土流變學(xué)課件

1、土流變學(xué),第1節(jié) 概述,非線性：包括：應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的非線性；變形隨時間而變化的非線性；應(yīng)力隨時間而變化的非線性 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、長期強度、應(yīng)變率效應(yīng),流變是指材料的性質(zhì)、狀態(tài)隨時間變化的性質(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，土具有三個特性：,第1節(jié) 概述,我們也正是通過這些現(xiàn)象來研究土體流變性,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

2、現(xiàn)出不同的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系和強度特性； 長期強度：土體抗剪強度隨時間而減小，即長期的強度小于相對瞬時強度；,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 （a）土的蠕變曲線和（b）長期強度曲線,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, a

3、nd (c) normalised effective stress 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)隨時間而變化； 蠕變是指材料的變形隨時間而增加； 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、橋臺因蠕動而變形，碼頭、建筑物基礎(chǔ)、比薩斜塔、Londan粘土是一種典型的流變性較強的土。 一般認(rèn)為：軟粘土流變性強，砂性土的流變性弱。,第1節(jié) 概述,圖4 瑞士土的蠕變引

4、起橋臺位移（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) variation of settlement S (cm) and mass M (tons) of the tower with time; (c) ring foundation; (d) pressure diagrams at foundation base; (e) pressur

5、e diagram at depth of 8 m. (after Meschyan 1995),始建于1350年，高55m，基底壓力497kPa，建成時就傾斜了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、時間的三維空間內(nèi)，任一點的應(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)象的物理實質(zhì)。,第1節(jié) 概述,宏觀流變學(xué)：研究實際物體的流變過程的外部

6、表現(xiàn)，即那些能借助于一般量測設(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，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)觀點的基礎(chǔ)上的。這種觀點不考慮物體中產(chǎn)生的物理過程，而在宏觀實驗的基礎(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)用于兩個方面： 1.剪切蠕變：包括長期強度；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)研究內(nèi)容具體為下面4個方面：,2、土流變學(xué)主要研究重點,（1）流變試驗研究： 通過試驗，研究揭

7、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)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期沉降，邊坡和護岸工程的變形，坑道和隧道的變形等等。,第1節(jié) 概述,流變學(xué)作為一門獨立的學(xué)科始于20世紀(jì)20年代：1922

8、年Bingham流動和塑性名著的出版，以及根據(jù)他的倡議，1928年流變協(xié)會的成立，標(biāo)志著流變學(xué)稱為一門獨立的學(xué)科。 土流變學(xué)：一般認(rèn)為始于1953年的第3屆國際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)會議；,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模型(1940); 在這段時間內(nèi)，試驗研究也較多； 70年代以來，隨著彈塑性理論的發(fā)展，以Perzyna為

9、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), Sekiguchi (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表現(xiàn)出的抵抗位移的特性。 牛頓液體： 土的粘度：各種

10、不同介質(zhì)的粘度值變化范圍很大。 空氣：1.810-4泊 水：10-2泊 各種油：0.510泊 地殼：51022泊 土：1061017泊 冰：10101015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.粘滯流動變形不可逆。,第2節(jié) 粘滯性,一、粘滯性,土的粘度的測定方法：可用于進行蠕變試驗的儀器都可用來測定土的粘度； 土的應(yīng)力和流動速度之間的關(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、時間有關(guān)。粘度的變化成千倍的量級，過程開始時，粘度1091010泊；結(jié)束時達10131014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,

11、二、土的粘度測定,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)在變形隨時間而發(fā)展。 非線性表現(xiàn)在應(yīng)力變形時間之間的非線性關(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：rr0+r(t) 假定B：rr(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試驗結(jié)果均表明：粘土的蠕變有衰減和非衰減特征之分。 對非衰減型蠕變，其蠕變的三階段也很明顯（大多數(shù)情況如此）。

12、,第2節(jié) 土的蠕變,對應(yīng)于各種的rt曲線稱作蠕變曲線。 或 對應(yīng)于各種t的曲線稱作等時曲線 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)時間很長，而不出現(xiàn)加速蠕變階段。因此，有人對加速蠕變是否存在表示懷疑，而認(rèn)為試驗中所表現(xiàn)出的加速蠕變是有試驗條件所引起，如試樣工作截面的減少，應(yīng)力集中等。 有人則認(rèn)為加速蠕變是確實存在的，是由本身的特性決定的，而非試驗條件所致。 （蘇）維亞洛夫認(rèn)為：土在蠕變過程中同時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，蠕變表現(xiàn)出衰減或加速。,試驗表明，密實粘土蠕變顯脆性破壞，破壞前沒有明顯的穩(wěn)定蠕

13、變階段。 研究表明：顆粒之間的結(jié)構(gòu)連接對土體蠕變性狀有較大影響。 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，長期強度只占短期強度的4070%。,第2節(jié) 土的蠕變,在有混合的、凝聚的和結(jié)晶連接的密實粘土中，衰減變形階段占優(yōu)勢，長期強度占短期強度的7080%，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度。 試驗表明（如右圖）： 風(fēng)干粘土粉末和潤濕后 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

14、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,類似的三軸試驗也證明了這一點。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（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試驗。,第2節(jié) 土的蠕變,壓縮和拉伸都可用同樣的方程描述： 本人曾進行三軸壓縮和伸長條件下的蠕變試驗。,第2節(jié) 土的蠕變,（蘇）c.c.維亞絡(luò)夫等對一種高嶺土進行了蠕變試驗，并用顯微鏡觀察

15、研究了不同變形階段土樣微結(jié)構(gòu)的變化。 土樣：高嶺土 3840 L58 p38 蠕變試驗：采用空心圓柱土樣在扭轉(zhuǎn)的純剪條件下進行，采用各種恒定的剪切荷載，從產(chǎn)生瞬時破壞到僅導(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個指標(biāo)定量描述微結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)破損程度和定向度。,第2節(jié) 土的蠕變,研究結(jié)果： 原始結(jié)構(gòu)：6070定向顆粒組成的團粒； 3040無定向顆粒 破損程度02225 衰減蠕變：試驗開始2天后，破損度從02522， 6天之后，降為20。 定

16、向度無明顯變化 結(jié)構(gòu)缺損的減少主要在變形劇烈增長的初期。,第2節(jié) 土的蠕變,非衰減蠕變：結(jié)構(gòu)特征急劇改變，破損度和/或定向度變化大 迅速破壞情況：結(jié)構(gòu)無重新定向 t0.03小時內(nèi)破壞，從24.136.8,第2節(jié) 土的蠕變,變形過程較長：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； 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) 破壞； 加速蠕變階段：顆粒定向明顯，微裂隙強 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)力下隨時間發(fā)展的剪切變形方程蠕變方程。 如不考慮瞬時變形 式中：m0.21， ，T單位時間，,（一）、冪函數(shù)關(guān)系,第2節(jié) 土

17、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：簡單、實用，適用性強，從軟土到硬土、甚至巖石。,第2節(jié) 土的蠕變,若不考慮瞬時變形：,二、對數(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),土的塑粘性流動規(guī)律可用下式表示： 式中： 塑性粘滯系數(shù)， 極限長期強度, 單位應(yīng)力，m1 試驗表明：法向應(yīng)力

18、對剪切流動速度 影響很大， 大， 小。,流動方程,第2節(jié) 土的蠕變,或,土體在蠕變流動過程中，蠕變速率隨時間變化，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,實際上流動方程應(yīng)表示為：,或,我們前面介紹的蠕變方程和流動方程實際上就是考慮了時間效應(yīng)的土體本構(gòu)方程，但這些都是根據(jù)試驗總結(jié)出來的，是經(jīng)驗方程。,第2節(jié) 土的蠕變,流動方程,或,蠕變方程,因此，考慮了時間效應(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

19、 in the constitutive relations violates the principle of objectivity in continuum mechanics. 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，對應(yīng)于破壞時刻的變形值依賴于破壞歷時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.土的變形速率與達到破壞

20、的時間的乘積守恒。 研究表面：破壞時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0.921.08，可取為1.0， 則：,圖10 變形速率與破壞前荷載歷時的關(guān)系 1一些研究者的實驗室試驗資料 2野外觀測和大比例測試資料,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：C0.023；NHH認(rèn)為：C0.017。 3.破壞歷時預(yù)報 （1）方法1 根據(jù)： ；可以用穩(wěn)定蠕變階段的變形速率 代替 ，而達到破壞的歷時則從這個階段開始時刻的tT算起到破壞時刻為止；如果穩(wěn)定流動階段不明顯，可以從相應(yīng)于最小變形速率時刻t0算起到破壞時刻為止。

21、即：,第2節(jié) 土的蠕變,（2）方法2 在蠕變曲線上找三點，使相鄰兩點間變形差相等，即對應(yīng)t1、t2、t3時刻的r1、r2、r3，使得r2r1r3r2， 則： （維亞洛夫） 4.變形功守恒 還有一種觀點認(rèn)為，長期破壞時，變形功守恒，如變形功率為常數(shù)，則：,隨時間變化： 這里：,第2節(jié) 土的蠕變,第3節(jié) 土的流變試驗,（一）特點 蠕變試驗：在維持荷載不變的情況下，觀測試驗變形發(fā)生、發(fā)展的試驗。,一、蠕變試驗,在天然條件下，土的蠕變過程為幾十年或幾百年。但在實驗室條件下，我們進行的試驗只能是幾個小時或幾天，少數(shù)試驗進行幾個月，極少數(shù)進行數(shù)年。 因此，我們不得不將短時間的試驗數(shù)據(jù)外推到長時間的范圍中去

22、。,第3節(jié) 土的流變試驗,按照蠕變試驗資料評價土的流變特性的關(guān)鍵在于蠕變方程的選擇和方程參數(shù)的的確定；因此，將試驗資料依據(jù)蠕變方程外推時應(yīng)謹(jǐn)慎。,一、蠕變試驗,第5節(jié) 土的流變試驗,（二）荷載 進行蠕變試驗時，有兩種加荷方式： 1.分別加荷：對試樣一次性加到某個蠕變荷載；然后維持恒定。優(yōu)點：沒有前期應(yīng)力歷史的影響；缺點：需一組同樣的試樣，難以避免結(jié)果離散性。 2.分級加荷：對一個試驗進行多級加荷。優(yōu)點：只需一個試驗，缺點：上一級荷載對下一級荷載變形有影響。,第3節(jié) 土的流變試驗,1.分別加荷：,Changes of axial strain with time; for the three u

23、ndrained triaxial creep tests on RHKMD.,第3節(jié) 土的流變試驗,2.分級加荷：,Fig.5.3 Relationship of (a) axial strain versus log(time) in a multi-stage undrained creep test of RHKMD in compression state,（三）試驗儀器 固結(jié)儀：單向固結(jié)試驗 三軸儀：三軸壓縮：CU、CD （一次 、 分級加荷） 三軸伸長：CU、CD （一次、分級加荷）,第3節(jié) 土的流變試驗,第3節(jié) 土的流變試驗,扭剪儀： 直剪儀： 環(huán)剪儀：,圖15 直剪儀 1-固

24、定的下半剪切盒；2-可動的上半盒；3-上沖塞；4-土樣；5-下沖塞,圖16 雙剪儀,第3節(jié) 土的流變試驗,圖17 測試環(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)部保護環(huán)；5-外部保護環(huán)；6-地步透水環(huán)形片,圖18 柱剪儀,第3節(jié) 土的流變試驗,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) 土的流變試驗,圖19 固結(jié)儀,第3節(jié) 土的流變試驗,圖19 三軸儀,第3節(jié)

25、土的流變試驗,圖19 三軸儀,第3節(jié) 土的流變試驗,圖19 單剪儀,第3節(jié) 土的流變試驗,（四）試驗方法 對排水剪的蠕變試驗，即使是分別加荷，也有一次瞬時加荷和分級加荷之分。 三軸固結(jié)不排水剪蠕變試驗： 1裝樣、固結(jié)； 2施加偏應(yīng)力： ； 3測讀： ； 4.試驗過程中：一般維持 不變 也有維持軸向荷載不變,（五）試驗要求 1. 溫度：溫度對蠕變試驗的影響較大。主要有兩方面的影響，一是對量測儀表的影響，另一則是對土本身性質(zhì)的影響； 2. 對三軸蠕變試驗，滲漏是一個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 Loven

26、bury 1969) ；雙層橡皮膜； 3. 對排水的蠕變，當(dāng)根據(jù)排水量測體積蠕變量時，其精度不令人滿意。就目前的量測技術(shù)，（對一般的粘性土）710天后所測的體變的可靠度就令人懷疑了。,第3節(jié) 土的流變試驗,（六）試驗資料 香港海相沉積土：淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,第3節(jié) 土的流變試驗,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）

27、試驗資料 香港海相沉積土：淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土-排水剪的三軸蠕變試驗，沒有發(fā)生蠕變破壞。,第3節(jié) 土的流變試驗,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,（一）特點： 應(yīng)力松弛試驗：在式樣施加一定外荷載，式樣產(chǎn)生瞬時變形后，維持變形不變，觀測應(yīng)力隨時間而減少的試驗。 蠕變試驗：一般需幾天、甚至幾個月，而且不宜穩(wěn)定。 應(yīng)力松弛試驗：一般在較短

28、時間內(nèi)即穩(wěn)定。 蠕變和應(yīng)力松弛實際上是同一個過程（流變過程）的兩種不同的表現(xiàn)。,第3節(jié) 土的流變試驗,第3節(jié) 土的流變試驗,（二）試驗儀器 原則上，用于蠕變試驗的儀器均可進行應(yīng)力松弛試驗（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，因為軸力的量測是通過鋼環(huán)，應(yīng)力松弛的同時，鋼環(huán)也在變形。 可用一般的應(yīng)變控制式三軸儀，但軸力用荷重傳感器量測。,第3節(jié) 土的流變試驗,（三）試驗方法 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： 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

29、增加偏應(yīng)力，控制軸向變形不變，觀測軸向附加應(yīng)力 s1- s3 、u。,第3節(jié) 土的流變試驗,（四）試驗資料 Lacerda and Houston 1973,for t t0,第3節(jié) 土的流變試驗,（四）試驗資料 Zhu 2000,第3節(jié) 土的流變試驗,（四）試驗資料 Yoshikuni et al. 1994,Porewater pressure build-up during relaxation tests under one-dimensional conditions (after Yoshikuni et al. 1994),第3節(jié) 土的流變試驗,（四）試驗資料 應(yīng)力松弛量的大小與

30、開始松弛時試樣的變形速率有關(guān)： (1) 開始松弛時試樣的變形速率越大，q/q0越小； (2) q/q0與開始松弛時的應(yīng)力水平有關(guān)；,前面介紹的兩個經(jīng)驗公式不能反映應(yīng)力松弛量的大小與開始松弛時試樣的變形速率相關(guān)的特性 事實上，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) 土的流變試驗,（四）試驗資料 應(yīng)力松弛階段，對不排水試驗，一般伴隨孔壓上升： (1) Under compression states the porewater pressure developed in the process of relaxation is small, and the ratios of u/0

31、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 from 8% to 12.3%,第3節(jié) 土的流變試驗,（四）試驗資料 應(yīng)力松弛應(yīng)該是很有前途的試驗： (1) 試驗時間短； (2) 不象蠕變試驗?zāi)菢樱l(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)確量測和描述；而松弛

32、試驗最終是趨于穩(wěn)定； 但目前還沒有合適的分析利用應(yīng)力松弛試驗資料的方法,第3節(jié)土的流變試驗,(一)、概念,（相對）瞬時強度：對材料迅速加荷至破壞，所測得的強度稱為瞬時強度。 對有蠕變特性的材料，如對試驗施加小于相對瞬時強度的荷載，通過一定時間后試樣會破壞，這種強度稱為長期強度。 長期強度隨荷載作用時間的增加而減小。,三、土的長期強度,第3節(jié)土的流變試驗,用于進行剪切點蠕變試驗的儀器都可用來測定土的長期強度。 要求：最好能夠控制應(yīng)力不變，而不是荷載不變,(二)、試驗儀器,三、土的長期強度,（三）、試驗方法,1. 分別加荷試驗：取一組樣作蠕變試驗，使其達到破壞，記錄達到破壞的歷時；（如圖20所示）

33、,圖20 土的蠕變曲線（a） 長期強度曲線（）,第3節(jié)土的流變試驗,（三）、試驗方法,2.分級加載試驗 （1）若干級荷載對同一土樣逐級加載,每級荷載下至變形相對穩(wěn)定；24小時應(yīng)變0.01%; （2）當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)定蠕變或加速蠕變,后面的2級荷載至少保持3天；圖21所示,第3節(jié)土的流變試驗,圖21 （a）應(yīng)變發(fā)展曲線； （）應(yīng)力（ln）與應(yīng)變（）關(guān)系,問題：對；在畫lnlnr曲線時，取何值時對應(yīng)的r，因時間不同，r不等。,第3節(jié)土的流變試驗,3. 快速試驗法 給試驗施加應(yīng)力0，讓其蠕變和應(yīng)力松弛。這時，側(cè)力計要松馳，應(yīng)力下降，試樣變形；土樣是在變應(yīng)力下，作蠕變試驗，同時在非恒定變形下作松弛試驗，且應(yīng)力

34、和變形的變化互相有關(guān)。 0逐級提高，每一級保持到穩(wěn)定終結(jié)值k 、k同時記錄t ； 繪制kk 確定 （圖25）,第3節(jié)土的流變試驗,圖22 長期強度和蠕變試驗的測力儀 （a）儀器略圖（1土樣；2測微計；3壓板；4測力計； 5測微計；6支架；7加力裝置）；（）一次加載；（B）梯級加載,第3節(jié)土的流變試驗,粘土的單軸和三軸壓縮蠕變試驗表明：試樣長期破壞強度一般占相對瞬時強度9045； 密實粘土的強度降低比塑性粘土的程度小。 到目前為止，進行的三軸蠕變試驗測定長期強度多為不排水條件；研究普遍認(rèn)為，蠕變導(dǎo)致孔壓上升，必然導(dǎo)致強度降低； 對排水條件下，由于排水固結(jié)，減小了強度降低的效果，有的試驗甚至表明時

35、間增長，強度提高。,（四）、試驗資料,第3節(jié)土的流變試驗,本人認(rèn)為：在排水條件下，對大部分土（不存在顆粒間結(jié)晶作用），可能有不同程度的降低（推測）；因為三軸試驗表明：加荷速率快，試樣呈鼓形破壞；慢則出現(xiàn)剪切帶；表明長時間下，土顆粒會定向排列。,（五）、典型實例,倫敦海相（海成）密實裂隙粘土； WL7090 WP2432 WL稍大于WP 三軸：c12.5kPa 20,第3節(jié)土的流變試驗,對不同的邊坡，假定摩擦角不變，蠕變使粘聚力下降，反算各邊坡滑動破壞時粘聚力見表 一。,第3節(jié)土的流變試驗,邊坡一 邊坡二 邊坡三 邊坡四,Ckemiitoh研究了滑動的倫敦粘土邊坡，用反算法確定了破壞時刻作用在滑

36、動面上的有效法向應(yīng)力和切向應(yīng)力值。 Iiiykjie又對這些數(shù)據(jù)進行了分析，假定所有例子的法向應(yīng)力值都相同，=35kPa ，求出破壞時刻土的抗剪強度值，列于表2，（表9.1圖9.10）,第3節(jié)土的流變試驗,邊坡一 邊坡二 邊坡三,圖23 野外條件下抗剪強度的降低曲線,第3節(jié)土的流變試驗,1.強度指標(biāo) 如果考慮了土的強度隨時間降低，其摩爾庫侖強度條件可表示為： C(t)、(t)H 、相對瞬時的C0、0 變到極限長期的C 和 相應(yīng)地抗剪強度：,（六）、土的長期強度,第3節(jié)土的流變試驗,試驗表明：土的粘聚力隨時間變化十分明顯，而摩擦角的變化較小。 某凍結(jié)亞粘土的試驗： 、,第3節(jié)土的流變試驗,2.長

37、期強度方程 （1）對數(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為單位時間。,第3節(jié)土的流變試驗,（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)土的流變試驗,（3）分?jǐn)?shù)線性方程 式中： ； 稱為應(yīng)力水平。 參數(shù)由蠕變曲線確定；T單位時間,第3節(jié)土的流變試驗,等梯度固結(jié)試驗（常應(yīng)變率固結(jié)試驗，CRSN，Constant Rate of Strain)：在單向固結(jié)儀上進行； 不同剪切速率的三軸固結(jié)不排水剪試驗：,四、應(yīng)變率效應(yīng),第3節(jié)土的流變試驗,應(yīng)變率效應(yīng)是指土體的應(yīng)力應(yīng)變強度特性隨應(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：,

38、第3節(jié)土的流變試驗,試驗方法：分別加荷；分級加荷 目前三軸試驗中的問題：主要是孔壓的量測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，試樣內(nèi)孔壓分布不均。 （2）孔壓的量測：有人曾將孔壓傳感器安插到試樣中部；,第3節(jié)土的流變試驗,單向固結(jié)的 等梯度固結(jié)試驗,分別加荷 分級加荷,第3節(jié)土的流變試驗,三軸壓縮與伸長試驗,分別加荷 及 分級加荷,第3節(jié)土的流變試驗,三軸壓縮試驗,分級加荷,第3節(jié)土的流變試驗,三軸伸長試驗,分級加荷,第3節(jié)土的流變試驗,目前三軸試驗中的問題：主要是孔壓的量測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

39、樣端部約束作用，在剪切速率較快時，試樣內(nèi)孔壓分布不均。 （2）孔壓的量測：有人曾將孔壓傳感器安插到試樣中部；,結(jié)論： （1）對CSRN試驗，應(yīng)變速率每增加10倍，其前期固結(jié)應(yīng)力增加1020； （2）對三軸壓縮試驗：剪切速率每增加10倍，其強度提高1020；,第3節(jié)土的流變試驗,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)時理論 Endochronic Time Theory 宏觀方法 Macromechanical Approach 經(jīng)驗?zāi)Ｐ?根據(jù)試驗資料或現(xiàn)場觀測資料而建立； 粘彈性模型（元件模型

40、）：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。,1、模型分類,2、經(jīng)驗?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)，難以對內(nèi)部特性與機理進行反映，通用性差。 經(jīng)驗?zāi)Ｐ统ｏ@含時間，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 continuum mechanics”.,第3節(jié)土的流變本構(gòu)

41、模型,2、經(jīng)驗?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）,基本流變元：虎克體、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，對每個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)、長期強度等； 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,Perzynas 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 strai