土流變學(xué)(朱俊高)

1、土流變學(xué),河海大學(xué) 巖土工程研究所朱俊高,第1節(jié) 概述,流變是指材料的性質(zhì)、狀態(tài)隨時(shí)間變化的性質(zhì)；,1、流變的概念,從應(yīng)力、變形的角度，或者說從力學(xué)的角度，土具有三個(gè)特性：,非線性：包括：應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的非線性；變形隨時(shí)間而變化的非線性；應(yīng)力隨時(shí)間而變化的非線性 彈性和塑性：經(jīng)典彈塑性理論所描述的 流變性：時(shí)間效應(yīng)。主要包括四種現(xiàn)象（主要表現(xiàn)）:蠕變、應(yīng)力松弛、長(zhǎng)期強(qiáng)度、應(yīng)變率效應(yīng),第1節(jié) 概述,我們也正是通過這些現(xiàn)象來研究

2、土體流變性,由于土體具有流變性而表現(xiàn)出的現(xiàn)象：,蠕變：指恒定應(yīng)力下變形隨時(shí)間發(fā)展的現(xiàn)象；應(yīng)力松弛：一定應(yīng)力狀態(tài)下，保持土體變形不變，應(yīng)力隨時(shí)間而減小的過程； 應(yīng)變率（荷載率）效應(yīng)：不同的加荷速率，土體表現(xiàn)出不同的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度特性； 長(zhǎng)期強(qiáng)度：土體抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間而減小，即長(zhǎng)期的強(qiáng)度小于相對(duì)瞬時(shí)強(qiáng)度；,第1節(jié) 概述,,圖1 土體剪切蠕變曲線,圖2 土體體積蠕變（次固結(jié)）曲線,第1節(jié) 概述,圖4 某土的應(yīng)力松弛曲線,圖 3

3、（a）土的蠕變曲線和（b）長(zhǎng)期強(qiáng)度曲線,第1節(jié) 概述,(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 stre

4、ss paths for OCR=1 test series,第1節(jié) 概述,流變與蠕變之間的區(qū)別：流變是指材料的性質(zhì)、狀態(tài)隨時(shí)間而變化；蠕變是指材料的變形隨時(shí)間而增加；流變包括蠕變，或者說流變更一般、范圍更廣。流變--Rheology 蠕變--Creep土的流變性而引起了大量的工程問題，許多的工程由于土體流變而破壞失事：粘土地基上擋土墻的位移、邊坡穩(wěn)定性、橋臺(tái)因蠕動(dòng)而變形，碼頭、建筑物基礎(chǔ)、比薩斜塔、Londan粘

5、土是一種典型的流變性較強(qiáng)的土。一般認(rèn)為：軟粘土流變性強(qiáng)，砂性土的流變性弱。,第1節(jié) 概述,圖4 瑞士土的蠕變引起橋臺(tái)位移（用虛線表示）,圖5 在？？地區(qū)由于土的蠕變引起的工廠擋土墻的位移,第1節(jié) 概述,Fig.1.1 Tower of Pisa (Italy), (a) section of tower and geological structure of base of its foundation; (b) varia

6、tion 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，基底壓力497kPa，建成時(shí)就

7、傾斜了2.1m，到1995年，沉降1.5m，傾斜5.58m，沉降速率2mm/年,第1節(jié) 概述,流變學(xué)的基本任務(wù)：研究應(yīng)力～應(yīng)變狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的規(guī)律，換句話說，流變學(xué)要回答的問題是：在應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間的三維空間內(nèi)，任一點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變值有多大？（蘇）C.C.維亞洛夫認(rèn)為：彈塑性理論：是現(xiàn)象學(xué)的理論，研究宏觀過程。流變學(xué)：研究宏觀過程，也研究微觀過程，也就是說重視研究現(xiàn)象的物理實(shí)質(zhì)。,第1節(jié) 概述,宏觀流變學(xué)：研究實(shí)際物體的流

8、變過程的外部表現(xiàn)，即那些能借助于一般量測(cè)設(shè)備觀察到的現(xiàn)象（如變形、應(yīng)力等）。它不研究物體的組成和結(jié)果特點(diǎn)，而把物體看作是連續(xù)均質(zhì)的。物體在外力作用下的表現(xiàn)與物體特性之間的關(guān)系是建立在現(xiàn)象學(xué)觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上的。這種觀點(diǎn)不考慮物體中產(chǎn)生的物理過程，而在宏觀實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立這些過程外部表現(xiàn)的數(shù)學(xué)描述。微觀流變學(xué)：研究物體的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)特性，以及物體單元顆粒間的相互關(guān)系等問題。研究微觀過程。土的流變特性研究應(yīng)用于兩個(gè)方面：1.剪切蠕變：包括長(zhǎng)

9、期強(qiáng)度；邊坡、擋墻位移、穩(wěn)定2.體積蠕變：建筑物沉降,第1節(jié) 概述,土體流變學(xué)研究?jī)?nèi)容具體為下面4個(gè)方面：,2、土流變學(xué)主要研究重點(diǎn),（1）流變?cè)囼?yàn)研究： 通過試驗(yàn)，研究揭示土體流變規(guī)律。（2）流變本構(gòu)模型建立： 探討用什么樣的本構(gòu)方程去描述土的應(yīng)力、應(yīng)變及時(shí)間之間的關(guān)系，既要使得本構(gòu)方程能夠準(zhǔn)確反映土的流變特性，又要考慮到實(shí)際工程應(yīng)用的可行性。,第1節(jié) 概述,（3）本構(gòu)方程的解析： 包括方程的解析解和數(shù)

10、值解。在解析解方面，給人印象最深的是日本學(xué)者Sakurai；數(shù)值解主要是有限元法。此外，還有邊界元法、無限元法以及它們的耦合，有限差分法等。（4) 工程問題的應(yīng)用 選用適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)模型和解析方法，解決工程中涌現(xiàn)的各種問題，如建筑物的變形和長(zhǎng)期沉降，邊坡和護(hù)岸工程的變形，坑道和隧道的變形等等。,第1節(jié) 概述,流變學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)科始于20世紀(jì)20年代：1922年Bingham《流動(dòng)和塑性》名著的出版，以及根據(jù)他的倡議，

11、1928年流變協(xié)會(huì)的成立，標(biāo)志著流變學(xué)稱為一門獨(dú)立的學(xué)科。土流變學(xué)：一般認(rèn)為始于1953年的第3屆國(guó)際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)會(huì)議；,3、流變學(xué)歷史,第1節(jié) 概述,20世紀(jì)70年代以前，元件流變模型大量涌現(xiàn)；這類模型是由理想元件組合而成。如：陳宗基模型(1957)、Merchant模型(1940)、 Keedwell模型(1972)、 Folque模型(1961)、 Mexwell模型(19)、 Kelvin模型(19)、 Bingham

12、模型(1940);在這段時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)研究也較多；70年代以來，隨著彈塑性理論的發(fā)展，以Perzyna為代表的土體彈粘塑性模型（Elastic ViscoPlastic model）得到發(fā)展。Perzyna (1963), Adachi and Oka (1982), Dafalias (1982), Katona (1984), Baladi and Rohanni (1984), Liang and Ma (1992), Seki

13、guchi (1977), Nova (1982), Matsui and Abe (1985, 1986), Yin and Grahama (1999),3、流變學(xué)歷史,粘滯性：液體（或氣體）單元顆粒相互位移時(shí)表現(xiàn)出的抵抗位移的特性。牛頓液體：土的粘度：各種不同介質(zhì)的粘度值變化范圍很大。 空氣：1.8×10-4泊 水：10-2泊

14、 各種油：0.5～10泊 地殼：5×1022泊 土：106～1017泊 冰：1010～1015泊理想粘滯液體（牛頓液體）：a.任意剪應(yīng)力下，剪應(yīng)力速率 ；b. ；c.粘滯流動(dòng)變形不可逆。,第2節(jié) 粘滯性,一、粘滯性,土的粘度的測(cè)定方法：可用于進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)的儀器都可用來測(cè)定

15、土的粘度；土的應(yīng)力和流動(dòng)速度之間的關(guān)系是非線性的；相應(yīng)地粘度也就不是常數(shù)，而是與荷載的大小、時(shí)間有關(guān)。粘度的變化成千倍的量級(jí)，過程開始時(shí)，粘度109～1010泊；結(jié)束時(shí)達(dá)1013～1014泊。體積粘度 ：壓縮粘度 、剪切粘度 和體積粘度 關(guān)系：,第2節(jié) 粘滯性,二、土的粘度測(cè)定,第2節(jié) 粘滯性,土是力學(xué)性質(zhì)非常復(fù)雜的材料，應(yīng)該被看成非線性的具有彈塑性、粘滯性的介質(zhì)。彈性：表現(xiàn)在土中存

16、在可恢復(fù)的變形；塑性：表現(xiàn)在不可逆的變形的發(fā)展；粘滯性：表現(xiàn)在變形隨時(shí)間而發(fā)展。非線性表現(xiàn)在應(yīng)力~變形~時(shí)間之間的非線性關(guān)系；,三、土的彈塑－粘滯特性,第2節(jié) 土的蠕變,衰減蠕變過程和非衰減蠕變過程假定A：r＝r0+r(t) 假定B：r＝r(t)I：初始蠕變階段II：穩(wěn)定蠕變階段III：加速蠕變階段,一、蠕變規(guī)律,圖7,第2節(jié) 土的蠕變,剪切和三軸壓縮的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果均表明：粘土的蠕變有衰減和非衰

17、減特征之分。對(duì)非衰減型蠕變，其蠕變的三階段也很明顯（大多數(shù)情況如此）。,第2節(jié) 土的蠕變,對(duì)應(yīng)于各種的r－t曲線稱作蠕變曲線。 或 對(duì)應(yīng)于各種t的曲線稱作等時(shí)曲線 或,圖8,第2節(jié) 土的蠕變,但也常遇到穩(wěn)定蠕變階段持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，而不出現(xiàn)加速蠕變階段。因此，有人對(duì)加速蠕變是否存在表示懷疑，而

18、認(rèn)為試驗(yàn)中所表現(xiàn)出的加速蠕變是有試驗(yàn)條件所引起，如試樣工作截面的減少，應(yīng)力集中等。有人則認(rèn)為加速蠕變是確實(shí)存在的，是由本身的特性決定的，而非試驗(yàn)條件所致。（蘇）維亞洛夫認(rèn)為：土在蠕變過程中同時(shí)存在硬化和軟化的過程。也就是說蠕變過程中，顆粒之間的連結(jié)一方面被破壞，而另一方面又在恢復(fù)。當(dāng)其一方占優(yōu)時(shí)，蠕變表現(xiàn)出衰減或加速。,試驗(yàn)表明，密實(shí)粘土蠕變顯脆性破壞，破壞前沒有明顯的穩(wěn)定蠕變階段。研究表明：顆粒之間的結(jié)構(gòu)連接對(duì)土體蠕變性狀有較大

19、影響。以水膠連結(jié)為主的（凝聚結(jié)構(gòu)）塑性土具有典型蠕變曲線的所有變形階段，長(zhǎng)期強(qiáng)度只占短期強(qiáng)度的40~70%。,第2節(jié) 土的蠕變,在有混合的、凝聚的和結(jié)晶連接的密實(shí)粘土中，衰減變形階段占優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期強(qiáng)度占短期強(qiáng)度的70~80%，且多直接從衰減（初始蠕變）直接過渡到加速蠕變，沒有穩(wěn)定蠕變階段。,第2節(jié) 土的蠕變,粘土顆粒周圍有吸著水膜。該水膜有明顯的粘滯特性，使土體表現(xiàn)出蠕變特性。但是，即使是干土，干燥顆粒間也表現(xiàn)出了抵抗顆粒位移的粘滯強(qiáng)

20、度。試驗(yàn)表明（如右圖）：風(fēng)干粘土粉末和潤(rùn)濕后的粘土粉末樣均表現(xiàn)蠕變特性。,圖11 風(fēng)干粘土無側(cè)膨脹壓縮的蠕變曲線1－風(fēng)干狀態(tài)；2－浸濕后,二、土骨架的蠕變,類似的三軸試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。并且，干、濕土樣的蠕變均可用來表示，且干、濕狀態(tài)同一種土的參數(shù)n相同。,第2節(jié) 土的蠕變,第2節(jié) 土的蠕變,砂土的蠕變一般也服從對(duì)數(shù)規(guī)律。（如圖12所示）,圖 12 干細(xì)砂無側(cè)脹壓縮的蠕變曲線,圖13 凍結(jié)亞粘土（）的拉伸（1）和壓縮

21、（2）流變曲線,壓縮和拉伸條件下土的蠕變是不同的，如圖13為凍結(jié)亞粘土的單軸壓縮和拉伸蠕變?cè)囼?yàn)。,第2節(jié) 土的蠕變,壓縮和拉伸都可用同樣的方程描述：本人曾進(jìn)行三軸壓縮和伸長(zhǎng)條件下的蠕變?cè)囼?yàn)。,第2節(jié) 土的蠕變,（蘇）c.c.維亞絡(luò)夫等對(duì)一種高嶺土進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)，并用顯微鏡觀察研究了不同變形階段土樣微結(jié)構(gòu)的變化。土樣：高嶺土 ω＝38～40％ ωL＝58％ ωp＝38％蠕變?cè)囼?yàn)：采用空心圓柱土樣在扭轉(zhuǎn)的純剪條件下進(jìn)行，采

22、用各種恒定的剪切荷載，從產(chǎn)生瞬時(shí)破壞到僅導(dǎo)致衰減變形的荷載均有。,三、蠕變過程中土的微結(jié)構(gòu)變化,第2節(jié) 土的蠕變,定義：式中：Sd――切片中結(jié)構(gòu)缺損所依據(jù)的面積 S0――切片中平行剪切方向的顆粒所依據(jù)的面積 S――垂直于剪切方向的總的截面積。,采用了2個(gè)指標(biāo)定量描述微結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)破損程度ω和定向度Ω。,第2節(jié) 土的蠕變,研究結(jié)果：原始結(jié)構(gòu)：60～70％定向顆粒組成的團(tuán)粒；

23、 30～40％無定向顆粒 破損程度ω0＝22～25％衰減蠕變：試驗(yàn)開始2天后，破損度從ω0＝25％→22％， 6天之后，降為20％。 定向度Ω無明顯變化 結(jié)構(gòu)缺損的減少主要在變形劇烈增長(zhǎng)的初期。,第2節(jié) 土的蠕變,非衰減蠕變：結(jié)構(gòu)特征急劇改變，破損度ω和/或定向度Ω變化大 迅速破壞情況：

24、結(jié)構(gòu)無重新定向 t＝0.03小時(shí)內(nèi)破壞，ω從24.1→36.8％,第2節(jié) 土的蠕變,變形過程較長(zhǎng)：①不穩(wěn)定蠕變階段：結(jié)構(gòu)變化甚微，管隙減 小，顆粒開始重新定向； ②穩(wěn)定蠕變階段：結(jié)構(gòu)變化明顯，顆粒定向 明顯，一邊缺陷愈合，一邊發(fā)生新的結(jié)構(gòu)

25、 破壞； ③加速蠕變階段：顆粒定向明顯，微裂隙強(qiáng) 烈發(fā)育，匯合成主干式裂隙形成破壞 。,蠕變方程,在恒是應(yīng)力下隨時(shí)間發(fā)展的剪切變形方程――蠕變方程。

26、 如不考慮瞬時(shí)變形式中：m＝0.2～1， ，T－單位時(shí)間，,（一）、冪函數(shù)關(guān)系,第2節(jié) 土的蠕變,Singh-Mitchell方程：式中：A、 、m為參數(shù)， 為應(yīng)力水平，to－單位時(shí)間。,一、冪函數(shù)關(guān)系,第2節(jié) 土的蠕變,Mesri方程：式中：m為參數(shù)，Rf－破壞比， －應(yīng)力水平，Eu－初始剪切模量。冪函數(shù)形式的蠕變方程：簡(jiǎn)單、實(shí)用，適用性強(qiáng)，

27、從軟土到硬土、甚至巖石。,第2節(jié) 土的蠕變,若不考慮瞬時(shí)變形：,二、對(duì)數(shù)關(guān)系,第2節(jié) 土的蠕變,三、分?jǐn)?shù)－線性關(guān)系 （雙曲線關(guān)系）,第2節(jié) 土的蠕變,drained creep test data, Tian et al. (1994),土的塑粘性流動(dòng)規(guī)律可用下式表示：式中： ――塑性粘滯系數(shù)， ――極限長(zhǎng)期強(qiáng)度, ――單位應(yīng)力，m<＝1試驗(yàn)表明：

28、法向應(yīng)力 對(duì)剪切流動(dòng)速度 影響很大， 大， 小。,流動(dòng)方程,第2節(jié) 土的蠕變,或,土體在蠕變流動(dòng)過程中，蠕變速率隨時(shí)間變化，這種變化可以用變形過程中，土體的粘滯特性的變化來解釋，則： 可表示為： or,第2節(jié) 土的蠕變,實(shí)際上流動(dòng)方程應(yīng)表示為：,或,我們前面介紹的蠕變方程和流動(dòng)方程實(shí)際上就是考慮了時(shí)間效應(yīng)的土體本構(gòu)方程，但這些都是根據(jù)試驗(yàn)總

29、結(jié)出來的，是經(jīng)驗(yàn)方程。,第2節(jié) 土的蠕變,流動(dòng)方程,或,蠕變方程,因此，考慮了時(shí)間效應(yīng)的土體本構(gòu)方程應(yīng)該具有下列形式。,第2節(jié) 土的蠕變,或,Eringen (1962) indicated that the explicit introduction of time in the constitutive relations violates the principle of objectivity in continuum mech

30、anics. However, in general, time explicitly exists in the empirical relation for the viscous behaviour of soil.,1.極限變形守恒嚴(yán)格地講，對(duì)應(yīng)于破壞時(shí)刻的變形值依賴于破壞歷時(shí)tp，或依賴于應(yīng)力本身。如右圖所示。在很多情況下，可以把 看作常數(shù)!!,第2節(jié) 土的蠕變,圖9,第2節(jié) 土的蠕變,2.土的變形速率與達(dá)到破壞

31、的時(shí)間的乘積守恒。研究表面：破壞時(shí)間和蠕變速率之間的關(guān)系：即如右圖所示：上式可寫為：參數(shù)b一般為0.92～1.08，可取為1.0，則：,圖10 變形速率與破壞前荷載歷時(shí)的關(guān)系 1－一些研究者的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)資料 2－野外觀測(cè)和大比例測(cè)試資料,第2節(jié) 土的蠕變,C值變化范圍較小，可以假定：C與土的類型和應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系不大。Canto認(rèn)為：C＝0.023；фNHH認(rèn)為：C＝0.017。3.破壞歷時(shí)預(yù)報(bào)（1）

32、方法1根據(jù)： ；可以用穩(wěn)定蠕變階段的變形速率 代替 ，而達(dá)到破壞的歷時(shí)則從這個(gè)階段開始時(shí)刻的tT算起到破壞時(shí)刻為止；如果穩(wěn)定流動(dòng)階段不明顯，可以從相應(yīng)于最小變形速率時(shí)刻t0算起到破壞時(shí)刻為止。 即：,第2節(jié) 土的蠕變,（2）方法2在蠕變曲線上找三點(diǎn)，使相鄰兩點(diǎn)間變形差相等，即對(duì)應(yīng)t1、t2、t3時(shí)刻的r1、r2、r3，使得r2－r1＝r3－r2，則：

33、 （維亞洛夫）4.變形功守恒還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，長(zhǎng)期破壞時(shí)，變形功守恒，如變形功率為常數(shù)，則：,隨時(shí)間變化： 這里：,第2節(jié) 土的蠕變,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),（一）特點(diǎn)蠕變?cè)囼?yàn)：在維持荷載不變的情況下，觀測(cè)試驗(yàn)變形發(fā)生、發(fā)展的試驗(yàn)。,一、蠕變?cè)囼?yàn),在天然條件下，土的蠕變過程為幾十年或幾百年。但在實(shí)驗(yàn)室

34、條件下，我們進(jìn)行的試驗(yàn)只能是幾個(gè)小時(shí)或幾天，少數(shù)試驗(yàn)進(jìn)行幾個(gè)月，極少數(shù)進(jìn)行數(shù)年。因此，我們不得不將短時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推到長(zhǎng)時(shí)間的范圍中去。,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),按照蠕變?cè)囼?yàn)資料評(píng)價(jià)土的流變特性的關(guān)鍵在于蠕變方程的選擇和方程參數(shù)的的確定；因此，將試驗(yàn)資料依據(jù)蠕變方程外推時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。,一、蠕變?cè)囼?yàn),第5節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),（二）荷載進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)，有兩種加荷方式：1.分別加荷：對(duì)試樣一次性加到某個(gè)蠕變荷載；然后維持恒定。優(yōu)點(diǎn)：沒有前

35、期應(yīng)力歷史的影響；缺點(diǎn)：需一組同樣的試樣，難以避免結(jié)果離散性。2.分級(jí)加荷：對(duì)一個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行多級(jí)加荷。優(yōu)點(diǎn)：只需一個(gè)試驗(yàn)，缺點(diǎn)：上一級(jí)荷載對(duì)下一級(jí)荷載變形有影響。,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),1.分別加荷：,Changes of axial strain with time; for the three undrained triaxial creep tests on RHKMD.,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),2.分級(jí)加荷：,Fig.5.3

36、Relationship of (a) axial strain versus log(time) in a multi-stage undrained creep test of RHKMD in compression state,（三）試驗(yàn)儀器固結(jié)儀：?jiǎn)蜗蚬探Y(jié)試驗(yàn)三軸儀：三軸壓縮：CU、CD （一次 、 分級(jí)加荷） 三軸伸長(zhǎng)：CU、CD

37、 （一次、分級(jí)加荷）,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),扭剪儀：直剪儀：環(huán)剪儀：,圖15 直剪儀1-固定的下半剪切盒；2-可動(dòng)的上半盒；3-上沖塞；4-土樣；5-下沖塞,圖16 雙剪儀,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),圖17 測(cè)試環(huán)形土樣的環(huán)剪儀和扭剪儀（a）環(huán)剪儀；（b）環(huán)形樣扭剪儀1-底半盒；2-頂半盒；3-環(huán)形充塞；4-內(nèi)部保護(hù)環(huán)；5-外部保護(hù)環(huán)；6-地步透水環(huán)形片,圖18

38、 柱剪儀,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),圖19 單剪儀（a）受迫剪切儀；（b）自由剪切儀；（c）柱剪儀1-側(cè)板；2-前、后側(cè)墻；3-充塞；4-保護(hù)環(huán)；5-外筒；6-橡膠套；7-內(nèi)筒；8-內(nèi)筒肋條；9-外筒蓋；10-球形軸承組；11和12-內(nèi)筒蓋,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),圖19 固結(jié)儀,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),圖19 三軸儀,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),圖19 三軸儀,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),圖19 單剪儀,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),

39、（四）試驗(yàn)方法對(duì)排水剪的蠕變?cè)囼?yàn)，即使是分別加荷，也有一次瞬時(shí)加荷和分級(jí)加荷之分。三軸固結(jié)不排水剪蠕變?cè)囼?yàn)：1．裝樣、固結(jié)；2．施加偏應(yīng)力： ；3．測(cè)讀： ；4.試驗(yàn)過程中：一般維持 不變 也有維持軸向荷載不變,（五）試驗(yàn)要求1. 溫度：溫度對(duì)蠕變?cè)囼?yàn)的影響較大。主要有兩方面的影響，一是對(duì)量測(cè)儀表的影響，另

40、一則是對(duì)土本身性質(zhì)的影響；2. 對(duì)三軸蠕變?cè)囼?yàn)，滲漏是一個(gè)非常難以解決的問題：解決辦法：壓力室充油 (Tavenas et al. 1978) ；壓力室充水銀（Bishop and Lovenbury 1969) ；雙層橡皮膜；3. 對(duì)排水的蠕變，當(dāng)根據(jù)排水量測(cè)體積蠕變量時(shí)，其精度不令人滿意。就目前的量測(cè)技術(shù)，（對(duì)一般的粘性土）7～10天后所測(cè)的體變的可靠度就令人懷疑了。,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),（六）試驗(yàn)資料香港海相沉積土：淤泥

41、質(zhì)粉質(zhì)粘土,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),Relationship of (a) axial strain versus log(time) and (b) axial strain rate versus log(time) in a multi-stage undrained creep test of RHKMD in extension state,（六）試驗(yàn)資料香港海相沉積土：淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土-------排水剪的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，沒有

42、發(fā)生蠕變破壞。,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),Relationship of axial and volumetric strains versus time for RG1 test group in a single-stage drained creep test of RHKMD in compression state：,二、應(yīng)力松弛試驗(yàn),（一）特點(diǎn)：應(yīng)力松弛試驗(yàn)：在式樣施加一定外荷載，式樣產(chǎn)生瞬時(shí)變形后，維持變形不變，觀測(cè)應(yīng)力隨

43、時(shí)間而減少的試驗(yàn)。蠕變?cè)囼?yàn)：一般需幾天、甚至幾個(gè)月，而且不宜穩(wěn)定。應(yīng)力松弛試驗(yàn)：一般在較短時(shí)間內(nèi)即穩(wěn)定。蠕變和應(yīng)力松弛實(shí)際上是同一個(gè)過程（流變過程）的兩種不同的表現(xiàn)。,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),（二）試驗(yàn)儀器原則上，用于蠕變?cè)囼?yàn)的儀器均可進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)（但必須是儀器能控制變形）。常用：三軸儀、直剪儀、固結(jié)儀。,要求：要能夠控制變形不變；一般的應(yīng)變控制式三軸儀是不行的，因?yàn)檩S力的量測(cè)是通過鋼環(huán)，應(yīng)力松

44、弛的同時(shí)，鋼環(huán)也在變形?？捎靡话愕膽?yīng)變控制式三軸儀，但軸力用荷重傳感器量測(cè)。,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),（三）試驗(yàn)方法可以是固結(jié)類松弛、也可以是剪切類的松弛三軸固結(jié)不排水剪松弛試驗(yàn)：1.裝樣、固結(jié)2.施加偏應(yīng)力: s1- s3 （多為等應(yīng)變控制）3.停止增加偏應(yīng)力，控制軸向變形不變，觀測(cè)軸向附加應(yīng)力 s1- s3 、u。,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),（四）試驗(yàn)資料Lacerda and Houston 1973,for t

45、 > t0,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),（四）試驗(yàn)資料Zhu 2000,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),（四）試驗(yàn)資料Yoshikuni et al. 1994,Porewater pressure build-up during relaxation tests under one-dimensional conditions (after Yoshikuni et al. 1994),第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),（四）試驗(yàn)資料應(yīng)力松弛量

46、的大小與開始松弛時(shí)試樣的變形速率有關(guān)：(1) 開始松弛時(shí)試樣的變形速率越大，q?/q0越?。?2) q?/q0與開始松弛時(shí)的應(yīng)力水平有關(guān)；,前面介紹的兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式不能反映應(yīng)力松弛量的大小與開始松弛時(shí)試樣的變形速率相關(guān)的特性事實(shí)上，即使比較好的彈粘塑性模型也不能反映這一特性,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),（四）試驗(yàn)資料應(yīng)力松弛階段，對(duì)不排水試驗(yàn)，一般伴隨孔壓上升：(1) Under compression states the po

47、rewater 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 porewate

48、r pressure are much larger with the ratios of ?u/??0 ranging from 8% to 12.3%,第3節(jié) 土的流變?cè)囼?yàn),（四）試驗(yàn)資料應(yīng)力松弛應(yīng)該是很有前途的試驗(yàn)：(1) 試驗(yàn)時(shí)間短；(2) 不象蠕變?cè)囼?yàn)?zāi)菢?，發(fā)生加速蠕變破壞，在破壞階段，其應(yīng)力變形不穩(wěn)定，難以準(zhǔn)確量測(cè)和描述；而松弛試驗(yàn)最終是趨于穩(wěn)定；但目前還沒有合適的分析利用應(yīng)力松弛試驗(yàn)資料的方法,第3節(jié)土的流變?cè)?/p>

49、驗(yàn),(一)、概念,（相對(duì)）瞬時(shí)強(qiáng)度：對(duì)材料迅速加荷至破壞，所測(cè)得的強(qiáng)度稱為瞬時(shí)強(qiáng)度。對(duì)有蠕變特性的材料，如對(duì)試驗(yàn)施加小于相對(duì)瞬時(shí)強(qiáng)度的荷載，通過一定時(shí)間后試樣會(huì)破壞，這種強(qiáng)度稱為長(zhǎng)期強(qiáng)度。長(zhǎng)期強(qiáng)度隨荷載作用時(shí)間的增加而減小。,三、土的長(zhǎng)期強(qiáng)度,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),用于進(jìn)行剪切點(diǎn)蠕變?cè)囼?yàn)的儀器都可用來測(cè)定土的長(zhǎng)期強(qiáng)度。要求：最好能夠控制應(yīng)力不變，而不是荷載不變,(二)、試驗(yàn)儀器,三、土的長(zhǎng)期強(qiáng)度,（三）、試驗(yàn)方法,1. 分別加荷試

50、驗(yàn)：取一組樣作蠕變?cè)囼?yàn)，使其達(dá)到破壞，記錄達(dá)到破壞的歷時(shí)；（如圖20所示）,圖20 土的蠕變曲線（a） 長(zhǎng)期強(qiáng)度曲線（б）,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),（三）、試驗(yàn)方法,2.分級(jí)加載試驗(yàn)（1）若干級(jí)荷載對(duì)同一土樣逐級(jí)加載,每級(jí)荷載下至變形相對(duì)穩(wěn)定；24小時(shí)應(yīng)變<0.01%;（2）當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)定蠕變或加速蠕變,后面的2級(jí)荷載至少保持3天；圖21所示,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),圖21 （a）應(yīng)變發(fā)展曲線；（б）應(yīng)力（lnτ

51、）與應(yīng)變（γ）關(guān)系,問題：對(duì)τ≥τ∞；在畫lnτ～lnr曲線時(shí)，取何值時(shí)對(duì)應(yīng)的r，因時(shí)間不同，r不等。,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),3. 快速試驗(yàn)法給試驗(yàn)施加應(yīng)力б0，讓其蠕變和應(yīng)力松弛。這時(shí)，側(cè)力計(jì)要松馳，應(yīng)力下降，試樣變形；土樣是在變應(yīng)力下，作蠕變?cè)囼?yàn)，同時(shí)在非恒定變形下作松弛試驗(yàn)，且應(yīng)力和變形的變化互相有關(guān)。б0逐級(jí)提高，每一級(jí)保持到穩(wěn)定終結(jié)值бk 、εk同時(shí)記錄б～ε～t ； 繪制бk～εk確定 б∞（圖25）,第3節(jié)土的流變?cè)?/p>

52、驗(yàn),圖22 長(zhǎng)期強(qiáng)度和蠕變?cè)囼?yàn)的測(cè)力儀（a）儀器略圖（1－土樣；2－測(cè)微計(jì)；3－壓板；4－測(cè)力計(jì)；5－測(cè)微計(jì)；6－支架；7－加力裝置）；（б）一次加載；（B）梯級(jí)加載,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),粘土的單軸和三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)表明：試樣長(zhǎng)期破壞強(qiáng)度一般占相對(duì)瞬時(shí)強(qiáng)度90～45％；密實(shí)粘土的強(qiáng)度降低比塑性粘土的程度小。到目前為止，進(jìn)行的三軸蠕變?cè)囼?yàn)測(cè)定長(zhǎng)期強(qiáng)度多為不排水條件；研究普遍認(rèn)為，蠕變導(dǎo)致孔壓上升，必然導(dǎo)致強(qiáng)度降低；對(duì)排水條件

53、下，由于排水固結(jié)，減小了強(qiáng)度降低的效果，有的試驗(yàn)甚至表明時(shí)間增長(zhǎng)，強(qiáng)度提高。,（四）、試驗(yàn)資料,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),本人認(rèn)為：在排水條件下，對(duì)大部分土（不存在顆粒間結(jié)晶作用），可能有不同程度的降低（推測(cè)）；因?yàn)槿S試驗(yàn)表明：加荷速率快，試樣呈鼓形破壞；慢則出現(xiàn)剪切帶；表明長(zhǎng)時(shí)間下，土顆粒會(huì)定向排列。,（五）、典型實(shí)例,倫敦海相（海成）密實(shí)裂隙粘土；WL＝70～90％ WP＝24～32％ WL稍大于WP三軸：

54、c’＝12.5kPa ?’＝20?,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),對(duì)不同的邊坡，假定摩擦角不變，蠕變使粘聚力下降，反算各邊坡滑動(dòng)破壞時(shí)粘聚力見表 一。,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),邊坡一邊坡二邊坡三邊坡四,Ckemiitoh研究了滑動(dòng)的倫敦粘土邊坡，用反算法確定了破壞時(shí)刻作用在滑動(dòng)面上的有效法向應(yīng)力和切向應(yīng)力值。Iiiykjie又對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，假定所有例子的法向應(yīng)力值都相同，б=35kPa ，求出破壞時(shí)刻土的抗剪強(qiáng)

55、度值，列于表2，（表9.1圖9.10）,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),邊坡一邊坡二邊坡三,圖23 野外條件下抗剪強(qiáng)度的降低曲線,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),1.強(qiáng)度指標(biāo)如果考慮了土的強(qiáng)度隨時(shí)間降低，其摩爾－庫侖強(qiáng)度條件可表示為：C(t)、?(t)H 、相對(duì)瞬時(shí)的C0、?0 變到極限長(zhǎng)期的C? 和?? 相應(yīng)地抗剪強(qiáng)度：,（六）、土的長(zhǎng)期強(qiáng)度,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),試驗(yàn)表明：土的粘聚力隨時(shí)間變化十分明顯，而摩擦角的變化較小。某凍結(jié)亞粘土的試驗(yàn)：

56、 、,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),2.長(zhǎng)期強(qiáng)度方程（1）對(duì)數(shù)方程式中：A0、m、?為參數(shù)；t0為很小的數(shù)，如1秒； 可作常數(shù)；T為單位時(shí)間。,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),（2）冪次方程 式中：t0為很小的數(shù)，如1秒；T、?為參數(shù)。,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),（3）分?jǐn)?shù)－線性方程式中： ；

57、 稱為應(yīng)力水平。參數(shù)?由蠕變曲線確定；T－單位時(shí)間,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),等梯度固結(jié)試驗(yàn)（常應(yīng)變率固結(jié)試驗(yàn)，CRSN，Constant Rate of Strain)：在單向固結(jié)儀上進(jìn)行；不同剪切速率的三軸固結(jié)不排水剪試驗(yàn)：,四、應(yīng)變率效應(yīng),第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),應(yīng)變率效應(yīng)是指土體的應(yīng)力～應(yīng)變～強(qiáng)度特性隨應(yīng)變速率（或加荷速率）而變化。常見的兩種典型的應(yīng)變率效應(yīng)的試驗(yàn)：,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),試驗(yàn)方法：分別加荷；分級(jí)加荷目前三軸

58、試驗(yàn)中的問題：主要是孔壓的量測(cè)及孔壓在試樣中分布不均勻。（1）孔壓不均勻：普遍認(rèn)為，由于試樣端部約束作用，在剪切速率較快時(shí)，試樣內(nèi)孔壓分布不均。（2）孔壓的量測(cè)：有人曾將孔壓傳感器安插到試樣中部；,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),單向固結(jié)的 等梯度固結(jié)試驗(yàn),分別加荷 分級(jí)加荷,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),三軸壓縮與伸長(zhǎng)試驗(yàn),分別加荷 及 分級(jí)加荷,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),三軸壓縮試驗(yàn),分級(jí)

59、加荷,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),三軸伸長(zhǎng)試驗(yàn),分級(jí)加荷,第3節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),目前三軸試驗(yàn)中的問題：主要是孔壓的量測(cè)及孔壓在試樣中分布不均勻。（1）孔壓不均勻：普遍認(rèn)為，由于試樣端部約束作用，在剪切速率較快時(shí)，試樣內(nèi)孔壓分布不均。（2）孔壓的量測(cè)：有人曾將孔壓傳感器安插到試樣中部；,結(jié)論：（1）對(duì)CSRN試驗(yàn)，應(yīng)變速率每增加10倍，其前期固結(jié)應(yīng)力增加10～20％；（2）對(duì)三軸壓縮試驗(yàn)：剪切速率每增加10倍，其強(qiáng)度提高10～20％；,第3

60、節(jié)土的流變?cè)囼?yàn),第3節(jié)土的流變本構(gòu)模型,微觀方法 Micromechanical Approach速率過程理論 Rate Process Theory內(nèi)時(shí)理論 Endochronic Time Theory宏觀方法 Macromechanical Approach經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?根據(jù)試驗(yàn)資料或現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料而建立；粘彈性模型（元件模型）：利用虎克體、牛頓體和圣維南體而建立；彈粘塑性模型(粘彈粘塑性模型)：以經(jīng)典彈塑性理論為基礎(chǔ)建立

61、。,1、模型分類,2、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?特定的應(yīng)力路徑與應(yīng)力狀態(tài)；特定的土類；反映的只是流變的外部表現(xiàn)，難以對(duì)內(nèi)部特性與機(jī)理進(jìn)行反映，通用性差。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ统ｏ@含時(shí)間，這是違反了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本原理。Eringen (1962) “The explicit introduction of time in the constitutive relations violates the principle of objectivity in c

62、ontinuum mechanics”.,第3節(jié)土的流變本構(gòu)模型,2、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?第3節(jié)土的流變本構(gòu)模型,,,,,,,3、粘彈性模型（元件模型）,基本流變?cè)夯⒖梭w、牛頓體和圣維南體；以彈性理論為基礎(chǔ)，如采用非先線性元件，也能描述非線性流變；要較完整地反映土體流變性，需要較多的元件，對(duì)每個(gè)元件都需要彈性系數(shù)或粘滯系數(shù)，參數(shù)較多。參數(shù)大多沒有直接物理意義，難以確定；,第3節(jié)土的流變本構(gòu)模型,4、彈粘塑性模型（粘彈粘塑性模型）,以彈塑性

63、理論為基礎(chǔ)；能考慮非線性流變,一般都可考慮蠕變、應(yīng)力松弛、應(yīng)變率效應(yīng)、長(zhǎng)期強(qiáng)度等；參數(shù)多有一定物理意義，較易確定。,第3節(jié)土的流變本構(gòu)模型,Perzyna’s theory,第3節(jié)土的流變本構(gòu)模型,4、彈粘塑性模型,The total strain rate is composed of time-independent elastic strain rate and time dependent strain rate,The e

64、lastic strain rate is assumed to obey the generalised Hooke’s law, and is expressed as,Perzyna’s theory,第3節(jié)土的流變本構(gòu)模型,4、彈粘塑性模型,The visco-plastic strain rate can be determined by the following flow rule:,Where r is a posit

65、ive 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 p

66、otential. The function F is a static yield function,Perzyna’s theory,第3節(jié)土的流變本構(gòu)模型,4、彈粘塑性模型,The function F is a static yield function,where is Ks a work or strain hardening parameter. f is the so-called dynamic loadin

67、g function, and may be in the following form:,,,Perzyna’s theory,第3節(jié)土的流變本構(gòu)模型,4、彈粘塑性模型,Two popular forms for the visco-plastic flow function F(F) are (Katona 1984),where N is an empirical exponent; F0 is a normalising co

68、nstant to make flow function dimensionless.,,,Perzyna’s theory,第3節(jié)土的流變本構(gòu)模型,4、彈粘塑性模型,Viscous effects become pronounced only after the material undergoes yielding, and that viscous effects are not essential in the elastic