【正文】 cture of base of its foundation。 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粘土是一種典型的流變性較強(qiáng)的土。巖土工程研究所 土流變學(xué) 河海大學(xué) 巖土工程研究所 巖土工程研究所 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)； 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) 巖土工程研究所 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(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； 巖土工程研究所 第 1節(jié) 概述 r r 0 t I I I I I I 圖 1 土體剪切蠕變曲線 1 . 11 . 1 21 . 1 41 . 1 61 . 1 81 . 21 . 2 21 . 2 41 . 2 61 . 2 80 . 1 1 10 100 1000 10000 1 0 0 0 0 0T i m e ( m i n )Void ratioI s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o n t e s t :p r e s s u r e = 1 0 0 k P aF i t t e d l i n e f o rs e c o n d a r yc o n s o l i d a t i o nCae= 0 . 0 1 0 6圖 2 土體體積蠕變（次固結(jié)）曲線 巖土工程研究所 第 1節(jié) 概述 0 . 40 . 60 . 810 500 1000 1500T i m e ( m i n )q/q0CUC1 CUC5 CUC8C U E 9 C U E 5 C U E 6C U C 1 f i t C U C 5 f i t C U C 8 f i tC U E 9 f i t C U E 5 f i t C U E 6 f i t圖 4 某土的應(yīng)力松弛曲線 圖 3 （ a） 土的蠕變曲線和（ b） 長(zhǎng)期強(qiáng)度曲線 巖土工程研究所 第 1節(jié) 概述 (a) (b) (c) (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 巖土工程研究所 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 。 一般認(rèn)為：軟粘土流變性強(qiáng)，砂性土的流變性弱。 (b) variation of settlement S (cm) and mass M (tons) of the tower with time。 (d) pressure diagrams at foundation base。 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) 。 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 。 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 。 研究微觀過程 。 （ 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。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。 （ 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。 ? 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； 流變學(xué)歷史 巖土工程研究所 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。 ? 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。 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 。 第 2節(jié) 粘滯性 一、粘滯性 ；粘滯流動(dòng)不可逆厘米秒泊＝達(dá)因 2/???常數(shù)?r? ??? ????? ??巖土工程研究所 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) 。 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 mvp ?? ??vv???????3v??? v???? ??巖土工程研究所 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) 。 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 巖土工程研究所 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 r r 0 t I I I I I I 圖 7 巖土工程研究所 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減特征之分 。 巖土工程研究所 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 。 因此 ， 有人對(duì)加速蠕變是否存在表示懷疑 ， 而認(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 。 （ 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 。 當(dāng)其一方占優(yōu)時(shí) ， 蠕變表現(xiàn)出衰減或加速 。 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影響 。 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 。 該水膜有明顯的粘滯特性 ，使土體表現(xiàn)出蠕變特性 。 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 。 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 。（ 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?cè)囼?yàn) 。 ? ? mz 121 ??? ?????巖土工程研究所 第 2節(jié) 土的蠕變 （ 蘇 ） ， 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 。 三、蠕變過程中土的微結(jié)構(gòu)變化 巖土工程研究所 第 2節(jié) 土的蠕變 %1 0 0SS d??%1 0 00SS??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 。 巖土工程研究所 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； 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％ 。 巖土工程研究所 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： 結(jié)構(gòu)無重新定向 t＝ ， ω從 → ％ 巖土工程研究所 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) 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 。 如不考慮瞬時(shí)變形 式中： m＝ ～ 1， ， T－ 單位時(shí)間 ， ??????????????????? 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