土流變學(xué)(朱俊高).ppt

土壤流變性，河海大學(xué)巖土工程研究所朱俊高，第1節(jié)概述，流變性是指材料的特性，狀態(tài)隨時(shí)間變化；1，從流變性的概念、應(yīng)力、應(yīng)變角度或力學(xué)的角度來(lái)看，土壤包含三個(gè)特性：非線(xiàn)性：應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的非線(xiàn)性。隨時(shí)間變化的非線(xiàn)性；應(yīng)力隨時(shí)間的非線(xiàn)性彈性和塑性：用經(jīng)典彈塑性理論描述的流變性：時(shí)間效應(yīng)。主要有四種現(xiàn)象(主要表現(xiàn)為):蠕變、應(yīng)力松弛、長(zhǎng)期強(qiáng)度、應(yīng)變效果、第1節(jié)通過(guò)這些現(xiàn)象研究土壤的流變性，以及土壤流變性引起的現(xiàn)象“蠕變：恒定應(yīng)力下變形隨時(shí)間發(fā)生的現(xiàn)象”。應(yīng)力松弛：在特定應(yīng)力狀態(tài)下保持土壤變形不變并隨時(shí)間減少應(yīng)力的過(guò)程；應(yīng)變(負(fù)載速度)效果：負(fù)載速度不同時(shí)，土壤表示不同的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度性質(zhì)。長(zhǎng)期強(qiáng)度：土壤剪切強(qiáng)度隨時(shí)間減少。也就是說(shuō)，長(zhǎng)期強(qiáng)度小于相對(duì)瞬時(shí)強(qiáng)度。第1節(jié)概述，圖1土壤剪切蠕變曲線(xiàn)，圖2土壤體積蠕變(二次固結(jié))曲線(xiàn)，第1節(jié)概述，圖4土壤的應(yīng)力松弛曲線(xiàn)，圖3(a)土壤的蠕變曲線(xiàn)和(b)長(zhǎng)期強(qiáng)度曲線(xiàn)，第1節(jié)概述，(a)，以及蠕變是指材料隨時(shí)間的變化而增加。流變性包括蠕變，流變化一般，范圍更廣。流變-流變-蠕變-蠕變土的流變性引起了很多工程問(wèn)題，許多工程因土流變性而墜落。也就是說(shuō)，粘土地基上擋土墻的位移、邊坡穩(wěn)定性、橋臺(tái)共同變形的情況下，碼頭、建筑物地基、比薩斜塔、龍灘黏土是典型的流變性強(qiáng)土。一般認(rèn)為軟粘土流變性強(qiáng)，沙土流變性弱。第1節(jié)概述，圖4瑞士土壤蠕變引起的橋臺(tái)位移(虛線(xiàn)表示)，圖5？-嗯？區(qū)域蠕變引起的工廠(chǎng)擋土墻位移，第1節(jié)概述，fig.1.1 towerofpisa (Italy)，(a)sectionoftowerandgeologicalstructureofbaseoffsfoundation；(b)variation offsettlement(cm)andm assm(tons)ofthetowerwithout；(c)環(huán)形地基；(d)pressureediagramsatfoundationbase；(e) pressurediagramatdephof 8m。(aftermeschyan 1995)，1350年，高55m，基礎(chǔ)壓力497kPa開(kāi)始，2.1m，1995年，沉降1.5m，傾斜5.58m，沉降速度2mm/年，第一節(jié)概述，流變性的基本流變性：研究宏觀過(guò)程，也研究微觀過(guò)程，即重視研究現(xiàn)象的物理實(shí)體。第一節(jié)概述，宏觀流變性：研究實(shí)際物體流變性過(guò)程的外部表現(xiàn)，即用一般測(cè)量設(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)果特性，而是將物體連續(xù)均勻地看。外力作用下物體的表現(xiàn)和物體特性之間的關(guān)系是基于現(xiàn)象學(xué)的觀點(diǎn)。這種觀點(diǎn)不考慮物體產(chǎn)生的物理過(guò)程，而是在宏觀實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確立在這些過(guò)程之外表達(dá)的數(shù)學(xué)說(shuō)明。微觀流變學(xué)：關(guān)于物體的組成和結(jié)構(gòu)特性，以及物體單位粒子之間相互關(guān)系等的研究。研究微觀過(guò)程。土壤流變特性研究應(yīng)用于兩個(gè)方面。1.剪切蠕變：包括長(zhǎng)期強(qiáng)度；邊坡，擋土墻位移，穩(wěn)定性2。體積蠕變：建筑物沉降、第1節(jié)概述、土壤流變性研究?jī)?nèi)容包括以下四個(gè)方面，具體，2、土壤流變性主要研究重點(diǎn)，(1)流變?cè)囼?yàn)研究：通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明土壤流變性規(guī)律。(2)流變本構(gòu)模型的建立：探討用什么本構(gòu)方程來(lái)說(shuō)明土壤的應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間之間的關(guān)系，需要本構(gòu)方程準(zhǔn)確地反映土壤的流變特性，考慮實(shí)際工程應(yīng)用的可行性。第1節(jié)概述，(3)構(gòu)造方程的解析：包括方程的解析解和數(shù)值解。海法中給人印象最深的是日本學(xué)者櫻；數(shù)值解法主要是有限元法。還有邊界元法、無(wú)限元法和它們的結(jié)合、有限差分法等。(4)選擇工程問(wèn)題的適用適當(dāng)?shù)呐渲媚Ｐ秃头治龇椒ǎ鉀Q項(xiàng)目中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，如建筑物的變形和長(zhǎng)期沉降、邊坡和護(hù)岸項(xiàng)目的變形、隧道和隧道的變形等。第一節(jié)說(shuō)明地殼變動(dòng)以獨(dú)立學(xué)開(kāi)始于20年代：根據(jù)1922年賓漢姆流動(dòng)和塑性名名作出版和他的構(gòu)想，1928年變光協(xié)會(huì)的創(chuàng)立標(biāo)志著流羅吉被稱(chēng)為獨(dú)立學(xué)。土壤流變學(xué)：一般認(rèn)為始于1953年的第三屆國(guó)際土壤力學(xué)和基礎(chǔ)工程會(huì)議；3，流變性歷史，第一節(jié)概述，20世紀(jì)70年代以前出現(xiàn)了很多部件流變性模型；這些模型由理想元件的組合構(gòu)成。例如，Chen zongji型號(hào)(1957)、Merchant型號(hào)(1940)、Keedwell型號(hào)(1972)、Folque型號(hào)(1961)和Mexwell型號(hào)(19)在此期間，實(shí)驗(yàn)研究也很多。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著彈塑性理論的發(fā)展，開(kāi)發(fā)了以Perzyna為代表的土壤彈性粘彈性模型(ElasticViscoPlasticmodel)。Perzyna (1963)、adachiandoka(1982)、dafalias (1982)、kaona (1984)和balandrohanni (1984)牛頓液體：土壤的粘度：各種介質(zhì)的粘度值變化范圍很大?？諝猓?.810-4系泊數(shù)：10-2系泊各種油：0.5-10系泊地殼：51022系泊地球：106-1017系泊冰：1010-1015系泊以上粘性液體(牛頓液體):Bc .粘性流動(dòng)變形是不可逆轉(zhuǎn)的。第二節(jié)粘度，第一，粘度，土壤粘度測(cè)量方法：可用于蠕變?cè)囼?yàn)的設(shè)備可用于測(cè)量土壤粘度；土壤的應(yīng)力和流動(dòng)速度之間的關(guān)系是非線(xiàn)性的。因此，黏度不是常數(shù)，而是與負(fù)載的大小、時(shí)間有關(guān)。粘度的變化是數(shù)千倍，工藝的開(kāi)始，粘度109 1010系泊；終場(chǎng)1013 1014錨地。體積粘度：壓縮粘度、剪切粘度和體積粘度關(guān)系：雙節(jié)粘度，2，土壤粘度測(cè)量，雙節(jié)粘性，土壤是機(jī)械性能非常復(fù)雜的材料，必須被視為非線(xiàn)性彈塑性，粘性介質(zhì)。彈性：表示土壤中有可恢復(fù)的變形。塑料：在不可逆變形的發(fā)展中；粘度：表明變形隨時(shí)間發(fā)展。應(yīng)力變形時(shí)間之間的非線(xiàn)性；III、土壤的彈塑性粘度特性、第2節(jié)土壤的蠕變、衰減蠕變過(guò)程和未衰減蠕變過(guò)程假設(shè)b:r=r0r(t)假設(shè)b: r=r (t) I:初始蠕變階段Ii:穩(wěn)定蠕變階段IIi對(duì)于未衰減的徐變，其徐變的三個(gè)階段也很明確(大多數(shù)情況下)。與各種r-t曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的第2節(jié)土壤的蠕變稱(chēng)為蠕變曲線(xiàn)?；蛘?，與各種t相對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)稱(chēng)為等時(shí)曲線(xiàn)或圖8，2節(jié)土壤的蠕變，但沒(méi)有加速蠕變階段，恒定蠕變階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的情況也經(jīng)常發(fā)生。因此，一些人對(duì)是否存在加速蠕變表示懷疑，測(cè)試中出現(xiàn)的加速蠕變被認(rèn)為有測(cè)試條件，例如試件的工作截面減少、應(yīng)力集中等。有人認(rèn)為加速蠕變存在，并由自己的特性決定，而不是由測(cè)試條件決定。(蘇)比羅夫認(rèn)為土壤在蠕變過(guò)程中既有硬化又有軟化過(guò)程。也就是說(shuō)，在蠕變過(guò)程中，粒子之間的鏈接在一側(cè)被破壞，在另一側(cè)重新恢復(fù)。如果一側(cè)占優(yōu)勢(shì)，則蠕變指示衰減或加速度。實(shí)驗(yàn)表明，壓縮粘土蠕變的脆性破壞，破壞前沒(méi)有明顯的穩(wěn)定蠕變階段。研究結(jié)果表明，顆粒間的結(jié)構(gòu)連接對(duì)土壤的蠕變特性有很大影響?；谒?塑料連桿的(冷凝結(jié)構(gòu))塑性土具有典型蠕變曲線(xiàn)的所有變形階段，長(zhǎng)期強(qiáng)度僅為短期強(qiáng)度的40%到70%。在第二節(jié)土壤的蠕變、混合、凝結(jié)和結(jié)晶連接的致密黏土中，衰減變形階段占優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期強(qiáng)度占短期強(qiáng)度的7080%，大部分從衰減(初始蠕變)直接轉(zhuǎn)化到加速蠕變，沒(méi)有穩(wěn)定的蠕變階段。第二節(jié)土壤蠕變，粘土顆粒周?chē)兴?。這種水膜具有明顯的粘度特性，以使土壤呈現(xiàn)蠕變特性。但是在干燥的土壤中，也出現(xiàn)了抵抗粒子位移的粘性強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(右等):干粘土粉和濕后，粘土粉樣品呈現(xiàn)蠕變特性。圖11空氣干燥粘土無(wú)側(cè)脹壓縮蠕變曲線(xiàn)1-空氣干燥狀態(tài)；2-浸濕后，第二，土壤骨骼的蠕變，類(lèi)似的三軸測(cè)試也證明了這一點(diǎn)。此外，可以同時(shí)使用干燥和濕土壤樣品的蠕變，表明干燥和濕狀態(tài)下相同土壤的參數(shù)n相同。第2節(jié)土壤蠕變，第2節(jié)土壤蠕變，砂蠕變一般遵循對(duì)數(shù)律。(如圖12所示)圖12中的細(xì)沙沒(méi)有橫向膨脹的壓縮蠕變曲線(xiàn)、圖13中的固定子粘土()的拉伸(1)和壓縮(2)流變曲線(xiàn)、壓縮和拉伸條件下土壤的蠕變與圖13中的固定子粘土的單軸壓縮和拉伸蠕變?cè)囼?yàn)不同。雙節(jié)土的蠕變、壓縮和拉伸均可描述為在3軸壓縮和伸長(zhǎng)條件下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)的同一方程。第二節(jié)土壤的蠕變，(水)c.c. viarf等對(duì)一種高嶺土進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)，在顯微鏡下觀察了不同變形階段土壤樣品的微觀結(jié)構(gòu)變化。土樣：高嶺土=38 40% l=58% p=38%蠕變測(cè)試：使用中空?qǐng)A柱土樣應(yīng)用各種恒定剪切載荷，從瞬時(shí)破壞到僅產(chǎn)生阻尼變形的載荷。第三，蠕變過(guò)程中土壤的微觀結(jié)構(gòu)變化，第二節(jié)土壤的蠕變，定義：表達(dá)式：SD-切片中結(jié)構(gòu)缺陷的基礎(chǔ)區(qū)域s0-切片中基于平行剪切方向的粒子的總截面面積，垂直于面積s-剪切方向。使用結(jié)構(gòu)損傷程度和方向兩個(gè)指標(biāo)定量描述了微觀結(jié)構(gòu)。2節(jié)土壤蠕變，研究結(jié)果：原始結(jié)構(gòu)：由60 70%定向粒子組成的群體粒子；30 40%全向粒子損傷程度 0=22 25%衰減蠕變：測(cè)試開(kāi)始兩天后，損傷程度 0=25% 22%，6天后降低到20%。沒(méi)有方向歐米茄的變化，結(jié)構(gòu)缺陷的減少主要在急劇變形增長(zhǎng)初期。第2節(jié)土壤的蠕變，未衰減蠕變：結(jié)構(gòu)特征急劇變化，損傷和/或方向變化大的快速破壞情況：沒(méi)有結(jié)構(gòu)重定向t=0.03小時(shí)內(nèi)破壞， 24.1 36.8%，第2節(jié)土壤的蠕變，長(zhǎng)變形過(guò)程：不穩(wěn)定的蠕變階段穩(wěn)定的蠕變階段：結(jié)構(gòu)變化明顯，粒子方向明顯，缺陷愈合，出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)破壞。加速蠕變階段：顆粒方向明顯，微裂紋強(qiáng)烈發(fā)展，與主干裂紋合并形成破壞。蠕變方程，恒定應(yīng)力下隨時(shí)間變化的剪切變形方程-蠕變方程。如果不考慮瞬時(shí)變形：m=0.2到1，t-單位時(shí)間，(a)，力函數(shù)關(guān)系，截面2土壤的蠕變，Singh-Mitchell表達(dá)式：表達(dá)式中的a，m是參數(shù)，應(yīng)力級(jí)別、第一、力函數(shù)關(guān)系、第二節(jié)土壤的蠕變、Mesri方程式：表示式中的：m表示參數(shù)、RF-破壞比、-應(yīng)力層級(jí)、eu-初始剪切系數(shù)。冪函數(shù)形式的蠕變方程：從軟土到堅(jiān)硬的土壤，甚至巖石，簡(jiǎn)單、實(shí)用、應(yīng)用前景強(qiáng)。，2節(jié)土壤的蠕變，如果不考慮瞬時(shí)變形：2，代數(shù)關(guān)系，2節(jié)土壤的蠕變，3，分?jǐn)?shù)-線(xiàn)性關(guān)系(雙曲關(guān)系)，2節(jié)土壤的蠕變，drainedcreeptstdata，tiam et al .(1)松弛開(kāi)始時(shí)，樣品的應(yīng)變速率越大，Q3/Q0越小。(2) q/Q0與松弛開(kāi)始時(shí)的應(yīng)力水平有關(guān)。前面介紹的兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式不反映應(yīng)力松弛的大小與開(kāi)始松弛時(shí)樣品的變形速度相關(guān)的特性。實(shí)際上，更好的彈性粘彈性模型也不會(huì)反映此特性。第3節(jié)土壤的流變測(cè)試，(4)測(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)力松弛階段，無(wú)排水測(cè)試，典型的伴隨氣壓量上升：(1)undercompressionstatesteporewaterpressdevelopedintheprocessofrelaxx(2) undersionstates、theporewaterpressurecontinuouslyincreases、andtheincreasonesofporewaterpressurearemuchlarger wiindtheincreasonesofporewaterpressurearemuchlarger(1)考試時(shí)間短；(2)像蠕變?cè)囼?yàn)一樣，不會(huì)發(fā)生加速蠕變損傷，破壞階段應(yīng)力變形不穩(wěn)定，難以準(zhǔn)確測(cè)量和說(shuō)明。松弛試驗(yàn)最終趨于穩(wěn)定。但是，應(yīng)力松弛試驗(yàn)數(shù)據(jù)、三節(jié)土壤的流變?cè)囼?yàn)(a)、概念(相對(duì))瞬時(shí)強(qiáng)度：材料具有快速載荷，沒(méi)有合適的分析，測(cè)量的強(qiáng)度稱(chēng)為瞬時(shí)強(qiáng)度。具有蠕變特性的材料，例如將小于相對(duì)瞬時(shí)強(qiáng)度的載荷應(yīng)用