土體流變性

流變性是土的重要特性之一，早在1948年荷蘭學(xué)者GenieE．C．W．A和我國學(xué)者陳宗基開始了土的流變性的研究，應(yīng)用實心圓柱土樣的扭轉(zhuǎn)試驗，驗證了Bingham粘滯塑性流動定律對土的適用性，最早創(chuàng)立了土流變學(xué)。在1953年第三屆國際土力學(xué)和基礎(chǔ)工程會議(ICSMFE)上，提出了蠕變變形直接或間接地對土力學(xué)的所有過程起作用，蠕變研究將影響土力學(xué)將來的發(fā)展，隨后，廣泛展開了對土體流變性的研究，取得了大量的成果，并成為土力學(xué)研究的熱點。

土體流變性質(zhì)研究可以從微觀、細(xì)觀或宏觀表現(xiàn)展開。在微觀層次上，主要借助電子顯微鏡和X光衍射儀等儀器研究土體顆粒、團聚體、疊聚體和微孔隙等微小結(jié)構(gòu)單元的空間分布及其接觸連接特點等微觀特征與土體流變性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系。國內(nèi)外學(xué)者都開展了大量的研究工作，陳宗基提出了片架結(jié)構(gòu)理論，施斌等建立了微觀力學(xué)模型模擬粘性土蠕變，MitchellJK等基于速率過程理論對粘性土的應(yīng)力－應(yīng)變－時間關(guān)系進行了研究，Bazant等分別運用內(nèi)時理論建立了正常固結(jié)土和橫向同性粘土的粘塑性本構(gòu)方程。然而，由于粘性土微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和定量測試技術(shù)的限制，加上一些物理化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)難以測定，使得微觀結(jié)構(gòu)研究只能從理論上做定性分析，很難應(yīng)用于工程實踐。

在細(xì)觀層次，研究土體孔隙水、顆粒及礦物類型、吸附結(jié)合水等細(xì)觀結(jié)構(gòu)參量與土的流變特性的對應(yīng)性和相關(guān)性，分析土體流變的物質(zhì)因素、物理機制、力學(xué)行為以及流變性質(zhì)的控制因素及各參量之間的定量關(guān)系，研究主要集中在孔隙水或結(jié)合水、粘土礦物類型和孔隙中的膠體物質(zhì)對流變性質(zhì)的影響。

迄今，國內(nèi)外學(xué)者所做的工作大部分屬于宏觀流變學(xué)的范疇。它從唯象學(xué)觀點出發(fā)，假定土是均一體，采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和不可逆熱力學(xué)理論，構(gòu)造直觀的物理流變模型來模擬土的結(jié)構(gòu)和特性，擬合流變試驗結(jié)果，建立有關(guān)的公式，以定量分析土的流變性質(zhì)及其對工程的影響。

綜上所述，對于土體流變研究，除了宏觀層次上的研究之外，細(xì)觀、微觀和納觀各層次上的研究并未深入開展。因此，進一步探討軟土流變的起因，認(rèn)清軟土流變的物理本質(zhì)，改進和完善土體流變分析理論，是今后研究的努力方向。

在土體流變研究中，考慮時間因素后，流變問題應(yīng)力－應(yīng)變－時間關(guān)系的求解比一般的彈塑性問題應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的求解更加復(fù)雜，流變問題計算方法有待于進一步提高。土體流變問題的解包括解析解和數(shù)值解。

土體流變性解析解

解析解的方法是運用對應(yīng)性原理，采用積分變換技術(shù)，具體的做法是先求得彈性解，然后進行拉普拉斯變換，其中，彈性常數(shù)必須用粘彈性本構(gòu)關(guān)系經(jīng)過拉普拉斯變換得到的粘彈性常數(shù)代替，從而得到拉普拉斯變換后的粘彈性解，再通過拉普拉斯逆變換得到最終的粘彈性解。解析解是精確解，它是基于對代數(shù)、微積分等數(shù)學(xué)原理的應(yīng)用。由于只有一些簡單和特殊的函數(shù)才能找到拉普拉斯逆變換的解析解，許多問題雖然能得到拉普拉斯變換后的粘彈性解，卻無法得到逆變換的解析解，另外，土流變問題一般比較復(fù)雜，因此真正能得到解析解的很少。

土體流變性數(shù)值解

隨著電子計算技術(shù)的高速發(fā)展，流變問題數(shù)值求解方法發(fā)展起來。土體流變問題數(shù)值解的采用和發(fā)展，給土體流變研究的實際應(yīng)用帶來了生機。數(shù)值解采用的基本方法主要有時步粘性初應(yīng)變法，把粘性應(yīng)變作為初應(yīng)變，計算每一時步粘性初應(yīng)變所引起的粘性附加荷載，加入到該時步的平衡方程中加以修正并求解，逐步進行，最終得到土流變問題的解。至于土非線性流變問題，更是只能用數(shù)值解法，一般是采用時步增量非線性迭代法，對每一個荷載增量，通過不斷的迭代，用一系列的線性流變來逼近非線性流變，把非線性流變問題簡化為線性流變問題進行求解。土流變問題的數(shù)值解所運用的技術(shù)主要有有限元法、有限差分法、邊界元法、離散元法、無限元法、流形元法等。

巖土工程數(shù)值計算方法的迅速發(fā)展，給復(fù)雜巖土工程問題提供了更充分的的設(shè)計依據(jù)。數(shù)值模擬技術(shù)不僅對現(xiàn)場原型試驗、模型試驗起到替代和補充作用，而且還給室內(nèi)試驗與實際工程之間架起了橋梁，在巖土工程非線性實驗中顯示出極大的優(yōu)勢。

然而，巖土的非連續(xù)、非均質(zhì)、各向異性、天然初始地應(yīng)力及復(fù)雜邊界條件等使得計算中采用的流變本構(gòu)關(guān)系很難準(zhǔn)確把握，并且?guī)r土體的物理力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確確定也成為問題求解的瓶頸。 2100433B

流變是指物體受力變形中存在的與時間有關(guān)的變形特性。土體具有流變性，其常見的流變現(xiàn)象主要包括蠕變、松弛、流動、應(yīng)變率效應(yīng)和長期強度效應(yīng)等。通常是采用試驗?zāi)Ｐ脱芯窟@些流變現(xiàn)象，揭示流變規(guī)律，建立相應(yīng)理論及計算方法。近年來，由于工程建設(shè)的需要，對土工結(jié)構(gòu)或地基的變形以及強度的計算分析要求越來越高，必須考慮土體的流變性，使得土體的流變研究成為近年來巖土工程界關(guān)注的重要熱點問題之一。

土的流變機理在于：在骨架應(yīng)力(有效應(yīng)力)作用下，土顆粒表面吸附水(氣)具有粘滯性，從而使顆粒的重新排列和骨架體的錯動具有時間效應(yīng)，土體變形延遲，即變形與時間有關(guān);而另一方面土體變形受到邊界約束，這種約束有阻擋蠕動變形發(fā)展的趨勢，因此，土體內(nèi)部應(yīng)力隨之逐步調(diào)整，即應(yīng)力也隨時間改變。

早在1925年，人們就開始認(rèn)識到，必須建立一個真實的并能充分反映粘性土或其它材料應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的公式或模型，根據(jù)其變形的微觀力學(xué)在微觀結(jié)構(gòu)層次上對其物理過程進行描述，粘土或其它材料蠕變的物理概念應(yīng)屬于“活化能”的概念。

Bazant等應(yīng)用速率過程理論建立了一系列土的本構(gòu)關(guān)系模型。施斌進行了速率過程理論在粘性土蠕變模擬中的應(yīng)用研究，介紹了速率過程理論及其相應(yīng)的粘性土蠕變模型的推導(dǎo)，選取淮陰三類不同粘性土質(zhì)開展了蠕變試驗研究，分別制備了各向異性和各向同性的結(jié)構(gòu)試樣，獲得了相應(yīng)的蠕變性結(jié)果，再用速率過程理論模型對試驗結(jié)果進行了擬合。結(jié)果表明:以速率過程理論為基礎(chǔ)而建立的蠕變模型能有效地模擬不同粘性土質(zhì)的蠕變過程、趨勢和變形，反映出粘性土土性的本質(zhì)特點，使土質(zhì)學(xué)和土力學(xué)緊密地結(jié)合在了一起。

谷任國、房營光分別研究了結(jié)合水、礦物類型和有機質(zhì)對軟粘土流變性質(zhì)的影響。采用改進的直剪蠕變儀對一組粘土試樣進行了一系列試驗，測試結(jié)果表明:有機質(zhì)和礦物成分及其含量是影響軟粘土流變性質(zhì)的重要因素，土體的粘滯系數(shù)隨粘土礦物含量的增加而減小，即流變變形阻力隨有機質(zhì)和粘土礦物含量的增多而減小，且有機質(zhì)對軟土流變性質(zhì)的影響較為顯著。試驗結(jié)果分析認(rèn)為，粘土礦物通過顆粒表面的結(jié)合水影響土的流變性質(zhì)，其中強結(jié)合水是土體產(chǎn)生流變的主要因素，而弱結(jié)合水則是相對次要因素。試驗結(jié)果有助于進一步認(rèn)識土體流變的起因，對改進和完善現(xiàn)有流變變形計算理論有一定指導(dǎo)意義。

觸變性流體是一種典型的非牛頓流體，但國內(nèi)外關(guān)于其流動行為的研究遠(yuǎn)不如其它非牛頓流體。其原因主要是實際中具有較強觸變性的液體較少，然而我國原油具有顯著的觸變性。因此，開展觸變性流體流動行為的研究在我國具有重要的實際意義。泊肖葉流動是管道輸送原油的主要方式之一，而多孔介質(zhì)中滲流的研究有助于對原油開采的分析。研究結(jié)果為我國原油的開采和輸送提供了理論依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者對含蠟原油的觸變性做了大量研究，建立了描述觸變性的模型，其中最常用的則是用指數(shù)方程來描述含蠟原油的觸變性。這些模型大多是依據(jù)旋轉(zhuǎn)粘度計測定的流變參數(shù)而建立的。膠凝原油在旋轉(zhuǎn)粘度計中屬于剪切流，而在管道內(nèi)屬于拖動流，兩者的流動邊界條件不同，對介質(zhì)的剪切方式也不同，從而引起其測試數(shù)據(jù)的差異。

觸變性揭示的是材料的黏度隨時間的變化關(guān)系。觸變性流體具有如下典型特征：

①從靜止的物料開始剪切或從低到高改變物料的剪切速率時，黏度隨時間降低；

②剪切停止后或從高到低改變物料的剪切速率時，黏度隨時間恢復(fù)；

③保持剪切速率不變直到應(yīng)力達到恒定值，可得到平衡流變曲線；

④反復(fù)循環(huán)剪切可得到滯后環(huán)；

⑤無限重復(fù)循環(huán)剪切可得到平衡滯后環(huán)。

以上5種觸變性特征現(xiàn)象從不同的方面反映了觸變體的流變行為。

為了描述非牛頓流體的觸變性行為，提出各種不同的觸變模型。其中具有代表性的有Huang方程、5參數(shù)黏彈一觸變性流體本構(gòu)方程等。同時含黏彈環(huán)和正觸變環(huán)的滯后環(huán)的數(shù)學(xué)表征。

對無彈性的觸變性流體，存在聚集體和單體之間的相互轉(zhuǎn)化過程。當(dāng)剪切應(yīng)力作用于該流體時，聚集體結(jié)構(gòu)逐漸解離為單體；當(dāng)剪切應(yīng)力消除時，單體將相互作用形成聚集體。由于聚集體結(jié)構(gòu)破壞速率和恢復(fù)速率不一致，才表現(xiàn)出觸變性。

當(dāng)剪切應(yīng)力作用于流體上時，產(chǎn)生的剪切速率為多。該應(yīng)力分別引起黏性流動，彈性變形和聚集體的解離 。2100433B