是线性关系。 王志玲等( 1 9 9 6 ) 川采用不同剪切速率的c u 剪，探讨了击实粘土在不同干 密度下，剪切应变速率对应力应变一孔隙水压力关系以及强度指标的影响，指 出土体在受剪历时变化范围不大时对总强度没有影响，但受剪历时增加较多时， 总强度将会下降。 姜洪伟等( 1 9 9 7 ) 1 2 2 在各向异性弹粘塑性本构关系的基础上，推导出考虑粘 性的各向异性不排水剪切强度表达式，探讨了剪切速率与不排水强度之间的关 系，并从理论上解释了各向异性不排水强度的速率相关性，通过试验和理论计算 指出不排水剪强度随剪切速率的减小丽减小。 h e l e na h n b e r g ( 2 0 0 4 ) 1 2 3 对s t a b i l i z e d 有机质土和粘土进行不同应变速率的 三轴试验，发现应变速率对土的不排水强度影响颇小；丽当应变速率增大丽产生 第一章绪论 的超孔隙水压力( j 下或负) 对排水强度有明显的影响。 1 2 1 2 剪切速率对粘土其他力学性质的影响 j o h nv f a r h ( 1 9 9 0 ) 2 4 1 分别对e n e w e t a k 的海滩砂土重塑土和河槽砂土重塑 土以及m i s s i s s i p p iv i c k s b u r g 地区的淤泥质粘土熏塑土等三种具有代表性的土样 进行不同加载速率的单轴压缩试验，发现随着加载速率的增大，残余硬化逐渐明 显；最大动静载荷侧限模量比是一个很重要的参数；并且指出即使在动力型荷载 作用下，蠕变现象也会出现。 l e r o u e l l ，e t a l ( 1 9 8 3 ) 1 2 5 对1 1 种c h a m p l a i n 海洋性粘土进行了超过1 5 0 组固 结试验，找出了盯：- - c ，关系，得出应变速率对所有c h a m p l a i n 海洋性粘土的的 影响是唯一的，同样与土的塑性、超固结程度、试验形式以及备样技术均无关。 d i n e s hi lk a t t i ，m 等( 2 0 0 3 ) z 6 1 通过对其他研究人员的试验数据进行分析， 发现粘土不排水强度的时间效应具有明显的超固结性质( t h et m d m i n e dr e s p o n s e o f c l a yw i t hi n c r e a s i n gs t r a i nr a t es h o w s a na p p a r e n to cb e h a v i o r ) ，指出应变速率 o c r 的变化是土体材料的内在属性，并且可以定量描述： i i n lc e ol + a 2 + 马f 易 o c r = e l 、 o ( 剪切强度o c r ) ( 1 1 ) ( b a s e do nr e f e r e n c ep e a ks h e a rs t r e n g t hv e r s u so v e r c o n s o l i d a t i o nr a t e r e s p o n s e ) h n f 计c 2 + d ii ，d 2 d ( m = e l 、7 o ( 超孔隙水压力o c r ) ( 1 - 2 ) ( b a s e do nr e f e r e n c ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ev e r s u so v e r e o n s o l i d a t i o n r a t er e s p o n s e ) 上述两式中，a 1 、a 2 、c l 、c 2 一材料参数，是o c r 的函数： b i 、b ：、d 、d ：一材料参数。 s l e r o u e i l 等( 1 9 8 5 ) 2 7 1 对不同种类的c h a m p l a i ns e a 粘土进行了四种固结 试验( 常应变速率试验、梯度控制试验( c o n t r o l l e dg r a d i e n tt e s t s ) 、多阶段加载 试验以及蠕变试验) ，发现土的流变特性从属于某种应力一应变一应变速率关系， 这种关系是唯一的，且能用两条曲线清楚地表示出来( 盯，一占v 和( 盯，7 7 一q ) ， 湛江强结构性粘土力学性状的时间效应研究 盯。一先期固结压力；o - ，7 一竖向有效应力：s ，一体应变； f 。一体应变速率，如。a 。 h a i p e n gl i ( 2 0 0 4 ) f 2 8 1 等对饱和冻粘土重塑样在不同干密度、温度和应变速 率条件下进行单向压缩试验，结果表明其抗压强度随温度降低线性增加，随应变 速率的增加而呈指数级的增加，并给出了考虑应变速率、温度和干密度影响的单 ，、o 4 7 0 o2 1 2 “ 向压缩本构方程仃。= ( 2 6 7 7 一o 8 4 0 p a x o 0 0 1e c ol ( 1 - 3 ) 其中，盯。为抗压强度，o o = 一l ，为无量纲参考温度。 1 2 2 土的蠕变研究历史与现状 土是由固体颗粒、液态水和气体所组成的多孔介质。在外力作用下，孔隙中 的气和水被排出，土颗粒趋向新的而较稳定的位嚣移动，士骨架产生变形。一方 面土颗粒与孔隙之间的摩擦力使孔隙水和气体的排出受到阻碍，从而使变形延 迟：另一方面由于土颗粒之问的接触是结合水膜之间的接触，结合水的粘滞性也 使得土体变形要有一个过程。因此，土体的变形是一个随时间逐步发展的过程， 显示出与时间密切的相关性，即流变性。 土的应力、应变受时间的影响是很明显的，不仅是粘土，即使是无凝聚力的 砂土，其变形都不是瞬时产生的，而是以某种速度增长的。根据应力状态的不同， 粘性土的变形速度有时是极其缓慢的，最后趋于停止；有时则是缓慢增长，最后 导致破坏。土体在外荷作用下，其强度有时随时间而降低，有时随时间逐渐增长。 1 2 2 1 粘土蠕变本构模型的研究现状 现代土力学奠基人t e r z a g h i ( 1 9 3 1 ) 【2 9 1 早在1 9 3 1 年就强调了粘土剪切强度 的时间效应；e y n n g 的速率过程理论( 1 9 3 6 、1 9 4 1 ) 3 0 11 3 1 1 则提供了全新的研究 方向，其理论的基本思想是：应变是由流体单元的相互位移组成，而其位移是通 过超越能量障碍实现的( t h es t r a i nc o n s i s t so f t h em u t u a ld i s p l a c e m e n to f f l o wu n i t s b ys u r m o u n t i n ge n e r g yb a r r i e r s ) 。根据这一理论，日本和美国的科学家对粘土和冻 土的蠕变性质进行了深入研究；而速率过程理论也在对各向同性介质和粒状介质 的研究中得到了验证，这些介质包括：沥青、聚合体( 各向同性介质) 和金属、 混凝土( 粒状介质) ，在粒状介质中，颗粒之间的联结强度和颗粒本身的强度具 第一章绪论 有相差不大；但是此理论在应用于离散介质例如粒子联结强度明显小于颗粒本身 强度的土体时，遇到了因结构性作用所带来的困难。 t e r - s t e p a n i a n ( 1 9 4 8 、1 9 7 5 ) 1 3 2 1 1 3 3 1 认为结构性土蠕变过程的变形一时间方程 为： s = m i n t + n ( 1 4 ) 其中，m 和n 都是常量。这个方程将在本文的第三章中得到验证。 他根据长期试验结果和速率过程理论，推导出结构性粘土分别在蠕变阶段和 破损阶段的本构模型。他提出的粘土蠕变的结构性分析方法为进一步研究粘土的 剪切强度长期强度提供了广泛的思路。 j i n h u ay i n 和j a m e sg r a h a m 等( 1 9 9 4 ) 3 4 1 从等效时间的概念推导出描述粘 性土在单向压缩条件下力学行为的粘弹性模型，该模型还能描述蠕变老化，松弛， 应变( 应力) 速率效应。 c h a n d r as d e s a i 等( 19 9 5 ) 1 3 5 1 对瑞士v i l l a r b e n e yl a n d s l i d e 的土进行单剪蠕 变试验，提出了模拟天然边坡蠕变特性的本构模型，此模型综合考虑了岩土材料 的特性，边界条件、地球引力、稳态、室内和现场试验以及计算方法等因素。 h d l i n 等( 1 9 9 8 ) 3 6 1 某处开挖场地附近粘土分别进行侧向扩展( 1 a t e r a l e x t e n s i o n ) 和单轴压缩常应力不排水试验，发现两种实验所引起的蠕变特点和程 度相似，但是所引起的孔压却有明显区别：在单轴压缩试验中，孔压的增大伴随 着蠕变的发展，而在侧向扩展试验中，孔压在初始阶段迅速降低，随之保持不变， 尽管蠕变在不断发展。在试验基础上，拓展了已有的蠕变模型，并考虑了超固结 的因素。 詹美礼等( 1 9 9 3 ) 0 7 j 通过对上海软粘土流变特性的试验研究，在已有理论基 础上提出能反映土体的弹性、粘弹性、粘塑性性质，亦能体现体的剪胀、剪缩 特性的带双屈服面的流变模型。 谢宁等( 1 9 9 6 ) 【3 8 】对上海地区几种典型的饱和软粘土做了大量的蠕变和应力 松弛试验，分析总结了主要的流变特性，认为上海地区饱和软粘土流变特性很显 著，且非线性，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。 门福录( 1 9 9 9 ) i 圳4 0 】对上海粘土进彳亍流变试验，发现瞬闻塑性变形比弹性 湛江强结构性粘土力学性状的时间效应研究 变形还大，不容忽视，并根据试验结果提出一个新的粘弹塑性模型。 王常明等( 2 0 0 4 、2 0 0 0 、2 0 0 1 ) 1 4 1 1 4 2 】 4 3 】对滨海软土进行三轴蠕变试验研究 表明，滨海相沉积的软土具有非线性蠕变特性，双曲线型更适合其应力一应变关 系：在试验基础上，修改了s i n g h - m i t c h e l l 模型的应力应变关系，建立了滨海软 土的应力一应变一时间关系：通过多级固结蠕变试验，提出了时间效应系数的概 念，构造了反映海积软土一维固结蠕变的本构关系；并基于海积软土维固结蠕 变的宏观力学性状与微观结构定量分析相结合的方法，提出了软土在外荷作用下 微观结构的演变模式，建议了一个含结构参数的固结变形本构关系。 陈晓平等( 2 0 0 3 ) 4 4 11 4 5 1 通过对珠江三角洲软土的试验研究，分析了其非线 性特征和蠕变特征，以及蠕变特性对软土地基变形和孔压消散的量化影响；在此 基础上，对软土蠕变一固结特性、计算模型、模型的数值求解方法和工程应用等 进行了系统的研究，探讨了土应力一应变模型、流变模型和固结模型的耦合机理， 建立了适用的非线性弹粘性固结模型。 陈铁林等( 2 0 0 1 、2 0 0 3 ) 4 6 】 4 7 1 将聚合物网络理论和速率过程理论应用到粘 土的流变特性分析中，得出了一些有益的结论：同时将双电层理论应用到试验的 设计中，得出了和理论分析一致的结果，从理论上研讨了结构性粘士砌块模型l 咽 的正确性，在堆砌体模型的基础上，建立了结构性粘土的流变模型。 1 2 2 2 粘土蠕变力学性质的研究现状 c a s a g r a n d e 和w i l s o n ( 1 9 4 9 、1 9 5 1 ) 4 9 】 5 0 1 1 5 h 对脆性粘土和粘性页岩进行了 恒定荷载下的蠕变研究，发现其破坏强度小于常规试验所测值；但是通过对两种 试验室击实土样和一种原状非饱和土样进行试验研究，发现在恒定荷载作用下， 即使含水量保持不变，强度也是随着时间的推移而提高。 李作勤( 1 9 9 2 ) 1 5 2 15 3 讨论了饱和粘土一维固结变形的非线性、体变和畸变 的同时性和依存性、次固结时间和变形量的有限性，提出用预压加固消除次固结 隐患的设计思想和计算方法：随后讨论了次固结引起的拟似超固结的特点以及超 固结比和固结压力的关系，描述了次固结变形随时间的变化以及次固结量s 。一晶 与前一天固结量的比值随压力的变化规律。 第一章绪论 王盛源( 1 9 9 2 ) 【5 4 1 把饱和粘性土的骨架视作粘弹性体，孔隙流体服从达西流 动条件，用此理论推导了饱和粘士的主固结和次同结变形，从理论上分析了工程 中的各种排水措施如砂井、砂垫层、塑料排水板等的排水固结功能。 马金荣等( 1 9 9 7 ) 针对淮河大堤老应段的原状和扰动土样进行剪切蠕变和 拉伸蠕变试验研究，发现粘土的蠕变剪切强度远远低于瞬时剪切强度，仅为后者 的4 0 。 于新豹等( 2 0 0 3 ) 5 6 】对连云港软土进行了一维固结蠕变压缩试验，把饱和粘 性土骨架视为粘弹性体，提出了一种划分主次固结的方法。 殷宗泽等( 2 0 0 3 ) 【5 7 】认为计算软土次固结的常用方法没有反映荷载变化的影 响，只适用于正常固结土；在试验及b j e r r t m 等时e l g p 曲线理论的基础上，提 出了相对时间坐标系与绝对时间坐标系的概念，建议在次压缩计算中采用绝对时 间坐标系，建立了一种新的次圃结计算方法。 章定文等( 2 0 0 3 ) 基于连云港海相软土的多级加荷一维固结蠕变试验，认 为、土体粘弹性应变和粘塑性应变约各占总应变一半，蠕变非线性，与时间相关， 且不可逆。 汤斌等( 2 0 0 4 ) 1 5 9 1 对具有流变性状的软土地基固结特性进行了研究，并编制 了相应的有限元程序，通过计算结果与实测结果的对比，指出在软土地基的固结 变形计算中，考虑流变性状的影响十分必要。 陈铁林等( 2 0 0 4 ) 1 6 0 l 现采用人工制各结构性粘土的办法，研究了结构性粘土 原状样和重塑样在不同剪切速率下的力学特性。 从以上研究概况看出，目前普遍认为土体力学性质时间效应的影响是存在 的。多数学者认为粘土强度随剪切速率的增加而增大，而对于孔隙水压力受剪切 速率影响则存在不同现象：对于粘土蠕变长期强度随时间的变化趋势还未形成共 识；对于强结构性粘土在不同围压、不同剪切速率下力学特性的研究、一维和三 轴蠕变分析以及相应的微观解释还比较少见。 1 2 3 土的蠕变模型t 6 1 】 湛江强结构性粘土力学性状的时间效应研究 历史上已经有很多学者对土的蠕变进行深入研究，并构造出许多模型，其基 本规律如下： 流变体所包括的范围是从e u c l i d e 刚体到理想的p a s c a l 液体。这是两种极端 理想物体，真实的物体介于这两个极端物体之间。包括h o o k e 弹性体，n e w t o n 粘滞体以及s t v e n a n t 塑性体等基本流变元件。所有流变物体均可以用这几种物 体表达其基本性质，或由这几种物体相互组合而成较复杂的流变体。 1 ：e u c l i d e 刚体 e u c l i d e 刚体为绝对刚体，施加任何外力均不变形。实际上这种物体是不存 在的。相应的本构方程为： s = 0( 】5 ) 2 ：p a s c a l 液体 p a s c a l 液体为不可压缩液体，能抵抗各向均匀压力而不产生体积应变，不能 抵抗剪应力即剪应力等于零。fof 3 ：h o o k e 弹性体 。0， h o o k e 弹性体为完全弹性，应力- q 应变呈线性i b， 关系。它的流变模型一般用具有完全弹性的弹簧表阪7 。a r c t g