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1、土流变学,河海大学 岩土工程研究所 朱俊高,第1节 概述,流变是指材料的性质、状态随时间变化的性质；,1、流变的概念,从应力、变形的角度，或者说从力学的角度，土具有三个特性：,非线性：包括：应力和应变关系的非线性；变形随时间而变化的非线性；应力随时间而变化的非线性 弹性和塑性：经典弹塑性理论所描述的 流变性：时间效应。主要包括四种现象（主要表现）:蠕变、应力松弛、长期强度、应变率效应,第1节 概述,我们也正是通过这些现象来研究土体流变性,由于土体具有流变性而表现出的现象：,蠕变：指恒定应力下变形随时间发展的现象； 应力松弛：一定应力状态下，保持土体变形不变，应力随时间而减小的过程； 应变率（荷
2、载率）效应：不同的加荷速率，土体表现出不同的应力、应变关系和强度特性； 长期强度：土体抗剪强度随时间而减小，即长期的强度小于相对瞬时强度；,第1节 概述,图1 土体剪切蠕变曲线,图2 土体体积蠕变（次固结）曲线,第1节 概述,图4 某土的应力松弛曲线,图 3 （a）土的蠕变曲线和（b）长期强度曲线,第1节 概述,(a),(b),(c),Fig.4.1 (a) Relationship of axial strain versus normalised deviator stress, (b) relationship of axial strain versus normalised pore
3、water pressure, and (c) normalised effective stress paths for OCR=1 test series,第1节 概述,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。,
4、第1节 概述,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,第1节 概述,Fig.1.1 Tower of Pisa (Italy), (a) section of tower and geological structure of base 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
5、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,第1节 概述,流变学的基本任务：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。,第1节 概述,宏观流
6、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,第1节 概述,土体流变学研究内容具体为下面4个方面：,2、土流变学主要研究重点,（1
7、）流变试验研究： 通过试验，研究揭示土体流变规律。 （2）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、应变及时间之间的关系，既要使得本构方程能够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。,第1节 概述,（3）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，给人印象最深的是日本学者Sakurai；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，有限差分法等。 （4) 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。,第1节 概述,流变学作为一门独立的
8、学科始于20世纪20年代：1922年Bingham流动和塑性名著的出版，以及根据他的倡议，1928年流变协会的成立，标志着流变学称为一门独立的学科。 土流变学：一般认为始于1953年的第3届国际土力学与基础工程学会议；,3、流变学历史,第1节 概述,20世纪70年代以前，元件流变模型大量涌现；这类模型是由理想元件组合而成。如：陈宗基模型(1957)、Merchant模型(1940)、 Keedwell模型(1972)、 Folque模型(1961)、 Mexwell模型(19)、 Kelvin模型(19)、 Bingham模型(1940); 在这段时间内，试验研究也较多； 70年代以来，随着弹
9、塑性理论的发展，以Perzyna为代表的土体弹粘塑性模型（Elastic ViscoPlastic model）得到发展。Perzyna (1963), Adachi and Oka (1982), Dafalias (1982), Katona (1984), Baladi and Rohanni (1984), Liang and Ma (1992), Sekiguchi (1977), Nova (1982), Matsui and Abe (1985, 1986), Yin and Grahama (1999),3、流变学历史,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
10、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.粘滞流动变形不可逆。,第2节 粘滞性,一、粘滞性,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
11、体积粘度 关系：,第2节 粘滞性,二、土的粘度测定,第2节 粘滞性,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时间之间的非线性关系；,三、土的弹塑粘滞特性,第2节 土的蠕变,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,图7,第2节 土的蠕变,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
12、三阶段也很明显（大多数情况如此）。,第2节 土的蠕变,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,图8,第2节 土的蠕变,但也常遇到稳定蠕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。,试验表明，密实粘土蠕变
13、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，长期强度只占短期强度的4070%。,第2节 土的蠕变,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。,第2节 土的蠕变,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
14、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,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。,第2节 土的蠕变,第2节 土的蠕变,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。,第2节 土的蠕变,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。,第2节 土的蠕变,（苏）c.c.维亚络夫等对一种高
15、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均有。,三、蠕变过程中土的微结构变化,第2节 土的蠕变,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。,第2节 土的蠕变,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02
16、522， 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。,第2节 土的蠕变,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24.136.8,第2节 土的蠕变,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 。,蠕变方程,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，,（一）、幂函数关系,第2节 土的蠕变,Singh-Mitchell方程： 式中：A、 、m为参数， 为应力水平，to单位时间。,
