軟土的流變性質(zhì)及其對基坑工程性能的影響分析

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1、1.2研究意義汕頭是軟土地區(qū)，工程地質(zhì)條件較差，存在著軟弱土層；尤其是淤泥、淤泥質(zhì)土等軟弱土質(zhì)覆蓋層較厚，約為10m～30m。淤泥軟土主要有塑性指數(shù)大、有機(jī)質(zhì)含量高、含水量和孔隙比大、強(qiáng)度低、承載力小、高靈敏度、高壓縮性、滲透性小等特征，且往往具有顯著的流變特性。近年來建筑向高向大發(fā)展，要求基坑的面積更大、深度更深以及開挖的時間更長，地下室的施工使基坑長期暴露在外，，因而加劇了軟土流變性質(zhì)對工程的不利影響。研究軟土的流變性質(zhì)，揭示土體的變形和應(yīng)力隨時間變化的規(guī)律，為巖土工程提供有益的參考，預(yù)防和降低流變性質(zhì)對工程的不利影響，是巖土工程中一個重要的課題。土不僅具有彈性、塑性，還具有

2、粘滯性即流變性，是一種粘彈塑性體。土體的流變現(xiàn)象則到處可見：地基的長期沉降和傾斜、基坑開挖后坑壁產(chǎn)生水平向的蠕動、邊坡失穩(wěn)等都是由于土體變形的時效特性而產(chǎn)生的。根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)的不同，粘性土的變形速度有時是極其緩慢的，最后趨于停止;有時則逐漸增長，而最后導(dǎo)致破壞。隨著孔隙水壓力和土體體積的變化，會對長期強(qiáng)度產(chǎn)生影響。1948年荷蘭的葛茲和當(dāng)時在荷蘭的我國學(xué)者陳宗基首先開始關(guān)于土流變問題的系統(tǒng)研究[1]，因?yàn)楫?dāng)時荷蘭的佛拉格門大橋、齊特茲海堤和鐵路的軟土路基均因土體流變而發(fā)生破壞。前蘇聯(lián)有一碼頭，由于剪應(yīng)力長期作用，每年以約1cm的速度緩慢移動，在70~100年時間內(nèi)最大位移高達(dá)50~

3、80cm，已經(jīng)對碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。由上述例子可知，蠕變問題值得在工程上引起足夠的重視在基坑開挖工程中，土體處于逐步卸載的情況，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力很大且持續(xù)地產(chǎn)生變形，長期施工下土的流變特性往往對工程產(chǎn)生不利影響?；娱_挖卸荷引起的坑底隆起、坑側(cè)土體側(cè)向位移等問題與一般土工加載問題所表現(xiàn)的特性明顯不同。而在實(shí)際工程中所用的參數(shù)和公式基本上都是依據(jù)土的加載或不考慮土的流變特性，這顯然與實(shí)際情況不符。為了更好地了解基坑開挖土體的流變特性，需進(jìn)行相關(guān)的流變試驗(yàn)。卸荷應(yīng)力路徑下軟土特性研究表明，在分析中考慮加卸載歷史或應(yīng)力路徑是很重要的。因此，考慮土體的應(yīng)力歷史和流變特性對基坑工程的影響是很

4、有必要的。以上說明土的變形和穩(wěn)定，和時間有著密切的關(guān)系。因此，對軟土進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究與理論分析，探討軟土變形和強(qiáng)度與時間之間的關(guān)系，并結(jié)合實(shí)際工2程進(jìn)行對比研究，輔以一定的數(shù)值分析，對于研究軟土地基上的基坑工程和建筑物具有重要意義。1.2國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)土體變形和應(yīng)力與時間的關(guān)系統(tǒng)稱為土的流變，其研究內(nèi)容一般包括[2,3]：(1)蠕變：在常應(yīng)力作用下，變形隨時間發(fā)展的現(xiàn)象。(2)應(yīng)力松弛：在恒應(yīng)變水平下，應(yīng)力隨時間衰減的現(xiàn)象。(3)長期強(qiáng)度：土體抗剪強(qiáng)度隨時間而變化，一般認(rèn)為強(qiáng)度隨時間而降低，也有有學(xué)者認(rèn)為強(qiáng)度隨時間而增加。(4)應(yīng)變率（或荷載率）效應(yīng)：不同的應(yīng)變或加荷速率下，土

5、體表現(xiàn)出不同的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度特性。流變現(xiàn)象廣泛存在于各類軟土中，流變分壓縮流變和剪切流變兩大類。壓縮流變和土體的體積固結(jié)相關(guān)，如路堤、地基的長期固結(jié)沉降；剪切流變則與土顆粒之間的互相錯動有關(guān)，如邊坡、支護(hù)結(jié)構(gòu)受到剪切作用而產(chǎn)生的橫向蠕變變形。國內(nèi)外對土體流變問題的研究主要從三個方向進(jìn)行：1.3.1流變試驗(yàn)孫鈞、謝寧、李軍世等[4,5]研究了上海的軟土，朱俊高、陳曉平、朱鴻鵠等[6-8]研究了珠三角的軟土。上述學(xué)者均發(fā)現(xiàn)軟土存在著明顯的流變性質(zhì)，尤其是近海和三角洲地區(qū)的軟土含水量較大，流變性質(zhì)更加明顯。1.3.2流變本構(gòu)模型如何建立土的流變本構(gòu)模型是流變研究中的關(guān)鍵。土的流變

6、本構(gòu)模型可從三個方向進(jìn)行研究：一是基于已有經(jīng)典彈塑性理論理論的粘彈塑性理論；二是從金屬材料研究中引入并結(jié)合土工試驗(yàn)的元件流變模型；還有就是從試驗(yàn)出發(fā)的經(jīng)驗(yàn)流變模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂筛鶕?jù)特定的土體而建立，雖適用性不廣，但很有針對性。1968年，SinghA.和MitchellJ.K.提出了被廣泛應(yīng)用的Singh-Mitchell蠕變模3型[9]，他們進(jìn)行了排水和不排水三軸試驗(yàn)，采用單級常應(yīng)力加載。此模型采用指數(shù)描述應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，用冪函數(shù)描述應(yīng)變-時間關(guān)系，最終得出一個應(yīng)變率-應(yīng)力水平-時間方程。1981年，Mesri在Singh-Mitchell模型的基礎(chǔ)上提出了著名的Mesri蠕變模

7、型[10]，他對重塑高嶺土進(jìn)行了不排水三軸試驗(yàn)，采用多級常應(yīng)力和常應(yīng)變率加載，量測孔隙水壓力。此模型使用雙曲線形式來表達(dá)應(yīng)力-應(yīng)變-時間關(guān)系，可以描述從零應(yīng)變到破壞應(yīng)變的應(yīng)變硬化行為，還可以利用常規(guī)雙曲線應(yīng)變硬化模型和Singh-Mitchell蠕變模型中的參數(shù)。Borja等建立了蠕變和應(yīng)力松弛的統(tǒng)一模型[11]，其體變部分使用次壓縮法則，而偏應(yīng)變部分則借鑒了轉(zhuǎn)置Singh-Mitchell方程，從而得出一個應(yīng)力-應(yīng)變-時間公式，很好地預(yù)測了一種海濱淤泥的三軸試驗(yàn)結(jié)果。Lin等[