软土流变模型及其工程应用

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1、硕士学位论文1．1概述第1章绪论随着我国经济建设的发展，交通土建、地下建筑、地下铁道、隧道、高层建筑、矿山井道、大坝基础、边坡等岩土工程的建设需求和规模日益增长，岩土工程在国家基本建设投资费用中占有的比例也越来越大，搞好岩土工程的建设对我国经济具有十分的重要意义。不少的工程以其实践表明，岩土材料具有较明显的流变特性【l-4J。例如法国某坝体，高22米，长520米，建在6米厚的裂隙粘土质砂岩上。建成十一年后，由于土的蠕变引起位移加速，导致破坏【51。瑞士的一个钢筋混凝土拱形高架桥台，由于斜坡上粘土蠕变而变形，桥台

2、在建成厚以大约一年37毫米的速度发展，十三年内达到480毫米，在这期间的沉陷总共为14．9毫米，流动涉及到整个厚12米的土层，桥梁不得不拆了重建【们。正如陈宗基教授所说：一个工程的破坏往往是有时间过程的。换句话说，是由岩土的流变性控制的。甚至有的研究者指出，不考虑岩土的流变性，某些岩土力学的基本课题就不可能解决【71。对于我国，软粘土广泛分布，而在软粘土地区兴建公路、铁路、高层建筑、机场的土工建筑物日益增多，与此同时，越来越多的土工建筑物对地基的稳定和变形的要求也越趋严格。比如高速公路工程，要通过分析预测工后沉

3、降来确定路面铺筑时间和制定施工控制条件，如何比较准确的分析预测路面铺筑以后的工后沉降是修建高速公路的关键技术问题。此外，建筑物的长期变形和沉降；坑道开挖引起的地表向临空面发生位移甚至失稳；地下洞室开挖引起地表沉陷以及洞室开挖其围岩向中心的位移等都是由于岩土材料具有流变的特性，其变形随时问不断发展而造成的。因而研究岩土材料的流变特性，将它作为岩土工程的设计、施工与监测的理论指导，进而控制天然边坡等岩土工程的流变破坏和失稳，具有重要意义，也是岩土工程界普遍关注的问题。岩土力学与工程是一门理论内涵丰富而又实践性很强的

4、工程应用学科。当前，这方面的研究和实践在国内外都非常活跃，已经取得很多可喜的高水平的成果。但是，就岩土介质材料工程流变学问题的研究而言，尽管它的重要性已为人们所共识，而系统的理论与试验研究却相对比较少，对这类工程中存在问题的深入阐述也还不多见【引。软土是一种极其复杂的工程材料，其特殊的物质成分和复杂的结构决定了软土复杂的工程特性。在过去的传统土力学研究中，土被假定为弹性体，后来逐步软土流变模型及其工程应用发展到把土作为一种弹塑性体来研究。但是无论弹性体还是弹塑性体都不考虑时间因素，即假设变形是瞬间完成的。然而越

5、来越多的工程实例表明，岩土工程中的时间因素也很重要，不能不考虑。例如对鲁布革大坝的变形预测无论采用邓肯模型还是南水模型都与实际不符，而只有考虑土体的流变性质后计算结果才与实测相符【9J：又如上海工业展览馆从开工到竣工的4年期间沉降量超过几十厘米；还有许多例子诸如挡土墙的位移随时间的发展而发展、斜坡和边坡随时间的发展稳定性降低、地基的长期沉降和倾斜、地下工程施工中地表的沉降及变形等。这些工程实例都说明土不仅仅具有弹性、塑性，还具有粘滞性，即流变性。与其它类型土相比，软土的流变性更为显著。准确的讲，软土是一种粘弹塑

6、性土体，其本构关系不再只是应力和应变两者的关系，而应把时间考虑进去，成为应力、应变和时间三者之间的关系。因此，有必要应用流变学原理建立软土的本构关系模型，并研究软土中应力应变状态随时间的变化规律。这是土力学及流变学的一门新兴交叉边缘学科，具有重大的理论和工程实践意义，必将越来越受到人们的广泛重视。1．2国内外土流变学研究发展现状1．2．1土的流变学研究发展概况流变学是由化学、分子物理、固体力学的边缘学科发展起来的一门新兴学科。1922年Bin曲am《流动和塑性》名著的出版，以及根据他的倡议，1929年流变协会的

7、成立，标志着流变学成为一门独立的学科，掀开流变研究的新纪元。如今，随着现代工程技术的发展，流变学在各工程和生产领域中得到广泛的研究和应用。50年代以前，国内外研究学者很少注意土体的流变现象。后来是由于某些岩土工程因流变问题而引起事故(如坝、桥、建筑物地基基础、海堤、边坡、地下工程围岩变形)，而引起了科技界的重视。1948年荷兰GenieE．C．W．A和我国学者陈宗基首先开始对土体流变学进行系统的科学研究，他们应用实心圆柱样的扭转试验，提出Bin曲am粘滞塑性流动定律对立体的适用性。而后，在1953年第三届国际土

8、力学和基础工程会议(ICSMFE)上开始有了许多关于土体的流变问题的报告和发言。这次会议在关于土、雪和冰的蠕变问题的综合报告中提出，由于蠕变变形直接或间接的对土力学的所有过程起作用，因此蠕变问题的研究将影响上力学将来的发展。此后，各国学者开始对土体的流变问题进行系统的研究，并取得了大量的成果，使土体的流变学研究成为一个新的方向。在以后的第四～十二届国际主力学和基础工程会议上，有关流变的