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1、軟土流變模型研究綜述 摘要：土的流變模型的建立是土的流變學(xué)研究的重要內(nèi)容，只有建立正確的土流變模型，即應(yīng)力、應(yīng)變和時間三者之間的關(guān)系，才能充分、準(zhǔn)確描述土的流變特性。流變理論發(fā)展到現(xiàn)在，土的流變模型數(shù)目眾多。本文介紹了軟土的微觀流變模型及宏觀流變模型中的線性流變模型和非線性流變模型，在線性模型基礎(chǔ)上針對其局限性進行改進和修正，仍是軟土流變模型研究的重要方向。 關(guān)鍵詞：軟土；微觀流變模型；元件模型；經(jīng)驗?zāi)Ｐ?；半理論半?jīng)驗?zāi)Ｐ汀 ?引言 軟土的流變現(xiàn)象由蠕變、長期強度、應(yīng)力松弛、彈性后效和滯后效應(yīng)等四項內(nèi)容構(gòu)成。土的流
2、變模型是反映土的流變特性及其變化過程的力學(xué)模型，表示形式一般為應(yīng)力-應(yīng)變-時間的關(guān)系。準(zhǔn)確地描述土的流變特性需要建立正確的土的流變模型，因此土的流變模型在土的流變學(xué)研究中非常重要?！ ?微觀流變本構(gòu)模型9 土的微觀流變本構(gòu)模型通常是從土的內(nèi)部微觀角度出發(fā)，認(rèn)為土顆粒骨架的微觀變化引起流變，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論或者借用描述金屬的微觀理論，根據(jù)土微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，同時結(jié)合土流變宏觀表現(xiàn)，從而構(gòu)建起反映土體流變特性的應(yīng)力-應(yīng)變-時間本構(gòu)模型。國外對土微觀流變模型的研究起步較早，Mitchell[1-2]（1964，1969
3、）、[3-4]（1975，1985）、Vyalov[5]（1986）分別運用速率過程理論推導(dǎo)了土的流變本構(gòu)方程。國內(nèi)施斌等[6-7]（1997，2002）根據(jù)速率過程理論、塑性滑動理論，結(jié)合虛功原理，從土的微觀角度建立了各向異性黏性土蠕變的微觀力學(xué)模型，并給出了模型的數(shù)值解。周翠英等[8]（2008）采用圖像處理技術(shù)對軟土微觀結(jié)構(gòu)進行研究并提取相應(yīng)參數(shù)，通過分析荷載、變形和強度與軟土微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，構(gòu)建了能反映軟土微觀結(jié)構(gòu)的沉降計算模型。扈勝霞[9]（2013）通過預(yù)壓作用下軟土三軸試驗前、后的微觀結(jié)構(gòu)試驗，建立
4、了基于軟土微觀結(jié)構(gòu)的彈黏塑性（EVP）蠕變模型。總的說來，從土的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)來建立土的流變模型，不僅揭示土流變的內(nèi)部機理，還能反映土流變的宏觀特性，因此對軟土流變模型的發(fā)展具有重要意義，但軟土微觀流變模型的研究還處于發(fā)展階段，在實際中較少采用?！ ?宏觀流變本構(gòu)模型 從土的宏觀角度出發(fā)來建立土流變模型，這方面國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。土體宏觀流變模型可分為線性流變模型和非線性流變模型?！ ?.1線性流變模型 元件模型是是眾多線性流變模型的一種，在實際中廣泛采用。它由一些基本流變元件，如虎克彈簧、牛頓黏壺、圣維南剛塑體等
5、來模擬土體線性黏彈塑性狀，利用上述基本元件的并聯(lián)或串聯(lián)進行不同組合，從而形成線性流變模型。9 常見的二個基本元件或3個基本元件組成的元件體如Maxwell體、Kelvin體、標(biāo)準(zhǔn)線性體、廣義Bingham體等，上述元件體雖然可以描述一定的土體介質(zhì)材料的流變特性，但在定量描述的準(zhǔn)確性上存在一些局限性，因此，便出現(xiàn)了由上述若干個元件體和基本元件組合而成的廣義模型，常見的有Wiechert模型、廣義Kelvin模型、廣義Burgers模型、西原模型、村山塑郎模型等。國內(nèi)外眾多學(xué)者對此方面進行了研究。如Taylor[10]（1
6、940）在固結(jié)分析中利用Kelvin模型考慮了土的黏彈性。Gison[11]（1961）采用Merchant模型來模擬土骨架的黏彈性變形。趙維炳[12]（1989）采用Laplace變換推導(dǎo)了廣義Viogt模型描述飽和黏彈性土體一維固結(jié)問題的普遍解答。湯斌等[13]（2004）采用黏彈-黏塑組合蠕變模型計算次固結(jié)變形。吳波等[14]（2008）選擇了廣義Kelvin來描述軟土的流變特性。邵勇等[15]（2012）根據(jù)三軸試驗結(jié)果分別采用K-B、S-6、K-S等3個流變模型來描述蘇州湖相軟土的流變特性，在模型參數(shù)反演中發(fā)現(xiàn)
7、，K-S模型能夠很好地描述軟土的流變特性。元件模型物理意義明確，形式簡單，被廣大學(xué)者采用。但元件模型是線性流變模型，因此不管建立的模型如何復(fù)雜，模型最終所反映的仍是線性黏彈塑性?！ ?.2非線性流變模型 隨著對軟土流變性質(zhì)的深入研究，越來越多的學(xué)者認(rèn)識到軟土流變不是一種簡單的線性特性，而具有明顯的非線性特性，完全線性是不存在的，通常人們僅為了簡化計算才按照線性流變來研究軟土流變。常用的非線性流變模型包括經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、半理論半?jīng)驗?zāi)Ｐ?。 ?）經(jīng)驗?zāi)Ｐ? 經(jīng)驗流變模型是一種應(yīng)用較廣的非線性流變模型，通常是人們根據(jù)試驗數(shù)據(jù)結(jié)
8、果，分析總結(jié)土的流變特性，直接得出的土流變的表達式。與元件模型相比，經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒坏锢硪饬x不夠明確，缺乏理論依據(jù)，而且通用性欠佳，但數(shù)學(xué)形式簡單，便于工程應(yīng)用，在土木工程中應(yīng)用廣泛。常見的蠕變經(jīng)驗公式有多種類型，如雙曲線函數(shù)型、對數(shù)函數(shù)型、冪函數(shù)型、指數(shù)函數(shù)型及多項式型等。國外Singh&Mitchell[16]（19
