（岩土工程专业论文）土流变性质研究与滑坡三维非线性有限元数值模拟.pdf

则川i 大学博士学位论文 土流变性质研究与滑坡三维非线性有限元数值模拟 专业：岩土工程 研究生：王琛指导教师：刘浩吾教授 摘要 三峡水库蓄水势必严重影响库岸的地质环境，有可能导致一批滑坡体复活 乃至失稳破坏。生成库水诱发型滑坡对三峡工程本身以及库区移民的安全都 会造成巨大的威胁。 高面板堆石坝中堆石体的流交变形直接关系到大坝安全，近年在国内外受 到关注，天生桥工程中的相关现象凸显了这一问题的意义。 为此。本文田绕岩土材料的流变特性和滑坡的变影稳定分析，对滑动带、 堆石料的流变试验、流变机制、流变理论和长江三峡库区泄滩古滑坡的非线性 有限元应力变形稳定分析进行了研究。 ( 1 ) 本文基于对岩土流变学的发展及其研究现状的分析，指出了当前理论 t f _ f 存在的一些问题。提出了适合粘弹塑性流变模型的积分型流变方程。并将之 对比于4 种基本微分模型( 即马克斯威尔模型m 、宾哈姆模型b 、开尔文模型k 和村山模型c ) 的流变方程，结果证明该积分型流变模型不仅适用于粘弹性流变 模型，且适用于粘弹塑性流变模型。根据四种基本流变模型的串联形式 ( k c m 8 ) ，首次提出了积分型的普遍流变方程，当该积分型流变方程的蠕变核 为负指数函数形式时，给出了相应的微分型流变方程并指正了流变方程研究 现有成果中的些差误。从数学上证明了积分型和微分型流变方程在定程度 上可以互换和统一。这些成果推动了流变理论的新发展。 。 ( 2 ) 将应变式三轴剪切仪改装成为应力式三轴流变剪切仪用以完成了三蛱 库区泄滩滑坡滑动带土以及堆石料的流变试验。在将近一年时间的试验中测 摘要 试和数据采集稳定可靠，所采用的土流变试验仪器和测试方法在现阶段具有代 表性。 ( 3 ) 在土的流变机制和流变模型方面，根据试验数据给出了泄滩滑坡滑动 带土的s i n g h m i t c h e l l 流变模型和m e s r i 流变模型及相应参数。尽管该两模型与 试验数据的变化趋势尚属接近，但它们在等速蠕变阶段应变速率明显比试验值 偏大表明该两模型对滑动带土流变规律的拟合能力欠佳。为此，本文提出了 分段拟合的思想和修正m e s r i 应力一应变一时间关系。这一新模型从机理上反映 了岩土流变过程表现为衰减蠕变、等速蠕变、稳定蠕变或急剧破坏三阶段型的 基本定性规律，实现了对m e s r i 模型的拓广，原m e s r i 模型实质上是修正m e s r i 模型的一个特例。据此通过对蠕变试验数据的分段拟合，给出了泄潍滑动带 土的修正m e s r i 应力一应变一时间关系及其参数。由m e s r i 模型和新模型与试验 数据的对比，表明新模型的模拟能力和可靠性得到明显提高。对参数的分析表 明该修正m e s r i 模型亦可模拟蠕变的加速蠕变阶段。 ( 4 ) 基于三峡库区典型滑坡滑动带土试验的应力应变时间关系曲线的规 律性首次提出了考虑时间效应的邓肯张双曲e 模型给出了切线弹性模 量和切线泊松比与时间的关系式。该模型含有1 2 个基本参数，可由常规三轴排 水试验和三轴排水蠕变试验得到，其中参数r ，、t 、g 、d 与时间有关，并给 出了它们和时间的关系式。这样将时间因素引入到了土的本构模型之中，将 本构模型和材料自身的流变特性结合了起来。由于该模型所需试验简单，且其 计算便于在常规邓肯张e 模型程序上改进实现，故显得简单实用优于弹 粘塑性模型。 ( 5 ) 经试验数据拟合分析，堆石的蠕变规律随时问呈双曲线型和指数型衰 减变化，与衰减较快的指数型函数拟合更好。其瞬时变形与最终蠕应变都与所 施加的应力大小有关，各蠕变参数与各应力变量基本呈良好的线性关系。 ( 6 ) 对三峡库区的典型古滑坡( 泄滩滑坡) 的变形场与稳定性，采用邓肯 张双曲e 模型进行了三维非线性有限元数值模拟。进行了该滑坡滑动带土 的常规土工测试和三轴剪切试验，得到了该滑动带土的基本性能指标和耶肯 张e ，f 模型8 参数。计算结果显示该滑坡在天然状况和初期蓄水情况下都处 于稳定状态，当满库蓄水和水位骤降时，滑坡体内二级台地部位将出现局部失 稳破坏。计算成果规律性良好，变形与应力分布趋势合理，量级可信，可供三 四川天学博1 一学位论文 峡水库地质灾害防治工作参考应用。 ( 7 ) 在上述滑坡数值模拟分析中，进行了计算工况( 4 种，含控制性工况) 、 渗透压力( 包括库水骤降的渗透体积力) 、单元配置( 包括非线性单元以及滑动 带双侧的接触元) 、网格剖分诸方面较全面的分析研究。滑动带厚度的 ( 0 7 2 7 m ) 剖分层数尽管对应力场影锏很小，但对位移场有帽当影响，剖分 不足会园蓄水产生的位移增量为计算误差所掩盖而导致误判。对滑坡进行这样 比较深入系统的空间非线。陛有限元数值模拟，罕有先例，丰富了滑坡预测预报 的手段，有利于滑坡评估技术的发展。 综上，本工作中试验研究、理论分析、数值模拟多种手段密切结合研究 与三峡库区地质灾害防治的需要密切结合。试验和计算工作量大。研究成果的 新特点是，提出了积分型和微分型普遍流变方程表达式，掘此指正了现有成果 中的一些差误：提出了能体现流变发展过程阶段性的修正m e s r i 模型，其模拟 能力显著提高；提出了考虑时间效应的邓肯张双曲点模型，为岩土体的应 力一应变时间有限元分析提供了本构模型；结合三峡库区典型古滑坡进行了三 维非线性数值模拟，成果可供参考应用，丰富了滑坡预测预报与评估的科学手 段。 关踺词：流变流变模型滑动带土堆石料应力应变一时间关系滑坡 三缍非线- 性有限元滑坡稳定性 s t u d y o n r h e o l o g i c a lc h a r a c t e r so f s o i l sa n d n o n l i n e a r3 df e ms i m u l a t i o no f l a n d s l i d e s m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g p hd ，c a n d i d a t e ：w a n gc h e ns u p e r v ；s o r ：l i uh a o w u a b s t t a c t g e o l o g i c a le n v i r o n m e n tw i l lb ea f f e c t e ds e r i o u s l yb yw a t e ri m p o u n d m e n to ft h e t h r e eg o r g e sr e s e r v o i r s o m eo l dl a n d s l i d e sl o c a t e do nt h eb a n ko f t h er e s e r v o i r m a y b er e v i v e da n de v e n l o s i n gs t a b i l i t y , w h i c h i s h a r m f u lt ot h et h r e e g o r g e s e n g i n e e r i n g a n d p e o p l e a sf a ra sc o n c r e t ef a c er o e k f i l id a m ( c f r d ) i sc o n c e r n e d ，i t s s e c u r i t yi sr e l a t e d w i t ht h er h e o l o g i c a ld e f o r m a t i o n so fr o c k f i l ls t r u c t u r e ，w h i c hh a sb e e ns h o w e db y c o r r e l a t i v ep h e n o m e n o n6 ft i a n s h e n g q i a oc f r dd a m t h i s p r o b l e mh a sa t t r a c t e d m a n y w o r k e r si nt h i sf i e l d s ot h i sp a p e ri sd e v o t e dt ot h et h e o l o g i c a lc h a r a c t e r so f g e o t e c h n i c a tm a t e r i a l sa n d n u m e r i c a la n a l y s i so fd e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yo fl a n d s l i d e ，i n c l u d i n gr h e o l o g i c a l t e s t s ，r e h o l o g i c a m e c h a n i s m s ，a n dt h e o l o g i ct h e o r yo fs l i d i n gz o n es o i l sa n dr o c k f i l l a sw e l la st h ea n a l y s i so fd e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yo fx i e t a nl a n d s l i d ei nt h et h r e e g o r g e sw i t hn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ( i ) b a s e do ng e n e r a l r e v i e wo nt h e d e v e l o p m e n to fg e o t e e h n i c a lr h e o l o g y , e s p e c i a l l yi n t e g r a lm o d e l ( i m ) a n dd i f f e r e n l i a lm o d e l ( d m ) ，s o m eq u e s t i o n s o f r h e o l o g i c a lm o d e l ( r m ) h a v eb e e np o i n t e do u t a ni n t e g r a lt y p eo fr h e o l o g i c a l 列川大学蜱j t 学位抢文 e q u a t i o n ( i t r e ) f o rl i n e a rv i s c o - e l a s t o p l a s t i cr m i sp r e s e n t e d t h r o u g hc o m p a r i n gi t w i t h4k i n d so fb a s i cd ms u c ha sm a x w e l lm o d e l ，b i n g h a mm o d e l ，k e l v i nm o d e l a n dc a n s h a nm o d e l ，i ti sp r o v e dt h a ts u c hi t r es u i t st on o to n l yv i s c o e l a s t i cr mb u t a l s ov i s c o e l a s t o p l a s t i c a lr m a c c o r d i n gt ot h es e r i e st y p eo f4k i n d so fb a s i cr m ，a g e n e r a li t r e i sp r e s e n t e d w h e n c r e e pn u c l e u si nt h ei t r e i san e g a t i v ee x p o n e n t i a l f u n c t i o n c o r r e s p o n d i n gg e n e r a ld m c a nb eo b t a i n e da n ds o m em i s t a k e si nc u r r e n t p a p e rh a v eb e e np o i n t e d o u t i th a sb e e n p r o v e nt h a t t h ei ma n dd mc a nb e i n t e r c h a n g e dn o to n l yf o rt h ev i s c o e l a s t i cr m b u ta l s of o rt h ev i s c o e l a s t i cp l a s t i c r m t h e s er e s u l t sp r o m o t et h en e w d e v e l o p m e n t o f r h e o l o g i c a lt h e o r y ( 2 ) as t r e s s c o n t r o lt y p eo ft r i a x i a lr h e o l o g i c a lc o m p r e s s i o na p p a r a t u sh a sb e e n r e f i t t e do nas t r a i n c o n t r o lt y p eo ft r i a x i a lc o m p r e s s i o n a p p a r a t u s ，a n dt h ec r e e pt e s t s o f s l i d i n g z o n es o i l sa n dr o c k f i l lh a v eb e e n p e r f o r m e d w i t hi t t h ed a t a a c q u i s i t i o no f t e s ta p p a r a t u si sr e l i a b l e ( 3 ) f o rt h et h e o l o g i cm e c h a n i s ma n dm o d e lo ft h es l i d i n gz o n es o i l sa t ex i e t a n l a n d s l i d e ，as i n g h - m i t c h e l ls t r e s s - s t r a i n t i m em o d e la n dam e s r is t r e s s s t r a i n - t i m e m o d e l ，a sw e l la st h e i rp a r a m e t e r s ，a r ep r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h et e s td a t a i ns p i t eo f t h ef a c tt h a tt h e s em o d e l sm a t c ht h eb a s i ct r e n do ft h et e s td a t a ，t h es t r a i nr a t eo ft h e m o d e l si ne q u a l s p e e dc r e e pp h a s ei sl a r g e rt h a nt h a to ft e s tc u r v e so b v i o u s l y , w h i c h s h o w st h a tt h ea b i l i t i e so fs i m u l a t i o no fr h e o l o g i c a lc h a r a c t e r so f s l i d i n gz o n es o i l s w i t h s i n g h m i t c h e l lm o d e l a n dm e s r im o d e la r en o tv e r yg o o d s oi d e ao fs u b s e c t i o n s i m u l a t i o nt oc r e e pp r o c e s sa n dam o d i f i e dm e s r is t r e s s s t r a i n - t i m em o d e li sp r e s e n t n e wm o d e lc a ns h o wt h eb a s i cl a wo f a t t e n u a t i o n ，e q u a l - s p e e da n ds t a b i l i t yp h a s e s o ft h ec r e e p i ti sag e n e r a l i z e dm e s r is t r e s s s t r a i n - t i m eb e h a v i o r am o d i f i e dm e s r i s t r e s s - - s t r a i n - t i m em o d e la n di t sp a r a m e t e r so f s l i d i n gz o n es o i l si nx i e t a nl a n d s l i d e h a v eb e e ng i v e nt h r o u 曲s u b s e c t i o ns i m u l a t i o no fa t t e n u a t i o n ，e q u a l - s p e e da n d s t a b i l i t yp h a s e so f t h ec r e e pc u r v e s i th a sb e e ns h o w nt h a tt h es i m u l a t i o nc a p a b i l i t y o ft h en e wm o d e lh a sb e e ne n h a n c e ds i g n i f i c a n t l y f u r t h e r m o r e ，i tc a na l s os i m u l a t e t h ea c c e l e r a t ec r e e pp h a s e ( 4 ) b a s e o nt h et r i a x i a lc r e e pt e s t sad u n c a n c h a n g e m o d e l c o n c e r n e dw i t h t i m ee f f e c t si sf o r m u l a t e dt oc h a r a c t e r i z et h es t r e s s s t r a i n t i m eb e h a v i o ro fs l i d i n g 摘要 z o n es o i l s ，w h o s ee q u a t i o n so ft a n g e n te l a s t i cm o d u l ea n dt a n g e n tp o i s s o n sr a t i o w i t ht i m ee f f e c t sa r eg i v e n 12p a r a m e t e r sa r ei nt h e n e w l y d e v e l o p e dm o d e li n w h i c h t ，r f ，g a n dda r et h ef u n c t i o n so ft i m e ，a l lp a r a m e t e r sc a nb eo b t a i n e d t h r o u g h t r i a x i a lc r e e pt e s t sa n dn o r m a lt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t s s ot h et i m ef a c t o r i si n v o l v e di n t oc o n s t i t u t i v em o d e io fs o l im a t e r i a l ，w h i c hc o n n e c t st h ec o n s t i t u t i v e m o d e lw i t hr h e o l o g i c a lc h a r a c t e r so ft h em a t e r i a l f o rt h en e wm o d e l ，i t sp a r a m e t e r t e s t sa r en o td i f f i c u l tf o rt e s t sa n di t s c o m p u t a t i o nc a n b ep e r f o r m e dw i t ht h e i m p r o v e dp r o g r a m o fc o m m o nd u n c a n - c h a n g e m o d e l ，s o i ti sm o r e c o n v e n i e n tt ob eu s e dt h a nt h ev i s c o e l a s t i c p l a s t i cm o d e l ( 5 ) h y p e r b o l i c a n d e x p o n e n t i a l f u n c t i o n sh a v eb e e nc h o s e nt os i m u l a t et h e s t r e s s - s t r a i n t i m eb e h a v i o ro fr o c k f i l lm a t e r i a l t h el a t t e ri sb e t t e rt h a nh y p e r b o l i c f u n c f i o nf o rt h el a t t e r sa t t e n u a t i o ns p e e ds u i t i n gt or o c k f i l lm a t e r i a l t h el i n e a r i t y r e l a t i o nc a nb ea d o p t e dt od e s c r i b et h eb e h a v i o r so fi n s t a n t a n e o u sc r e e ps t r a i n sa n d f i n a io n e s ( 6 ) u s i n gd u n c a n - c h a n ge m o d e l ，n o n l i n e a r3 df e ma n a l y s e sh a v eb e e n d o n ef o rd e f o r m a t i o nf i e l da n ds t a b i l i t yo fat y p i c a lo l dl a n d s l i d ei na r e ao ft h et h r e e g o r g e sr e s e r v o i r ，n a m e l y x i e t a nl a n d s l i d e b a s i c p h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r sa n d8p a r a m e t e r so fd u n c a n c h a n ge m o d e lo fs l i d i n gz o n es o i l s h a v eb e e nd e t e r m i n e db yt h en o r m a lg e o t e c h n i c a lt e s t sa n dt r i a x i a lc o m p r e s s i o n t e s t s t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti ss t a b l ei ni t sn a t u r a ls t a t u sa n dd u r i n gw a t e ri m p o u n d m e n t o ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i rw i t hw a t e rl e v e ro f13 5 m h o w e v e r , ap a no f l a n d s l i d e w i l ll o s ei t ss t e a d ys t a t ed u r i n gt h er e s e r v o i ri m p o u n d i n gw i t hw a t e rl e v e ro f1 7 5 m a n ds u d d e nf a l l i n go f t h ew a t e rl e v e rf r o m1 7 5 m t o1 4 5 m t h et r e n da n dd i s t r i b u t i o n o f d i s p l a c e m e n tc o n t o u r sa n d s t r e s so n e sa r er e a s o n a b l ea n dt h ec o m p u t a t i o nr e s u l t s a r ec r e d i b l e ，t h er e s u l t sm e n t i o n e da b o v ec a nb er e f e r e n c e s f o rp r o t e c t i o no f g e o l o g i c a ld i s a s t e ri nt h et h r e eg o r g e s a r e a f 7 、i nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl a n d s l i d e ，as e r i e so fr e s e a r c h e si n c l u d i n g4 k i n d so fc o m p u t a t i o nc a s e s ( i n c l u d i n gt h ec r i t i c a lc a s e ) ，s e e p a g ep r e s s u r e s ( i n c l u d i n g s e e p a g eb o d yf o r c e s ) ，e l e m e n tu s i n g ( i n c l u d i n g n o n l i n e a re l e m e n t sa n dc o n t a c t e l e m e n t s ) a n dm e s h s u b d i v i s i o nh a v eb e e nd o n ed e t n l t h es u b d i v i s i o nn u m b e r si n 凹川大学博_ 二学位论文 t h et h i c k n c s so f s l i d i n gz o n ea l c a s h a v el i t t l ea f f e c t i o no ns t r e s sf i e l d s ，h o w e v e r , c o n s i d e r a b l ea f f e c t i o no nt h e d i s p l a c e m e n tf i e l d s i fe l e m e n t s u b d i v i s i o ni sn o t s u i t a b l e t h el a r g ee r r o r sw i l lp r o d u c ew i mt h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sf i e l d s s u c ha s y s t e m i cr e s e a r c ho nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hn o n l i n e a r3 df e m e n r i c h e st h e t e c h n i q u eo f l a n d s l i d ef o r e c a s ta n di si nf a v o ro fe v a l u a t i o nt e c h n i q u eo fl a n d s l i d e i nt h i st h e s i s ，s e v e r a lp r o c e d u r e ss u c ha st e s tr e s e a r c h e s ，t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ec o m b i n e dw e l la n da l lr e s e a r c h e sa r ef o c u so ng e o l o g i c a l d i s a s t e rp r o t e c t i o ni nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a ，m u c ht e s ta n dc o m p u t a t i o n w o r kh a v eb e e n p e r f o r m e d n e wp o i n t s i nt h i st h e s i si n c l u d e f o l l o w s ：g e n e r a l i n t e g r a la n dd i f f e r e n t i a lt y p eo fr h e o l o 酉c a le q u a t i o n h a sb e e n p u tf o r w a r d ，a n ds o m e m i s t a k e si nc u r r e n tp a p e r sa r ep o i n t e do u t ；am o d i f i e dm e s r is t r e s s - s t r a i n t i m em o d e l w h i c hc a ns i m u l a t ee a c hc r e e ps t a g e sa n dc a ns i m u l a t et e s td a t ab e t t e rt h a no r i g i n a l m o d e li s p r e s e n t ；ad u n c a n - c h a n g e um o d e lc o n c e r n e dw i t ht i m ee f f e c t sj s p r e s e n t e d ，w h i c hp r o v i d e sc o n s t i t u t i v em o d e l f o rs t r e s s s t r a i n - t i m ef e m a n a l y s i sf o r g e o t e c h n i c a lm a t e r i a l s ；3 dn o n l i n e a r n u m e r i c a la n a l y s i so na t y p i c a lo l dl a n d s l i d ei n t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e ah a sb e e nd o n e ，i t a p p l i e ss o m er e f e r e n c e s a n d e n r i c h e st h es c i e n t i f i cp r o c e d u r e so f1 a n d s l i d ef o r e c a s t k e yw o r d s ：r h e o l o g yr h e o l o g i c a lm o d e l s l i d i n gz o n es o i l s r o c k f i l ll a n d s l i d es t r e s s s t r a i n - t i m eb e h a v i o r 3 dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d s t a b i l i t y o fl a n d s l i d e 四川i 大学博。f 1 学位论文 1 绪论 1 1 土的流变发展现状 土的流变是工程流变学的一个重要分支，它关系到地质灾害防治( 如滑坡 等) 、各类大型工程建设( 如土石坝、地下工程、地基、边坡等等) 的长期安全， 具有重要的学术和实际意义。 古典的弹塑性理论认为物体的应力应变状态是恒定的，加载以后立即产生 变形，而实际上，土体的应力应变关系是时恻的函数i l 】。物体受力变形中存在 与时唰有关的变形性质即为流变1 2 j 。在岩土工程中，挡土墙的位移随时间的发 展、斜坡和边坡稳定性随时间的破坏、地基的长期沉降和倾斜、隧道施工时的 地表沉降及变形，土石坝的长期沉降等1 3 。j ，都说明土体不仅具有弹性、塑性， 还具有粘滞性即流变性是一种粘弹塑性体。这样，在土体的本构关系里，就 不应仅仅是应力和应变两者之间的关系，而是应力、应变和时间三者之间的关 系。 t a y l o rdw 和m e r c h a n tw s l 于1 9 4 0 年率先在土体的固结分析中考虑土体 的流变性质，实现了计算分析中考虑土体变形的时间效应。随后，在荷兰的 g e u z e 和陈宗基等9 叫2 1 国内外很多学者的努力下，考虑土体流变特性的理论和 实践范围不断拓广，认识不断加深并在岩土工程中发挥了重要作用。 流变性质研究分微观和宏观两方面。前者重点从土的微观结构研究土具有 流变性质的原因和影响土流变性质的因素。陈宗基【9 l 提出了片架结构理论。在 基于速率过程( r a t ep r o c e s s ) 理论( 或称分子流动理论) 的基础上，国外m i t c h e l l jk c a m p a n e t l ar g ，s i n g ha i t j l 、c h r i s t e n s e nrw ：w uthi l 、b a z a n tzp o z a v d i nk k r i z e kb j 【i5 1 ，国内施斌( 。6 ， 1 对粘性土的应力应变和应力应变时间 关系进行了研究。然而微观结构研究只能从理论上做定性分析，其发展程度 不够，且成本较高不适合于工程实践需要。 目前各国学者所做的工作大部分属于宏观流变学的范畴。它假定土是均一 体。采用直观的物理流变模型来模拟土的结构和特性，通过模型的数学力学分 析，建立有关的公式，以定量分析土的流变性质及其对工程的影响。 下面分别从土的流变机理、流变理论、流变试验、流变模型、流变计算等 方面简要概述当今土的流变研究进展。 绪论 1 1 1 土的流变机理 土的流变机理在于【2 l ：在骨架应力( 有效应力) 作用下，土颗粒表面吸附 水( 气) 具有粘滞性，从而使颗粒的重新排列和骨架体的错动具有时间效应， 土体变形延迟，即变形与时间有关；而另一方面土体变形受到边界约束，这种 约束有阻挡蠕动变形发展的趋势，因此，土体内部应力必会逐步调整，即应力 也与时间有关。 堆石料的流变机理【i ”圳：堆石的变形主要分二个阶段。 ( 1 ) 外力变形阶段，即外力做功( 如振动碾压) 使堆石体逐渐变密，这一 变形过程也可称为主压缩变形。由于时间很短堆石蠕变难以形成。外力做功 一旦完成，主压缩变形也基本结束。此阶段堆石颗粒之间以脆性接触为主，主 要表现为堆石颗粒棱角大量的破碎以及颗粒之间相对位移、相互填充和结构调 整【引。而且随碾压功的增加，颗粒破碎也越来越厉害向空隙充填的进程也在 迅速加快，但外力做功不可能长期进行下去，因此，颗粒对孔隙的充填并不十 分充实，这样就给以后的蠕变刨造了条件。 ( 2 1 蠕变阶段。由于堆石自重( 施工期) 或蓄水荷载( 运行期) 等应力的 作用导致粗大颗粒棱角或者软弱颗粒少量的破碎、细化颗粒重新排列，产生 滑移并充填孔隙这在宏观上表现为堆石体的缓慢变形即蠕变。在变形之初 蠕变的速率较快，受控于颗粒充填孔隙的速率。后来，颗粒充填排列逐渐变慢， 堆石的蠕变速率也随之变缓。堆石的蠕变性质与其母岩的岩性、岩质、填筑密 度、颗粒形状、级配组成、应力水平等因素有关。其中，堆石料本身的岩性岩 质、级配组成、相对密实程度和外力做功的局限性是堆石产生蠕变的基本条件。 显然堆石的蠕变与细粒土的次固结变形类似。这种变形不会无限发展。 在堆石流变的室内试验中，诚然在应力作用下上述伴随堆石湿化过程的 高接触应力破碎和颗粒重排高应力释放、调整和转移的循环过程也会发生 但由于试样尺寸及其最大粒径以及应力量级所限，这个过程很快结束，并进入 单纯重捧过程也由于试样体积有限，这种单纯重排过程引起的变形效应难以 测出。所以堆石的室内试验宏观上表现为变形迅速趋于稳定。 1 1 2 流变基本原理和理论 本节就蠕变曲线和等时曲线的相似性原理、线眭粘弹性变形理论、遗传蠕 四川夫学博士学位论文 变理论和技术理论进行讨论【”。 1 1 _ 2 1 蠕变曲线和等时曲线的相似性 蠕变的规律性可以写成应变速率毒或应变本身f 、应力o - 和时间f 之间的关 系式即 占= f p ，f ) ( 1 。1 ) = 五( d ，如 ( 1 - 2 ) 其中对应于各仃的f 曲线称作蠕变曲线而对应于不同f 的a s 鳆线称作等 时曲线，后者可从蠕交曲线的重新绘制而得( 图1 1 ) 。 一般来说。可能有三种类型的等时盯曲线：、 ( 1 ) 全部不相似曲线：每一根曲线均有其自身的函数仃= 锻( f ) ，下标t 表示 时间： ( 2 )除，：0 的曲线外的彼此相似曲线：所有曲线可用同一函数仃= p 0 ) 来描 述，但瞬时变形曲线除外，它的函数为仃= 纯( ) ； ( 3 ) 全部相似的曲线( 对于任意时刻f 0 的所有曲线均相似) ：所有曲线可 用同一函数盯= 妒0 ) 来描述。 图1 1 蠕变曲线及等时曲线的相似性 类同，蠕变s f 曲线也可分以上三种情况。一般来说，蠕变曲线和等时曲 线的全部相似不是经常能遇到的。由于岩土材料( 特别是土) 的蠕变试验数据 不可避免地有很大离散性，难以很精确地分析描述蠕变曲线，在大多数情况下 可假定全部相似盯1 。因此，关于曲线相似的假设一般在所有情况中应用，只要 它不致在本质上歪曲试验结果即可。陔相似性原理为以后的各类流变模型的建 3 l 绪论 立奠定了理论基础。 等时曲线的相似条件如下： 妒p ) = 盯矿0 )( 1 3 ) 蠕变曲线的相似条件如下： f = f ( 盯) ( f )( 1 4 ) 式中，妒( ) 和，p ) 为在任意时刻与应变和应力有关的函数；y ( ，) 和庐o ) 为时间 函数，后者也称为蠕变函数。同样此假设对于应变率一应力时间关系也成立。 1 1 2 2 线性粘弹性变形理论 线性粘弹性变形理论是最早的流变理论之一，根据研究物体的弹性和粘性 的共同表现而得。粘弹性方程首先由马克斯威尔( m a x w e l l ) 为了描述松弛现 象而提出，后来开尔文( k e l v i n ) 和v o i g t 提出了描述后效现象方程。线性粘弹 性方程的一般形式( 动态方程) 为 a o + 口1 盯+ 口2 6 - = i s + 2 毒( 1 5 ) 式中= 一盯，为极限应力；口。= l ；口：= , 7 e 0 为松弛时问；肛= r 为粘滞 系数；属= e ，其中邑和e 为弹性模量的瞬时租长期极限值。 流变动态方程使应力、变形与速度和时间联系起来( 以隐式或显式) 。方程 的类型取决于所采用的假设。蠕变理论不同假设亦不一样。在线性粘弹性理 论中广泛采用了用模型模拟物体流变特性的方法把流变特性看成是弹性、粘 滞性和塑性的联合作用结果，这样就形成了各种元件模型。 1 1 2 3 遗传蠕变理论 遗传蠕变理论是在叠加原理上推导出来的。著名的包尔兹曼( b o l t z m a n n ) 线性叠加原理认为：在过去某时刻丁加上的荷载到任一时刻，引起的变形等于每 个互不相干的荷载到时刻f 引起变形的总和。换句话说，在某时刻的变形不仅 与这个时刻的应力值有关，而且与变形的历史有关，仿佛是继承了过去作用应 力的影响，由此也产生了遗传蠕变理论。它分为线性遗传蠕变理论和非线性遗 传蠕变理论。前者靠盯和本身来确定应力应变关系，而在非线性遗传蠕变理 论中则以应变和应力的函数p ( 占) 和f ( a ) 来确定应力应变关系。 这一理论能简便地考虑一系列因素，如过去荷载的遗传、荷载的可变性、 4 四川大学博士学位论文 卸载、材料老化等等。在随时间变化的荷载作用下，在复杂的加荷条件和必须 考虑卸载的情况以及士的特性改变时，应该采用遗传蠕变理论。 浚理论为流变积分模型奠定了理论基础，并为蠕变试验中的分级加载方式 提供了依据。 1 1