软土的流变性质及其对基坑工程性能的影响分析

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1、1.2研究意义汕头是软土地区，工程地质条件较差，存在着软弱土层；尤其是淤泥、淤泥质土等软弱土质覆盖层较厚，约为10m～30m。淤泥软土主要有塑性指数大、有机质含量高、含水量和孔隙比大、强度低、承载力小、高灵敏度、高压缩性、渗透性小等特征，且往往具有显著的流变特性。近年来建筑向高向大发展，要求基坑的面积更大、深度更深以及开挖的时间更长，地下室的施工使基坑长期暴露在外，，因而加剧了软土流变性质对工程的不利影响。研究软土的流变性质，揭示土体的变形和应力随时间变化的规律，为岩土工程提供有益的参考，预防和降低流变性质对工程的不利影响，是岩土工程中一个重要的课题。土不仅具有弹性、塑性，还具有

2、粘滞性即流变性，是一种粘弹塑性体。土体的流变现象则到处可见：地基的长期沉降和倾斜、基坑开挖后坑壁产生水平向的蠕动、边坡失稳等都是由于土体变形的时效特性而产生的。根据应力状态的不同，粘性土的变形速度有时是极其缓慢的，最后趋于停止;有时则逐渐增长，而最后导致破坏。随着孔隙水压力和土体体积的变化，会对长期强度产生影响。1948年荷兰的葛兹和当时在荷兰的我国学者陈宗基首先开始关于土流变问题的系统研究[1]，因为当时荷兰的佛拉格门大桥、齐特兹海堤和铁路的软土路基均因土体流变而发生破坏。前苏联有一码头，由于剪应力长期作用，每年以约1cm的速度缓慢移动，在70~100年时间内最大位移高达50~

3、80cm，已经对码头结构产生严重影响。由上述例子可知，蠕变问题值得在工程上引起足够的重视在基坑开挖工程中，土体处于逐步卸载的情况，支护结构受力很大且持续地产生变形，长期施工下土的流变特性往往对工程产生不利影响。基坑开挖卸荷引起的坑底隆起、坑侧土体侧向位移等问题与一般土工加载问题所表现的特性明显不同。而在实际工程中所用的参数和公式基本上都是依据土的加载或不考虑土的流变特性，这显然与实际情况不符。为了更好地了解基坑开挖土体的流变特性，需进行相关的流变试验。卸荷应力路径下软土特性研究表明，在分析中考虑加卸载历史或应力路径是很重要的。因此，考虑土体的应力历史和流变特性对基坑工程的影响是很

4、有必要的。以上说明土的变形和稳定，和时间有着密切的关系。因此，对软土进行深入的试验研究与理论分析，探讨软土变形和强度与时间之间的关系，并结合实际工2程进行对比研究，辅以一定的数值分析，对于研究软土地基上的基坑工程和建筑物具有重要意义。1.2国内外发展动态土体变形和应力与时间的关系统称为土的流变，其研究内容一般包括[2,3]：(1)蠕变：在常应力作用下，变形随时间发展的现象。(2)应力松弛：在恒应变水平下，应力随时间衰减的现象。(3)长期强度：土体抗剪强度随时间而变化，一般认为强度随时间而降低，也有有学者认为强度随时间而增加。(4)应变率（或荷载率）效应：不同的应变或加荷速率下，土

5、体表现出不同的应力-应变关系和强度特性。流变现象广泛存在于各类软土中，流变分压缩流变和剪切流变两大类。压缩流变和土体的体积固结相关，如路堤、地基的长期固结沉降；剪切流变则与土颗粒之间的互相错动有关，如边坡、支护结构受到剪切作用而产生的横向蠕变变形。国内外对土体流变问题的研究主要从三个方向进行：1.3.1流变试验孙钧、谢宁、李军世等[4,5]研究了上海的软土，朱俊高、陈晓平、朱鸿鹄等[6-8]研究了珠三角的软土。上述学者均发现软土存在着明显的流变性质，尤其是近海和三角洲地区的软土含水量较大，流变性质更加明显。1.3.2流变本构模型如何建立土的流变本构模型是流变研究中的关键。土的流变

6、本构模型可从三个方向进行研究：一是基于已有经典弹塑性理论理论的粘弹塑性理论；二是从金属材料研究中引入并结合土工试验的元件流变模型；还有就是从试验出发的经验流变模型。经验模型可根据特定的土体而建立，虽适用性不广，但很有针对性。1968年，SinghA.和MitchellJ.K.提出了被广泛应用的Singh-Mitchell蠕变模3型[9]，他们进行了排水和不排水三轴试验，采用单级常应力加载。此模型采用指数描述应力-应变关系，用幂函数描述应变-时间关系，最终得出一个应变率-应力水平-时间方程。1981年，Mesri在Singh-Mitchell模型的基础上提出了著名的Mesri蠕变模

7、型[10]，他对重塑高岭土进行了不排水三轴试验，采用多级常应力和常应变率加载，量测孔隙水压力。此模型使用双曲线形式来表达应力-应变-时间关系，可以描述从零应变到破坏应变的应变硬化行为，还可以利用常规双曲线应变硬化模型和Singh-Mitchell蠕变模型中的参数。Borja等建立了蠕变和应力松弛的统一模型[11]，其体变部分使用次压缩法则，而偏应变部分则借鉴了转置Singh-Mitchell方程，从而得出一个应力-应变-时间公式，很好地预测了一种海滨淤泥的三轴试验结果。Lin等[