岩土流变特性-河海大学

1、岩土工程研究所河海大学河海大学 岩土工程研究所岩土工程研究所岩土工程研究所1 1、流变的概念、流变的概念从应力、变形的角度，或者说从力学的角度，土具有三个特从应力、变形的角度，或者说从力学的角度，土具有三个特性：性：岩土工程研究所我们也正是通过这些现象来研究土体流变性我们也正是通过这些现象来研究土体流变性由于土体具有流变由于土体具有流变性而表现出的现象：性而表现出的现象：岩土工程研究所 r r0 t I II III 图1 土体剪切蠕变曲线 1 .11 .1 21 .1 41 .1 61 .1 81 .21 .2 21 .2 41 .2 61 .2 80 .111 01 0 01 0 0 01

2、 0 0 0 01 0 0 0 0 0Tim e (m in)Void ratioIs otropicc ons olidation tes t:pres s ure=100 kPaFitted line f ors ec ondaryc ons olidationCae=0.0106岩土工程研究所 0 .40 .60 .8105 0 01 0 0 01 5 0 0Tim e (m in)q/q0CUC1CUC5CUC8CUE9CUE5CUE6CUC1-f itCUC5-f itCUC8-f itCUE9-f itCUE5-f itCUE6-f it图4 某土的应力松弛曲线 图 3 （a）土的

3、蠕变曲线和（b）长期强度曲线岩土工程研究所(a) (b) (c) Fig.4.1 (a) Relationship of axial strain versus normalised deviator stress, (b) relationship of axial strain versus normalised porewater pressure, and (c) normalised effective stress paths for OCR=1 test series岩土工程研究所流变与蠕变之间的区别：流变是指材料的性质、状态随时间而变化；蠕变是指材料的变形随时间而增加；流变包括

4、蠕变，或者说流变更一般、范围更广。流变-Rheology 蠕变-Creep土的流变性而引起了大量的工程问题，许多的工程由于土体流变而破坏失事：粘土地基上挡土墙的位移、边坡稳定性、桥台因蠕动而变形，码头、建筑物基础、比萨斜塔、Londan粘土是一种典型的流变性较强的土。一般认为：软粘土流变性强，砂性土的流变性弱。岩土工程研究所 图4 瑞士土的蠕变引起桥台位移（用虚线表示）图5 在？地区由于土的蠕变引起的工厂挡土墙的位移岩土工程研究所Fig.1.1 Tower of Pisa (Italy), (a) section of tower and geological structure of bas

5、e of its foundation; (b) variation of settlement S (cm) and mass M (tons) of the tower with time; (c) ring foundation; (d) pressure diagrams at foundation base; (e) pressure diagram at depth of 8 m. (after Meschyan 1995)始建于1350年，高55m，基底压力497kPa，建成时就倾斜了2.1m，到1995年，沉降1.5m，倾斜5.58m，沉降速率2mm/年岩土工程研究所流变学的基

6、本任务：研究应力应变状态及其随时间变化的规律，换句话说，流变学要回答的问题是：在应力、应变、时间的三维空间内，任一点的应力和应变值有多大？（苏）C.C.维亚洛夫认为：弹塑性理论：是现象学的理论，研究宏观过程。流变学：研究宏观过程，也研究微观过程，也就是说重视研究现象的物理实质。 岩土工程研究所宏观流变学：研究实际物体的流变过程的外部表现，即那些能借助于一般量测设备观察到的现象（如变形、应力等）。它不研究物体的组成和结果特点，而把物体看作是连续均质的。物体在外力作用下的表现与物体特性之间的关系是建立在现象学观点的基础上的。这种观点不考虑物体中产生的物理过程，而在宏观实验的基础上建立这些过程外部表

7、现的数学描述。微观流变学：研究物体的构成和结构特性，以及物体单元颗粒间的相互关系等问题。研究微观过程。土的流变特性研究应用于两个方面：1.剪切蠕变：包括长期强度；边坡、挡墙位移、稳定2.体积蠕变：建筑物沉降岩土工程研究所2 2、土土流变学主要研究重点流变学主要研究重点（1 1）流变试验研究：）流变试验研究： 通过试验，研究揭示土体流变规律。通过试验，研究揭示土体流变规律。（2 2）流变本构模型建立：）流变本构模型建立： 探讨用什么样的本构方程去描述土的应力、应变及时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，既要使得本构方程能够准确反映土的流变间之间的关系，既要使得本构方程能够

8、准确反映土的流变特性，又要考虑到实际工程应用的可行性。特性，又要考虑到实际工程应用的可行性。岩土工程研究所（3 3）本构方程的解析：）本构方程的解析： 包括方程的解析解和数值解。在解析解方面，给人包括方程的解析解和数值解。在解析解方面，给人印象最深的是日本学者印象最深的是日本学者SakuraiSakurai；数值解主要是有限元数值解主要是有限元法。此外，还有边界元法、无限元法以及它们的耦合，法。此外，还有边界元法、无限元法以及它们的耦合，有限差分法等。有限差分法等。（4) 4) 工程问题的应用工程问题的应用 选用适当的本构模型和解析方法，解决工程中涌现选用适当的本构模型和解析方法，解决工程中涌

9、现的各种问题，如建筑物的变形和长期沉降，边坡和护岸的各种问题，如建筑物的变形和长期沉降，边坡和护岸工程的变形，坑道和隧道的变形等等。工程的变形，坑道和隧道的变形等等。岩土工程研究所3 3、流变学历史、流变学历史岩土工程研究所3 3、流变学历史、流变学历史岩土工程研究所粘滞性：液体（或气体）单元颗粒相互位移时表现出的抵抗位移的特性。牛顿液体：土的粘度：各种不同介质的粘度值变化范围很大。 空气：1.810-4泊 水：10-2泊 各种油：0.510泊 地壳：51022泊 土：1061017泊 冰：10101015泊理想粘滞液体（牛顿液体）：a.任意剪应力下，剪应力速率 ；b. ；c.粘滞流动变形不可

10、逆。一、粘滞性；粘滞流动不可逆厘米秒泊达因2/常数r 岩土工程研究所土的粘度的测定方法：可用于进行蠕变试验的仪器都可用来测定土的粘度；土的应力和流动速度之间的关系是非线性的；相应地粘度也就不是常数，而是与荷载的大小、时间有关。粘度的变化成千倍的量级，过程开始时，粘度1091010泊；结束时达10131014泊。体积粘度 ：压缩粘度 、剪切粘度 和体积粘度 关系：二、土的粘度测定mvpvv3vv岩土工程研究所土是力学性质非常复杂的材料，应该被看成非线性的具有弹塑性、粘滞性的介质。弹性：表现在土中存在可恢复的变形；塑性：表现在不可逆的变形的发展；粘滞性：表现在变形随时间而发展。非线性表现在应力变形

11、时间之间的非线性关系；三、土的弹塑粘滞特性岩土工程研究所衰减蠕变过程和非衰减蠕变过程假定A：rr0+r(t) 假定B：rr(t)I：初始蠕变阶段II：稳定蠕变阶段III：加速蠕变阶段一、蠕变规律 r r0 t I II III 图7岩土工程研究所剪切和三轴压缩的蠕变试验结果均表明：粘土的蠕变有衰减和非衰减特征之分。对非衰减型蠕变，其蠕变的三阶段也很明显（大多数情况如此）。岩土工程研究所对应于各种的rt曲线称作蠕变曲线。 或 对应于各种t的曲线称作等时曲线 或 tfr,1),(2tfrtr,1tr,2 t2 r 3 t1 2 t=0 1 t 等时曲线 儒变曲线 图8岩土工程研究所但也常遇到稳定蠕

12、变阶段持续时间很长，而不出现加速蠕变阶段。因此，有人对加速蠕变是否存在表示怀疑，而认为试验中所表现出的加速蠕变是有试验条件所引起，如试样工作截面的减少，应力集中等。有人则认为加速蠕变是确实存在的，是由本身的特性决定的，而非试验条件所致。（苏）维亚洛夫认为：土在蠕变过程中同时存在硬化和软化的过程。也就是说蠕变过程中，颗粒之间的连结一方面被破坏，而另一方面又在恢复。当其一方占优时，蠕变表现出衰减或加速。岩土工程研究所试验表明，密实粘土蠕变显脆性破坏，破坏前没有明显的稳定蠕变阶段。研究表明：颗粒之间的结构连接对土体蠕变性状有较大影响。以水胶连结为主的（凝聚结构）塑性土具有典型蠕变曲线的所有变形阶段，

13、长期强度只占短期强度的4070%。在有混合的、凝聚的和结晶连接的密实粘土中，衰减变形阶段占优势，长期强度占短期强度的7080%，且多直接从衰减（初始蠕变）直接过渡到加速蠕变，没有稳定蠕变阶段。岩土工程研究所粘土颗粒周围有吸着水膜。该水膜有明显的粘滞特性，使土体表现出蠕变特性。但是，即使是干土，干燥颗粒间也表现出了抵抗颗粒位移的粘滞强度。试验表明（如右图）：风干粘土粉末和润湿后的粘土粉末样均表现蠕变特性。图11 风干粘土无侧膨胀压缩的蠕变曲线1风干状态；2浸湿后二、土骨架的蠕变岩土工程研究所类似的三轴试验也证明了这一点。并且，干、湿土样的蠕变均可用来表示，且干、湿状态同一种土的参数n相同。nTt

14、Ar岩土工程研究所砂土的蠕变一般也服从对数规律。（如图12所示） 图 12 干细砂无侧胀压缩的蠕变曲线图13 冻结亚粘土（）的拉伸（1）和压缩（2）流变曲线 压缩和拉伸条件下土的蠕变是不同的，如图13为冻结亚粘土的单轴压缩和拉伸蠕变试验。岩土工程研究所压缩和拉伸都可用同样的方程描述：本人曾进行三轴压缩和伸长条件下的蠕变试验。mz121岩土工程研究所（苏）c.c.维亚络夫等对一种高岭土进行了蠕变试验，并用显微镜观察研究了不同变形阶段土样微结构的变化。土样：高岭土 3840 L58 p38蠕变试验：采用空心圆柱土样在扭转的纯剪条件下进行，采用各种恒定的剪切荷载，从产生瞬时破坏到仅导致衰减变形的荷载

15、均有。三、蠕变过程中土的微结构变化岩土工程研究所%100SSd%1000SS定义：式中：Sd切片中结构缺损所依据的面积 S0切片中平行剪切方向的颗粒所依据的面积 S垂直于剪切方向的总的截面积。采用了2个指标定量描述微结构：结构破损程度和定向度。岩土工程研究所研究结果：原始结构：6070定向颗粒组成的团粒； 3040无定向颗粒 破损程度02225衰减蠕变：试验开始2天后，破损度从02522， 6天之后，降为20。 定向度无明显变化 结构缺损的减少主要在变形剧烈增长的初期。岩土工程研究所非衰减蠕变：结构特征急剧改变，破损度和/或定向度变化大 迅速破坏情况：结构无重新定向 t0.03小时内破坏，从2

16、4.136.8 岩土工程研究所变形过程较长：不稳定蠕变阶段：结构变化甚微，管隙减 小，颗粒开始重新定向； 稳定蠕变阶段：结构变化明显，颗粒定向 明显，一边缺陷愈合，一边发生新的结构 破坏； 加速蠕变阶段：颗粒定向明显，微裂隙强 烈发育，汇合成主干式裂隙形成破坏 。岩土工程研究所在恒是应力下随时间发展的剪切变形方程蠕变方程。 如不考虑瞬时变形式中：m0.21， ，T单位时间，TtArm10TtArm11015 . 0trr*（一）、幂函数关系),(2tfrtr,2岩土工程研究所Singh-Mitchell方程：式中：A、 、m为参数， 为应力水平，to单位时间。DmttDA0exp一、幂函数关系

17、岩土工程研究所Mesri方程：式中：m为参数，Rf破坏比， 应力水平，Eu初始剪切模量。幂函数形式的蠕变方程：简单、实用，适用性强，从软土到硬土、甚至岩石。mfuuttDRDSE1012D岩土工程研究所若不考虑瞬时变形： TTtArmln10TTtArmmln110 TTtrrmmHln*TTtrrHln*二、对数关系岩土工程研究所三、分数线性关系 （双曲线关系）stTGtr10)(0)10(cbDcDatttH drained creep test data, Tian et al. (1994)岩土工程研究所 土的塑粘性流动规律可用下式表示：式中： 塑性粘滞系数， 极限长期强度, 单位应力

18、，m t000 .20 .40 .60 .810 .111 01 0 01 0 0 01 0 0 0 0Tim e (m in)q/q0S FB M-1S FB M-2S FB M-3S FB M-1-f itS FB M-2-f itS FB M-3-f it岩土工程研究所（四）试验资料Zhu 20000 .40 .60 .8105 0 01 0 0 01 5 0 0Tim e (m in)q/q0CUC1CUC5CUC8CUE9CUE5CUE6CUC1-f itCUC5-f itCUC8-f itCUE9-f itCUE5-f itCUE6-f it0 .40 .60 .810 .111

19、01 0 01 0 0 01 0 0 0 0Tim e (m in)q/q0CUC1CUC5CUC8CUE9CUE5CUE6CUC1-f itCUC5-f itCUC8-f itCUE9-f itCUE5-f itCUE6-f itt0000stsqq岩土工程研究所（四）试验资料Yoshikuni et al. 1994Porewater pressure build-up during relaxation tests under one-dimensional conditions (after Yoshikuni et al. 1994)岩土工程研究所（四）试验资料应力松弛量的大小与开始

20、松弛时试样的变形速率有关：(1) 开始松弛时试样的变形速率越大，q/q0越小；(2) q/q0与开始松弛时的应力水平有关；0 .40 .60 .8105 0 01 0 0 01 5 0 0Tim e (m in)q/q0CUC1CUC5CUC8CUE9CUE5CUE6CUC1-f itCUC5-f itCUC8-f itCUE9-f itCUE5-f itCUE6-f it前面介绍的两个经验公式不能反映应力松弛量的大小与开始松弛时试样的变形速率相关的特性事实上，即使比较好的弹粘塑性模型也不能反映这一特性岩土工程研究所（四）试验资料应力松弛阶段，对不排水试验，一般伴随孔压上升：(1) Under

21、 compression states the porewater pressure developed in the process of relaxation is small, and the ratios of u/0 range from 0.5% to 4.2%;(2) under extension states, the porewater pressure continuously increases, and the increases of porewater pressure are much larger with the ratios of u/0 ranging

22、from 8% to 12.3%岩土工程研究所（四）试验资料应力松弛应该是很有前途的试验：(1) 试验时间短；(2) 不象蠕变试验那样，发生加速蠕变破坏，在破坏阶段，其应力变形不稳定，难以准确量测和描述；而松弛试验最终是趋于稳定；但目前还没有合适的分析利用应力松弛试验资料的方法岩土工程研究所( (一一) )、概念概念（相对）瞬时强度：对材料迅速加荷至破坏，所测得的强度称为瞬时强度。对有蠕变特性的材料，如对试验施加小于相对瞬时强度的荷载，通过一定时间后试样会破坏，这种强度称为长期强度。长期强度随荷载作用时间的增加而减小。三、三、土的长期强度土的长期强度 岩土工程研究所用于进行剪切点蠕变试验的仪器

23、都可用来测定土的长期强度。要求：最好能够控制应力不变，而不是荷载不变( (二二) )、试验仪器试验仪器三、三、土的长期强度土的长期强度岩土工程研究所（三）、（三）、试验方法试验方法1. 分别加荷试验：取一组样作蠕变试验，使其达到破坏，记录达到破坏的历时；（如图20所示） 图20 土的蠕变曲线（a） 长期强度曲线（） 岩土工程研究所（三）、（三）、试验方法试验方法2.分级加载试验（1）若干级荷载对同一土样逐级加载,每级荷载下至变形相对稳定；24小时应变0.01%;（2）当出现稳定蠕变或加速蠕变,后面的2级荷载至少保持3天；图21所示岩土工程研究所 图21 （a）应变发展曲线；（）应力（ln）与应

24、变（）关系问题：对；在画lnlnr曲线时，取何值时对应的r，因时间不同，r不等。岩土工程研究所3. 快速试验法给试验施加应力0，让其蠕变和应力松弛。这时，侧力计要松驰，应力下降，试样变形；土样是在变应力下，作蠕变试验，同时在非恒定变形下作松弛试验，且应力和变形的变化互相有关。0逐级提高，每一级保持到稳定终结值k 、k同时记录t ； 绘制kk1) 确定 （图25）岩土工程研究所图22 长期强度和蠕变试验的测力仪（a）仪器略图（1土样；2测微计；3压板；4测力计；5测微计；6支架；7加力装置）；（）一次加载；（B）梯级加载 岩土工程研究所粘土的单轴和三轴压缩蠕变试验表明：试样长期破坏强度一般占相对

25、瞬时强度9045；密实粘土的强度降低比塑性粘土的程度小。到目前为止，进行的三轴蠕变试验测定长期强度多为不排水条件；研究普遍认为，蠕变导致孔压上升，必然导致强度降低；对排水条件下，由于排水固结，减小了强度降低的效果，有的试验甚至表明时间增长，强度提高。（四）、试验资料（四）、试验资料岩土工程研究所本人认为：在排水条件下，对大部分土（不存在颗粒间结晶作用），可能有不同程度的降低（推测）；因为三轴试验表明：加荷速率快，试样呈鼓形破坏；慢则出现剪切带；表明长时间下，土颗粒会定向排列。（五）、典型实例（五）、典型实例伦敦海相（海成）密实裂隙粘土；WL7090 WP2432 WL稍大于WP三轴：c12.5

26、kPa 20 岩土工程研究所对不同的边坡，假定摩擦角不变，蠕变使粘聚力下降，反算各边坡滑动破坏时粘聚力见表 一。边坡一边坡二边坡三边坡四岩土工程研究所Ckemiitoh研究了滑动的伦敦粘土边坡，用反算法确定了破坏时刻作用在滑动面上的有效法向应力和切向应力值。Iiiykjie又对这些数据进行了分析，假定所有例子的法向应力值都相同，=35kPa ，求出破坏时刻土的抗剪强度值，列于表2，（表9.1图9.10）对 象达到破坏前的时间（年）抗 剪 强 度105（帕斯卡）实验室试验几小时0.283100 190.17963 290.16759 490.134470.10035边坡一边坡二边坡三岩土工程研究

27、所 图23 野外条件下抗剪强度的降低曲线岩土工程研究所1.强度指标如果考虑了土的强度随时间降低，其摩尔库仑强度条件可表示为：C(t)、(t)H 、相对瞬时的C0、0 变到极限长期的C 和 相应地抗剪强度： ttgtCn（六）、土的长期强度（六）、土的长期强度tgCtgCnn000岩土工程研究所试验表明：土的粘聚力随时间变化十分明显，而摩擦角的变化较小。某冻结亚粘土的试验： 、145. 00CC7 . 00tgtg岩土工程研究所2.长期强度方程（1）对数方程式中：A0、m、为参数；t0为很小的数，如1秒； 可作常数；T为单位时间。 TttApmcp00lncp岩土工程研究所（2）幂次方程 式中：

28、t0为很小的数，如1秒；T、为参数。Tttp0t0岩土工程研究所（3）分数线性方程式中： ； 称为应力水平。参数由蠕变曲线确定；T单位时间0Ttp0000时pt10时pt岩土工程研究所四、应变率效应四、应变率效应应变率效应是指土体的应力应变强度特性随应变速率（或加荷速率）而变化。常见的两种典型的应变率效应的试验：岩土工程研究所试验方法：分别加荷；分级加荷目前三轴试验中的问题：主要是孔压的量测及孔压在试样中分布不均匀。（1）孔压不均匀：普遍认为，由于试样端部约束作用，在剪切速率较快时，试样内孔压分布不均。（2）孔压的量测：有人曾将孔压传感器安插到试样中部；岩土工程研究所单向固结的 等梯度固结试验

29、分别加荷 分级加荷 岩土工程研究所三轴压缩与伸长试验分别加荷 及 分级加荷岩土工程研究所三轴压缩试验分级加荷05 01 0 01 5 02 0 02 5 002468a (% )q (kPa)6.0% /h0.6% /h0.06% /h05010015020002468a (% )u (kPa)岩土工程研究所三轴伸长试验分级加荷-3 5 0-3 0 0-2 5 0-2 0 0-1 5 0-1 0 0-5 00024681 0a (% )q (kPa)Relax .1.5% /h1.5% /hRelax .Relax .Relax .15% /h15% /h15% /h1.5% /h0.15%

30、/h岩土工程研究所目前三轴试验中的问题：主要是孔压的量测及孔压在试样中分布不均匀。（1）孔压不均匀：普遍认为，由于试样端部约束作用，在剪切速率较快时，试样内孔压分布不均。（2）孔压的量测：有人曾将孔压传感器安插到试样中部；岩土工程研究所结论：（1）对CSRN试验，应变速率每增加10倍，其前期固结应力增加1020；（2）对三轴压缩试验：剪切速率每增加10倍，其强度提高1020；岩土工程研究所1 1、模型分类、模型分类岩土工程研究所2 2、经验模型、经验模型),(tf),(tf),(f岩土工程研究所2 2、经验模型、经验模型mDattAe1)(0)10(cbDcDatttH qqstt001 lo

31、g,mtt11011logtttCabtata岩土工程研究所3 3、粘弹性模型（元件模型）、粘弹性模型（元件模型）岩土工程研究所4 4、弹粘塑性模型（粘弹粘塑性模型）、弹粘塑性模型（粘弹粘塑性模型）岩土工程研究所4 4、弹粘塑性模型、弹粘塑性模型The total strain rate is composed of time-independent elastic strain rate and time dependent strain rate vpijeijijThe elastic strain rate is assumed to obey the generalised Hook

32、es law, and is expressed as klijkleijC 岩土工程研究所4 4、弹粘塑性模型、弹粘塑性模型The visco-plastic strain rate can be determined by the following flow rule: Where r is a positive viscosity coefficient ( in the unit of inverse time) of the soil skeleton. The F(F) is a scalar function, called visco-plastic flow function and may be determined by experiments. The function Q is visco-plastic potentia