（岩土工程专业论文）连云港海相软土流变特性研究及其工程应用.pdf

中英文摘要 连云港海相软土流变特性研究及其工程应用 摘要 流变学主要是研究物体在外力作用下的应力、变形与时间有关的科学。土流 变学就是研究土中的应力、应变状态随时间的变化的科学，它是流变学在土力学 中的应用，是土力学和流变学的交叉学科。在前人工作的基础上，对连云港海相 软土进行了大量的试验研究与数值分析工作，并取得了以下几方面的研究成果： ( 1 ) 针对连云港海相软土展开了一维固结蠕变和三轴流变试验，对其变形特征 和流变特性进行了分析研究； ( 2 ) 在假定主固结完成后，土骨架变形才产生成立前提下提出了一种次固结简 化计算方法，通过曲线拟合得出了各参数； ( 3 ) 通过对室内流变试验数据整理分析和对连一徐高速公路建设中存在的一些 现象的分析总结，提出用广义b i n g h a m 模型描述连云港海相软土的流变特性； ( 4 ) 将双屈服面弹塑性模型与广义b i n g h a m 流变模型结合起来，应用粘塑性理 论，编制相关的有限元程序对连一徐高速公路路堤沉降进行了计算分析，沉降计 算结果与实测沉降资料基本吻合，表明将双屈服面模型与广义b i n g h a m 流变模型 相结合的模型对连云港海相软土的适用性。 关键词：流变；连云港海相软土；蠕变；次固结；双屈服面模型；流变模型；弹 粘塑性理论：沉降 主蔓塞塑茎 r e s e a r c ho n r h e o l o g yp r o p e r t i e so f l i a n y u n g a n g m a r i n e s o f tc l a ya n d i t se n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n a b s t r a c t r h e o l o g yi s as u b j e c tt h a tm a i n l ys t u d i e sh o wt h er e l a t i o n s h i po ft h es t r e s so r s t r a i nw i t i lt i m ew h e naf o r c ee x p o s e dt ot h em a t e r i a l s o i lr h e o l o g yi st os t u d yt h e s t r e s so rs t r a i no fs o i l c o r r e s p o n d e dt ot i m e ，w h i c hi st h ea p p l i c a t i o no fr h e l o l g yi n s o i lm e c h a n i c sa n di sai n t e r s e c t i o n a ls u b j e c tb e t w e e ns o l lm e c h a n i c sa n dr h e o l o g y b a s e do nt h ew o r kc o m p l e t e db y p r e d e c e s s o r s ，a1 0 to fw o r k o nl a b o r a t o r yt e s t sa n d n u m e r i c a la n a l y s i si sm a d ea n dt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w ： ( d i no r d e rt o a n a l y z ea n ds t u d yt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr h e o l o g y p r o p e r t i e s o ft h e l i a n y u n g a n gm a r i n e s o f t c l a y , al a r g e n u m b e ro ff u n d a m e n t a l m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c st e s t s 1 。dc r e e pc o n s o l i d a t i o nt e s ta n dt r i a x i a lr h e o l o g i c a l t e s ta r ec o m p l e t e d ( 2 ) i nt h e p r e m i s eo fh y p o t h e s i st h a t s o i ls k e l e t o nd e f o r m sa f t e rt h e p r i m a r y c o n s o l i d a t i o n c o m p l e t e s ，as i m p l i f i e d s o l u t i o no ft h e s e c o n d a r yd e f o r i l l a t i o n i s p r e s e n t e da n d a l lt h ep a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d ( 3 ) b a s e do nt h ea n a l y s i sa n ds u m m a r i z a t i o no ft h er h e o l o g i c a ll a b o r a t o r y t e s t sr e s u l t sa n ds o m e p h e n o m e n ao fl i a n y u n g a n g x u z h o n gh i g h w a y ，t h e g e n e r a l i z e db i t i g h 锄m o d e l i ss e l e c t e dt od e s c r i b et h e r h e o l o g yp r o p e r t i e s o f l i a n ”n g a n g m a r i n e c l a y ( 4 ) an e wk i n do f t w o 。y i e l d s u r f a c er h e o l o g i c a lm o d e lo fs o i li sd e v e l o p e db y c o m b i n g t h et w o y i e l d s u r f a c em o d e lw i t ht h eg e n e r a l i z e db i n g h a mm o d e l i nt e r m s o fv i s c o p l a s t i c t h e o r y , ap l a i n s t r e s sf e mc a l c u l a t i o n p r o g r a mc o r r e s p o n d e d i s c o m p o s e d w i t ht h eu s eo ft h i sf e mp r o g r a m t h el i a n y u n g a n g x u z h o uh i g h w a y e m b a n k m e n ts e t t l e m e n ti s a n a l y z e da n d c a l c u l a t e d t h er e s u l to fc a l c u l a t i o n s e t t l e m e n ti sc o i n c i d e dw i t ht h ed a t u mm e a s u r e di nt h es i t e s ot h em o d e lc o m b i n e d t h et w o y i e l d s u r f a c em o d e lw i t ht h e g e n e r a l i z e db i n g h a mm o d e la n dn u m e r i c a l a n a l ) ，s i si sr a t i o n a la n de f f e c t i v ef o rl i a n y u n g a n gm a r i n es o f tc l a y k e y w o r d s ：r h e o l o g y ：l i a n y u n g a n g m a r i n es o f t c l a y ；c r e e p ；s e c o n d a r y c o n s o l i d a t i o n ：t w o y i e l d s u r f a c em o d e l ：t h e o l o g i c a lm o d e i ；e l a s t i c v i s c o p l a s t i c t h e o r y ；s e t t l e m e n t i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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a 签名： 日期： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，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，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名 导师签名： 日期： 一一一 堕笙 绪论 0 1 研究背景 近年来，高速公路的建设在我国迅速发展。到1 9 9 8 年底，我国高速公路通车里程已达 8 7 3 3 k m ，跃居世界第八位。尤其是1 9 9 9 年以来。在我国加大基础设施投资力度政策下，当 年1 0 月底，我国高速公路通车总里程突破一万k m ，从世界第八位跃居第四位，到年底，通 车总里程达到11 万k m 。在20 0 0 年，新增高速公路6 5 0 0 公里。截止到2001 年底，我 国高速公路达1 ，9 万公里，居世界第二位。 江苏省近年来加大了高速公路建设力度，最近1 0 多年是江苏省交通建设发展最快、投 入最多、规模最大的时期，全省纵贯南北、横穿东西的高速公路网络骨架初步形成。1 9 9 6 年，沪宁高速公路江苏段建成，江苏省高速公路实现了“零”的突破；1 9 9 8 年，江苏省提出 在加快苏南高速公路建设的同时，将高速公路建设的重心转移到苏北，相继建设和正在建设 了淮江高速公路，沂淮高速公路，连徐高速公路，汾灌高速公路，宁宿徐高速公路，宁靖盐 高速公路；2 0 0 0 年以来，江苏全省高速公路在建规模每年都保持在1 0 0 0 公里以上。 高速公路是线形的带状构筑物，跨越地区广泛，沿线地质条件复杂。开始阶段我国高速 公路多建于沿海诸省，沿线大部分为淤泥质土。连云港至徐州高速公路连云港段，开工于 1 9 9 7 年初，东起墟沟大港路，沿陇海铁路南侧一直西行，经过连云港市区、灌云县、东海 县，徐卅【市的新沂市、邳州市、铜山县，止于苏皖交界处的老山口，途经2 市6 县( 市、区) 3 7 个乡镇，全长2 4 0 公里，路面2 8 米，双向4 车道，设计行车速度为每小时1 2 0 公里，总 投资约7 9 亿元。已经建成的一期工程，东起宁海互通立交桥，西至新沂市境内的京沪高速 公路，全长7 5 公里，其中连云港市境内5 8 公里。一期工程计划于1 1 月底开通运营，其余 路段将于2 0 0 2 年底以前建成通车。 连徐高速公路连云港段穿越的地区地貌为海积、冲海积平原及山前坡积斜地地貌，主 要为海积平原。地层主要由第四系统( q 。) 与上更新统( q 3 ) 构成。临近黄海段，在全新 世q 。地质时期，由于多次受到海水的侵袭，沉积形成以海相淤泥、淤泥质软土为主的地层。 连云港海相软土除具有一般软土高塑性( 1 p = 1 6 4 5 ) 、高含水量( w = 4 5 8 5 ) 、高压 缩性( a v = o 9 4 0 m p a - ) 、高孔隙比( e = 1 2 5 6 ) 、低强度( q f 2 3 3 5 0 7 k p a ) 、低渗透性( c 。 = 1 0 一1 0 “c m 2 i s ) 等特点外，还具有沉积韵律比较单一、土质均匀、软土地基的物理力学 参数随深度呈线性变化等特点。该类土压缩沉降量大，排水固结缓慢。地基稳定性差。 根据资料显示，多年来，连云港地区修建的高速公路频繁出现问题。如：江苏宁一连一 级路由于软基沉降引发路面开裂、桥头错台等问题，通车几年来一直小修不断：连- 徐高速 公路连云港a 4 a 5 软土段部分路基在施工中相继出现路基开裂、路基滑移、沉降过大等问 题。a 4 段k 1 4 + 6 7 1 6 k 1 4 + 7 1 3 在路基施工碾压过程中路基左侧出现裂缝，后发生塌陷、 滑移，整个滑移总长约4 0 m ，最大裂缝发展到0 7 0 ；8 m 。省交通厅、设计院组织人员进行 了复查、补勘，对设计方案进行了研究和修改，采取了相应地基处理措施，但有的软土 路段沉降一直难以稳定，直接影响工程建设周期，造成了巨大经济损失。出现这些事故很大 方面原因就是对连云港滨海相软土缺乏深入了解，对软土地基与复合地基地变形规律，对 软土结构性、流变性的等方面的认识不足。为此，我们开展了江苏沿海地区高速公路软土 地基变形特征与应用研究课题，对其结构性、流变性作深入探索，总结出苏北沿海地区滨 海相软土变形规律，对海相软土的地基处理、海相软土地区的高速公路的设计、施工有着重 + 连徐高速公路连云港a i a 7 标段软土地基加固设计与施工评价研究报告a 东南大学岩土工程研究 所，2 0 0 13 堡堕查堂堡主竺堡堡苎 要的理论意义和工程实用意义。作为此课题的一个组成部分，本文主要研究连云港软土的蠕 变特性及其工程应用。 0 2 土的流变研究概述 0 2 1 流变学的基本概念和回顾 在弹性理论中假定物体的形变与所受到的力成正比，形变值的大小与加荷历程无关，不 会随时间而变化；在塑性理论中虽然应力一应变关系为非线性，但若荷载本身不变也是假 设所得的新形变在以后维持不变，同样与时间无关。实际上，大多数材料 如木材、混凝土、 粘士、岩石、沥青等) ，当其荷载一直保持不变时，它的形变值并非永远是常数；此外，当 荷载逐渐增大时，形变又取决于加荷速度。这些都表明应力与应变关系的本构模型中包含时 间因子。物体的这种与b c f m ( 和温度) 有关的变形性状( 蠕变、塑性) 以及破坏性状( 蠕变破坏、 疲劳) 称为流变性状。 流变学主要是研究物体在外力作用下所发生的应力、变形，特别是与时间因素有关的流 动的科学，它强调了大家所熟知的希腊语“月牙脑2 口”的正确性，即“一切在流动”。 流变学成为一门独立科学与b i n t 曲a r n 的名字是分不开的。1 9 2 2 年他的名著流动和塑性 出版了；1 9 2 8 年根据他的倡议组织了流变协会，从此就出现了“流变学”这一新术语。如 今流变学正广泛应用于化学工业、航天航空技术、建筑材料等许多方面。它的基本课题是研 究应力。应变状态的规律及其随时问的变化。换句话说，流变学应该对下述问题作出回答； 在应力、应变、时间的三维空间内，任点的应力和应变值有多大。 o 2 2 土流变学的研究内容 传统土力学研究中，土被假定为弹性体【lj ，后来逐步发展到把土体作为种弹塑性体酬 来研究，但无论是线性弹性体，还是非线性的弹塑性体，其本构关系都仅仅是应力与应变之 间的关系，时间因素不被考虑在内。后来，一些土工建筑物( 如边坡、堤坝，挡土墙、桥墩 和建筑物的基础1 在建成之后随时闻产生的失稳和破坏，才逐渐引起岩土工程界对这一问题 的重视。比如巴拿马运河边坡工程完工几年后突然崩塌，荷兰某桥墩在建成二年后发生破坏， 调查原因时发现，事故都是由于流变现象使土体的强度降低所致。这些都说明了土既不是弹 性体、塑性体及弹塑性体，也不完全是粘弹性体，而是同时具有弹性、塑性和粘滞性的粘弹 塑隆体p l 5 1 。这样，在土的本构关系呈，就不再仅仅是应力和应变两者之间的关系，而是 成为应力应变时间三者之间的关系。土体在外力作用下，由于固体颗粒与孔隙水之间的粘 滞力，孔隙水的渗出受到阻碍，土体变形和应力变化被延滞”j 。土体应力和变形与时间有关 的这种特性，称为土的流变性1 7 j 。研究土的流变就是研究土中的应力、应变状态的形成及其 随时间的变化，它是流变学在土力学中的应用，是土力学和流变学的交叉学科，能解决岩土 工程中随时间变化的问题，从而保证岩土工程的长期安全。 流变学概念所涉及的范围很广，土的流变学研究般包括以下几个方面的内容h ”“”： l 蠕变：在常应力作用下，变形随时间发展的现象。 2 应力松弛：在恒应变水平下，应力随时间衰减的现象。 3 长期强度：强度随时间的降低( 亦有学者认为强度随时间增加) 的现象。 4 流动，即给定时间的变形速率随应力变化的现象。 5 弹性后效和滞后效应：加荷时继瞬时的弹性变形后，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 随时间的逐渐恢复为弹性后效。 与弹塑性理论不同，土流变学既研究宏观过程，也研究微观过程，重视研究力学现象的 物理实质【1 0 】。因此，人们常将士流变学分为宏观流变学和微观流变学或宏观力学和微观结 2 一 绪论 构两个方面。 o 2 3 土流变学研究的发展 国际上开展土流变学的研究始于1 9 2 8 年b i n g h a m 提出材料流变理论之后，到目前为止， 经过众多学者的努力，土流变学的研究取得了丰硕的成果。下面就宏观力学和微观结构两个 方面阐述土流变学的研究现状和发展。 1 土宏观方面的研究 虽然土流变学成为独立的学科较晚，但早在1 9 2 5 年t e r z a g h i 在其著名的土力学原理 一书中己提出了蠕变的概念，阐述了土具有蠕变的特性。1 9 3 6 年，b u i s m a n 研究了土的次固 结效应，即为土的压缩蠕变问题，并提出了计算土的包括次固结的沉降公式。而真正开始系 统研究土的流变性质，是于1 9 4 8 年在荷兰由g e u z e 和当时在荷兰工作的我国的陈宗基开始 的。他们采用实心圆柱士样的扭转实验研究了土的流动特性，并指出b i n g h a m 粘滞塑性流 动定律适用性。当时荷兰的v l a g g em a n 大桥、z u id e r e z e e 海堤及软土铁路路基因流变而破 坏，引起了荷兰科学家的重视，开始了对土流变的系统研究。 作为一种新的方向，土流变学是在1 9 5 3 年苏黎士的第1 i i 届国际土力学和基础工程会议 ( i c em f e ) 上开始形成的。在关于土、雪、冰蠕变问题的综合性报告中强调“土力学将来的 发展与蠕变研究的成就紧密相关，因为蠕变变形直接或间接地对土力学的所有工程起作用”。 此后，各国的学者开始对土流变学进行系统的研究工作，并取得了大量的成果，使土流变研 究成为一个新的方向。在以后的第届国际土力学和基础工程会议( 1 9 5 7 ，1 9 6 1 ，1 9 6 5 ， 1 9 6 9 ，1 9 7 3 ) 上，有关土流变的研究报告越来越多，以至于在1 9 6 9 年第七届会议上成为综 合报告的重要部分。1 9 6 4 年在法国召开第1 届国际“土流变学”讨论会；前苏联也在1 9 6 6 年、1 9 7 3 年、1 9 7 6 年举行了关于土流变的专门讨论会，1 9 6 6 年和1 9 6 9 年举行了关于岩石 流变学的讨论会；日本1 9 7 6 年在土质工学会内设立了“土的本构方程式研究委员会”，主任 委员是日本著名流变研究专家村山朔郎。目前，土壤流变学在许多国家如荷兰、前苏联、葡 萄牙、日本等己列为重要的研究项目。 2 土微观结构方面的研究” 在流变学的微观结构方面，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，形成土微观结构的概念和提出了一些结构模型。1 9 2 5 年t e r z a g h i 首先提出 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 m i d t ( 1 9 2 6 ) 提出了粘土的片架排列结 构。c a s a g r a n d e ( 1 9 3 2 ) 发展了t e r z a g h i 的蜂窝结构，提出了蜂窝结构中的基质粘土或冲填粘 十和联结粘土或键合粘土的概念。l a m b e ( 1 9 5 3 1 9 5 8 ) 从胶体化学和双电层理论出发提出了边 边、边一面接触的开放式非盐絮凝结构，面面和边面接触的“盐絮”结构以及面一面接触的 分散排列结构。我国的陈宗基( 1 9 5 7 ) 将粘土中片状颗粒的接触形式分为点- 面、边一面和面 一面接触，并将粘土片状颗粒的相互作用形象地绘制成三维网格模型。v a no l p h e n ( 1 9 6 3 ) 综合 并扩充了已有的结构模型，提出了边边、边面的“絮凝集合”的结构模型。文献 1 2 在前 人工作的基础上指出土的结构大体可分为单粒结构、片堆结构和片架结构三种。并且，不同 的结构致使土的流变性质存在明显差异。其中片架结构粘土的流变性质最为显著，在土工分 析中应予以考虑”“。 我国对土流变的研究开展得较早，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【1 ”。1 9 8 0 年，武汉岩力学研究所 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 9 8 9 年，夏耀明、孙逸明等在k 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。1 9 9 3 年，孙钧9 峙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a 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 查堕奎兰塑主堂堡堕塞 非线性流变效应系统分析的理论和方法。郑榕明、陆浩亮等0 6 1 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。 o 2 4 土流变试验 为了定性和定量认识土的流变特性，并建立能比较全面反映土流变特性的本构模型及确 定模型参数等，必须进行土的流变试验。土的流变试验从大的方面来说包括宏观和微观力学 试验。 1 土宏观流变实验 土宏观流变试验不考虑物体中产生的物理过程，而在宏观试验的基础上建立这些过程外 部表现的数学描述。它可分为现场流变试验和室内流变试验，现场流变试验需要到实际工程 中测试土作为介质体材料及工程结构物的流变数据。 土宏观流变试验可分为现场流变试验和室内流变试。现场流变试验需要到实际工程中测 试土作为介质体材料及工程结构物的流变数据。土室内流变实验按研究需要可分为蠕变试验 和松弛试验。蠕变试验有单轴压缩流变试验、三轴蠕变试验和直接剪切蠕变试验；松弛试验 也可分为三轴松弛试验和直接剪切松弛试验。在室内流变试验中，对于蠕变试验( 或应力松 弛试验) 有分别加载( 或加应变) 和分级加载( 或加应变) 两种做法p j 。 2 土微观流变试验 目前，土微细观流变试验的研究静态方面主要借助光学显微镜和扫描电子显微镜观察士 的微细观结构，然后通过分析，提出土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应土的流变特性等。文献 f 1 2 就是通过对粘土的微细观分析，提出了片架结构理论，认为具有片架结构的粘土流变特 征最为明显。至于对土流变的“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的限制，使这方面的工作比较难于展开。文献【1 7 在这方面做了些 尝试，但由于设备的限制，使试验的条件与粘土的真实蠕变条件还有距离，且没有把粘土的 细微观流变机理与其宏观力学表现相结合。 0 2 5 土流变本构模型 建立土本构模型在土流变研究中是至关重要的，它是三个流变学研究侧重点之一p 】。只 有正确的流变本构关系即应力、应变和时间三者之间的关系，才能准确描述土的流变特性。 土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，或把二者结合起来。然 而遗憾的是我们并没有把粘土的微细观流变机理与其宏观的表现有机地结合起来。 1 从土流变的宏观出发建立流变本构关系 从土流变的宏观出发建立本构关系，就是假设土体为一均匀连续体，通过数学、力学的 推导及解析，综合各种条件下所表现的流变现象来得出流变方程式，然后通过现场测试资料 检验校正。这方面的工作主要可分为三方面：是从土的流变特征出发，运用现有的流变理 论( 如模型理论【9 】、遗传理论或记忆理论【9 、老化理论 1 0 】以及研究材料在动载下的粘弹塑性理 论9 1 ) 、土的屈服面理论和内时理论等来建立土流变本构模型；二是从土的流变特性出发， 直接总结出土的经验本构关系；三是两者结合的半经验半理论模型。 ( 1 ) 理论模型 土流变的理论模型大致可以分为元件模型、屈服面流变模型和内时模型。 元件模型是采用一些基本元件来代表物质的某种性质，如用“弹簧”模拟物质的弹性、 “粘壶”模拟物质的牯滞性等。通过这些基本元件的“串联”或“并联”反映物体主要的粘 弹塑性特性。该模型直观形象，物理意义明确，能较全面地反映流变介质的各种流变学特性。 将不同的屈服模型与软粘土的粘滞性相结合进行分析，便可以得到不同的屈服面流变模 型。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。根据屈服面的多少和特征可以分为单屈服面模型( 如将修正剑桥模型和 4 绪论 k o u m a n u r a - h u a n g 模型相结合【l “建立的土流变模型) 、双屈服面模型( 如将殷宗泽提出的椭圆 一抛物线模型和k o u m a n u r a - h u a n g 模型相结合口o j 2 i j 建立的土流变模型) 、边界面流变模型 和连续面模型等。单屈服面和双屈服面流变模型属于等向加工硬化模型，不能适用于反向大 卸荷和周期荷载情况，在这种情况下可以使用边界面流变模型。连续面模型为单二连续屈服 面模型，避免了使用两个或更多屈服面的不连续性问题，适用于粘性土和软岩口2 1 。 内时理论不以屈服面概念作为其理论发展的基本前提，也不把确定屈服面作为计算的依 据，屈服面概念及运动硬化和等向硬化规则可以作为其特殊情况，通过理想化和简化得到。 该理论大多用于循环加卸载和振动的研究，尤其是砂土的液化和动本构特性，对于相对静止 的流变现象应用较少，且就其在士的动本构关系研究方面也只是初步的口j 。 ( 2 ) 经验本构关系 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 模型来描述。常见的经验函数有幂函数型、双曲线型、对数型、指数型、多项式型。文献 1 0 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，并且指出代表应力对应变贡献的函数最普遍的形式是幂 次的、双曲线的和对数的。 土的经验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， 所以也一直是工程上土流变研究的一个重要方向 2 4 j * ( 3 ) 半经验半理论模型 为了避开复杂、难懂的非线性粘弹塑性理论以及过多带有经验的纯经验公式，可以采用 一种半经验的修正理论来研究非线性流变1 6 1 【2 6 1 【”1 。文献 1 6 2 5 2 7 】中把流变分成线性流 变和偏离线性流变的非线性流变，采用人们容易接受的模型理论来描述线性流变；对于非线 性流变又分为线性流变部分和非线性流变部分，其中，线性流变部分也可以按模型理论所描 述的线性粘弹塑性来对待，非线性流变则用特定的经验模型来描述，并作为对线性流变部分 的一种修正。此处，经验模型所反映的应力、应变应该是非线性的。这种半经验的修正理论 在近似情况下，很容易就能退化成线性理论，由于一般非线性流变常常被近似地按线性流变 来处理，所以可以说整个理论模型部分是主要的，经验方面常表现为只是一个小部分。 从宏观角度建立土的本构关系相对来说较为简便实用，也确实解决了一些工程实践问 题，但对宏观现象变化下的土微观结构缺乏研究，无法揭示土现象学的物理本质，一些模型 参数物理意义模糊。 2 从土流变的微细观表现出发建立流变本构关系1 从土流变的微细观表现出发来建立流变本构关系，就是根据土微观构造的变化机理，运 用连续统力学理论，结合土流变的宏观表现来建立土流变本构关系。该流变本构模型不仅能 反映土流变的宏观特征，还能揭示土流变的内部机理，对查明流变方程式中各参数的物理意 义有特别的说服力。但由于目前研究手段、设备的不成熟和不完善，这种方法至今大都只能 对土体流变特性作一定性描述，定量的描述成果极为少见或者成果缺少重现性a o 2 6 土流变问题解析 要把流变研究应用到实际工程中去，必须先解决本构方程的解析问题。流变问题的解析 主要有两个方面，即解析解和数值解。 1 解析解 解析解的方法是运用对应性原理，采用积分变换技术，对动态问题采用傅立叶变换，对 静或准静态问题则采用拉氏变换。而且只对线性粘弹性问题有效，而不适用于粘塑性及非线 性粘弹性问题。由于能找到拉普拉斯变换的解析解的函数非常有限，许多问题虽然解得到拉 普拉斯变换后的粘弹性解，却无法得到逆变换的解析解，加上由于土流变问题一般比较复杂， 东南大学硕士学位论文 真正能得到解析解的很少，只有那些简单的问题及流变模型，如深埋的圆形隧道轴对称问题。 日本学者s a k u r a i 在这方面做了许多的工作。 由于以上种种原因致使解析解有很大的局限性。 2 数值解 由于解析解只能解决为数不多的一些简单流变问题，因此大多数土流变问题只能通过数 值解来解决。随着电子计算机快速发展，土流变问题的数值解也发展很快，数值解的采用给 土流变研究的实际应用带来了生机。数值解采用的基本方法主要有时步一粘性初应变法口”， 把粘性应变作为初应变，计算每一时步粘性初应变所引起的粘性附加荷载，加入到该时步的 平衡方程中加以修正，逐步进行，最终得到士流变问题的解。 至于土非线性流变问题，更是只能用数值解法，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的解。文献 2 9 1 提出了一种能方便 有效地求解土非线性流变问题的二次初应变法，该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，而在每一时步中则采用非线性弹性初应变法，通过反复迭代，求解非线性 平衡方程，最终得到每一时步非线性流变的解。 土流变问题数值解可以说能解决几乎所以的流变问题，除了有限元法外，还有有限差分 法、边界元法、无限元法以及两者的耦合等。 o 2 7 存在的问题 土流变是个复杂的问题，很多特性目前还不是很清楚，因此存在许多方面工作有待进一 步继续和开展： 1 为了从机理和本质上对土的非线性流变特性有更清楚的认识，必须对土的颗粒组构进 行微观结构的定量分析，从而从土体的细微观角度来解释土体的宏观流变特性； 2 对于模型理论，其缺点是它只是线性粘弹塑性理论，无法用来描述土的非线性流变， 也无法描述加速蠕变。若要继续用它来建立非线性流变本构模型，则必须加以修正，如模型中 改用非线性元件或采用变参数模型等； 3 对于经验本构关系，它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； 4 流变试验历时较长，很难保证温度、应力、应变等条件的恒定，研究专门仪器，走测 试仪器自动化道路是未来土流变研究中的一个必然趋势； 5 蠕变和应力松弛在土体反应中不是完全独立的，未来在试验和建立模型时考虑蠕变和 应力松弛的耦合效应是很有必要的。 无论是理论模型、经验关系，还是半经验半理论模型使用时都有很大的区域性，本文在 前人工作的基础上针对连云港海相软土进行流变特性研究，并建立流变模型对其流变特性进 行描述。 o 3 固结理论的发展 土体在荷载作用下内部水缓慢渗出，体积逐渐减小，强度逐渐增加，这一现象称为土的 固结。随着体的固结，外加压力相应地从孔隙水( 或气) 传递到土骨架上，土体的压缩变形 和强度逐渐增长，土的固结是土力学学科中根本的课题之一。 土体的固结规律相当复杂，它不仅取决于土的类别和状态，也受土的边界条件、排水条 件和受荷方式等因素影响。对于饱和的两相土，孔隙水压缩量很小，土体体积的变化主要是 因为孔隙水的排出；而对于非饱和的三相土，除孔隙水渗出外，土体的固结变形还与饱和度 变化有很多关系。 随着孔隙水的排出，孔隙压力逐渐消散，有效应力逐渐增加，在有效应力作用下，骨架 绪论 产生的变形分为瞬时变形和蠕动变形，后者由于颗粒重新排列和骨架体错动的时间效应而与 时间有关。若将有效应力卸去，可恢复的变形称弹性变形，不可恢复的变形称为塑性变形。 因此在建立固结理论时，要了解土的固结变形的特点和机理，抓住主要因素，略去次要因素。 对于饱和土体，形成的目前各种固结理论【l m ： 1 t e r z a g h i 崮结理论 1 9 2 5 年，t e r z a g h i 提出了经典的一维固结理论，他把土体的压密与渗透结合起来，推 导了一维固结偏微分方程。它恰当地反映了土体固结机理，在一维条件下是精确的。接着又 由他和r e n d u li c 推广到三维情况，形成了准三维固结理论。依据该偏微分方程，给出了各 种条件下的解析解，包括边界透水与不透水、荷载随时间的线性增加、双层地基、土层厚度 随时问的变化条件。 2g a r r o n 固结理论 1 9 4 8 年，b a r r o n 在t e r z a g h i 单向固结理论的基础上，建立了轴对称的基本微分方程， 其假设基本上与t e r z a g h i 固结理论相同，只是固结压缩是由于径向孔隙水渗出引起的。在 自由应变和等垂直应变条件下分别得出了固结方程的解析解。 3 b l o t 固结理论 1 9 4 1 年，b i o t 在进一步研究了三向变形材料与孔隙水压力相互作用后，从比较严格固 结机理出发推导了反映孔隙水压力消散与骨架变形的相互关系比较完善的三维固结理论。一 般称为“真三维固结理论”，而将t e r z a g h i 固结理论称为“准固结理论”。应用b i o t 固结理 论求解，它不仅能解出孔隙水压力的分布，而且也给出位移场的分布。 o 3 1 考虑土流变的固结理论口o l 无论是t e r z a g h i 理论还是b l o t 理论都仅使用于饱和弹性土体，没有考虑土的流变性质。 为改变这种状况，国内外许多学者纷纷采用各种不同的流变模型，建立起各自不同的饱和粘 弹、粘塑性土体的固结理论，并在实际工程中加以应用。 t a y l o r 和m e r c h a n t 于1 9 4 0 年，率先在固结分析中考虑+ n n 变性质p ”，首次实现了在 计算分析中考虑土体变形的时间效应。他们认为，施加荷裁后主圆结和次固结同时产生，土 骨架压缩是时间和有效应力的函数，孔隙比只与有效应力成线性关系，而与时间无关。这样， 他们验证了土骨架可用m e r c h a n t 模型描述，并导出了一维固结方程及其解答。g i b s o n 和l o k y 采用m e r c h a n t 模型将t e r z a g h i 固结论理加以推广，于1 9 6 1 年发表了精确的一维固结基 本方程及其解答，并提出了根据常有效应力作用下压缩曲线确定饱和土体m e r c h a n t 模型参 数的方法【”l 。在钱家欢教授指导下王盛源将l e ee h 比拟法推广导饱和粘性土体情况，为导 出考虑土的粘弹性土体的固结理论提供了一条有效途径，于1 9 6 4 年发表了采用m e r c h a n t 模 型时饱和粘弹性土体一维固结理论解。郭志平则于1 9 6 6 年发表了采用m e r c h a n t 模型并假定 理想井条件下的饱和粘弹性土体轴对称固结理论解，首先为考虑土的粘弹性的砂井地基设计 提供了理论依据。此外，王盛源假定存在位移势函数，同时导出了采用m e r c h a n t 模型时饱 和粘弹性土体平面应变固结问题理论解。赵维炳于1 9 8 7 年采用广义v o i g t 模型，导出了一 维问题和空间轴对称问题的固结理论解“j 。 在考虑土的流变的三维固结理论方面，徐志英教授采用v o i g t 模型，于1 9 6 4 年发表了 考虑土骨架蠕变的三向固结基本方程，并求出了轴对称情况下的理论解p ”。b o o k e rj r 和 s m a l ljc 则将b i o t 理论推广到饱和粘弹性土体情况，采用柔度函数为指数函数的形式，借 助有限元方法数值求解饱和粘弹性多维固结问题。 粘弹性理论除用于饱和地基固结计算外，还可用于计算粘弹性地基上基础粱和板的应 力和变形。如钱家欢教授采用v o i g t 模型，按l e e 比拟方法导出了粘弹性地基上矩形弹性板 沉陷计算公式，并在实际应用中考虑了地基粘弹性【3 4 j 。 在考虑土0 d 粘塑性固结计算中，则采用剑桥模型描述土体的屈服过程，采用有限元方 东南大学硕士学位论文 法，推广固结理论的应用，进行了- - 维的粘弹塑性固结分析。 0 4 本文主要工作和研究成果 研究针对连云港海相软土，进行了大量的室内试验，主要包括土体基本物理力学性质 试验、一维应力状态下的单向压缩蠕变试验和三维应力状态下的蠕变试验等。本文在前人工 作的基础上，尝试将土的屈服模型与软粘土的粘滞性结合起来，利用弹粘塑性屈服理论进 行分析得到弹一粘塑性本构关系，对连云港地区海相软土流变特性进行描述，进而预测其工 后沉降来指导高速公路建设。主要工作和研究成果如下： 1 针对连云港海相软土展开了一维固结蠕变和三轴流变试验，对其变形特征和流变特性 进行了分析研究： 2 在假定主固结完成后，土骨架变形才产生成立前提下提出了一种次固结简化计算方 法，通过曲线拟合得出了各参数； 3 选择殷宗泽教授的椭圆一抛物线双屈服面模型作为连云港海相软土的屈服模型；根据 室内流变试验用广义b i n g h a m 模型描述其流变特性；将两者结合起来，建立了双屈服面流变 模型对连云港软土的蠕变特性进行了描述，探讨了模型参数获取的方法； 4 利用粘塑性理论，建立了弹粘塑性理论基本表达式：在b i o t 固结理论中引入双屈服 面弹一粘塑性模型，编制了平面应变有限元程序； 5 应用本文建立的模型和数值计算方法对连云港海相软土路基的砂垫层断面和粉喷桩 断面的沉降分别进行计算，并将计算结果与不考虑流变时的计算值以及实测资料进行比较分 析，分析表明本文提出的模型是适用的。同时，分析不同参数变化对计算结果的影响，以对 参数的确定提供建议。 一 塑二里堡墨堡堡塑鏊圭里堕塑壅堕堕翌塞 第一章连云港海相软土固结蠕变试验研究 士作为一种粘弹塑性介质，其流变性质已逐步为人们所认识。连云港地区软粘土主要是 含水饱和淤泥质粘土，其孔隙比大、含水量高、压缩性强，对其流变特性即应力应变随时 间增长的变化关系研究在工程实际和理论研究上都具有重大意义。 土的流变特性研究主要有两个方面【“1 。一方面研究在剪应力作用下土体以长期位移形 式出现的剪切蠕变。这些研究与重力坝、人工开挖的边坡、挡土墙等等的长期稳定性问题有 关。尤其是如天然斜坡的滑动过程这样重要的问题引起了对剪切蠕变的研究。另一方面，研 究由骨架蠕变引起的土的体积变形。这种现象是建筑物地基粘土长期沉陷的原因。 目前，人们对软粘土在单轴压缩、直接剪切以及常规三轴等受力条件下的流变属性已从 一些资料中得到反映。但纵观这些资料，似乎对连云港地区这一特殊土层的流变试验进行的 还不多，软土流变细观组构方面的试验也极为少见。因此，可以说对连云港软粘土流变的研 究仍处于零散和不成熟阶段。 基于以上考虑，本文的工作主要在于对连云港地区高速公路路基的软粘土开展初步的流 变学研究。 土体发生蠕变的根本原因是由于土体在主固结完成之后，其中仍有微小的超静孔隙水压 力存在，驱使水在颗粒之间流动，但这种水的流动速度是很小的，上述超静孔隙压力小到无 法测量，所以土体的体积变化速率与7 l 隙水流出的速率无关，与土层厚度也无关。因此，土 体现场蠕变速率可以扶室内土样的试验来估计【3 5 l 。这就为用较为简单的室内试验来模拟复 杂的现场情况提供了可能。众所周知，室内试验具有能够长期观察、可根据需要控制试验条 件、排除次要因素的影响、重复次数多而耗资少等特点。因此，土体流变室内试验是全面开 展土体流变学研究的基础。为了更好地揭示连云港软土在不同受力条件下所具有的不同流变 属性，笔者花费了近一年的时间对该地区不同深度土样进行了土体基本物理力学性质试验和 室内流变试验研究。由于在实际工程问题中，软蠕变比应力松弛更为广泛，并受实验室仪 器等客观条件的限制，这些室内流变试验主要包括单向压缩蠕变试验，三维应力状态下的蠕 变试验等。得出了一些规律性的认识，并为谋求建立连云港的软粘土流变的本构模型提供较 多的原始资料，为进一步的深入研究工作打下了基础。 需要说明的是，本文在试验结果的整理过程中，均作如下假设： 1 土体为均质、连续的原状土； 2 土体满足线性叠