軟土流變模型及其工程應(yīng)用

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1、碩士學(xué)位論文1．1概述第1章緒論隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，交通土建、地下建筑、地下鐵道、隧道、高層建筑、礦山井道、大壩基礎(chǔ)、邊坡等巖土工程的建設(shè)需求和規(guī)模日益增長(zhǎng)，巖土工程在國(guó)家基本建設(shè)投資費(fèi)用中占有的比例也越來(lái)越大，搞好巖土工程的建設(shè)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)具有十分的重要意義。不少的工程以其實(shí)踐表明，巖土材料具有較明顯的流變特性【l-4J。例如法國(guó)某壩體，高22米，長(zhǎng)520米，建在6米厚的裂隙粘土質(zhì)砂巖上。建成十一年后，由于土的蠕變引起位移加速，導(dǎo)致破壞【51。瑞士的一個(gè)鋼筋混凝土拱形高架橋臺(tái)，由于斜坡上粘土蠕變而變形，橋臺(tái)

2、在建成厚以大約一年37毫米的速度發(fā)展，十三年內(nèi)達(dá)到480毫米，在這期間的沉陷總共為14．9毫米，流動(dòng)涉及到整個(gè)厚12米的土層，橋梁不得不拆了重建【們。正如陳宗基教授所說(shuō)：一個(gè)工程的破壞往往是有時(shí)間過(guò)程的。換句話說(shuō)，是由巖土的流變性控制的。甚至有的研究者指出，不考慮巖土的流變性，某些巖土力學(xué)的基本課題就不可能解決【71。對(duì)于我國(guó)，軟粘土廣泛分布，而在軟粘土地區(qū)興建公路、鐵路、高層建筑、機(jī)場(chǎng)的土工建筑物日益增多，與此同時(shí)，越來(lái)越多的土工建筑物對(duì)地基的穩(wěn)定和變形的要求也越趨嚴(yán)格。比如高速公路工程，要通過(guò)分析預(yù)測(cè)工后沉

3、降來(lái)確定路面鋪筑時(shí)間和制定施工控制條件，如何比較準(zhǔn)確的分析預(yù)測(cè)路面鋪筑以后的工后沉降是修建高速公路的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。此外，建筑物的長(zhǎng)期變形和沉降；坑道開(kāi)挖引起的地表向臨空面發(fā)生位移甚至失穩(wěn)；地下洞室開(kāi)挖引起地表沉陷以及洞室開(kāi)挖其圍巖向中心的位移等都是由于巖土材料具有流變的特性，其變形隨時(shí)問(wèn)不斷發(fā)展而造成的。因而研究巖土材料的流變特性，將它作為巖土工程的設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)測(cè)的理論指導(dǎo)，進(jìn)而控制天然邊坡等巖土工程的流變破壞和失穩(wěn)，具有重要意義，也是巖土工程界普遍關(guān)注的問(wèn)題。巖土力學(xué)與工程是一門(mén)理論內(nèi)涵豐富而又實(shí)踐性很強(qiáng)的

4、工程應(yīng)用學(xué)科。當(dāng)前，這方面的研究和實(shí)踐在國(guó)內(nèi)外都非?；钴S，已經(jīng)取得很多可喜的高水平的成果。但是，就巖土介質(zhì)材料工程流變學(xué)問(wèn)題的研究而言，盡管它的重要性已為人們所共識(shí)，而系統(tǒng)的理論與試驗(yàn)研究卻相對(duì)比較少，對(duì)這類(lèi)工程中存在問(wèn)題的深入闡述也還不多見(jiàn)【引。軟土是一種極其復(fù)雜的工程材料，其特殊的物質(zhì)成分和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定了軟土復(fù)雜的工程特性。在過(guò)去的傳統(tǒng)土力學(xué)研究中，土被假定為彈性體，后來(lái)逐步軟土流變模型及其工程應(yīng)用發(fā)展到把土作為一種彈塑性體來(lái)研究。但是無(wú)論彈性體還是彈塑性體都不考慮時(shí)間因素，即假設(shè)變形是瞬間完成的。然而越

5、來(lái)越多的工程實(shí)例表明，巖土工程中的時(shí)間因素也很重要，不能不考慮。例如對(duì)魯布革大壩的變形預(yù)測(cè)無(wú)論采用鄧肯模型還是南水模型都與實(shí)際不符，而只有考慮土體的流變性質(zhì)后計(jì)算結(jié)果才與實(shí)測(cè)相符【9J：又如上海工業(yè)展覽館從開(kāi)工到竣工的4年期間沉降量超過(guò)幾十厘米；還有許多例子諸如擋土墻的位移隨時(shí)間的發(fā)展而發(fā)展、斜坡和邊坡隨時(shí)間的發(fā)展穩(wěn)定性降低、地基的長(zhǎng)期沉降和傾斜、地下工程施工中地表的沉降及變形等。這些工程實(shí)例都說(shuō)明土不僅僅具有彈性、塑性，還具有粘滯性，即流變性。與其它類(lèi)型土相比，軟土的流變性更為顯著。準(zhǔn)確的講，軟土是一種粘彈塑

6、性土體，其本構(gòu)關(guān)系不再只是應(yīng)力和應(yīng)變兩者的關(guān)系，而應(yīng)把時(shí)間考慮進(jìn)去，成為應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間三者之間的關(guān)系。因此，有必要應(yīng)用流變學(xué)原理建立軟土的本構(gòu)關(guān)系模型，并研究軟土中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)隨時(shí)間的變化規(guī)律。這是土力學(xué)及流變學(xué)的一門(mén)新興交叉邊緣學(xué)科，具有重大的理論和工程實(shí)踐意義，必將越來(lái)越受到人們的廣泛重視。1．2國(guó)內(nèi)外土流變學(xué)研究發(fā)展現(xiàn)狀1．2．1土的流變學(xué)研究發(fā)展概況流變學(xué)是由化學(xué)、分子物理、固體力學(xué)的邊緣學(xué)科發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科。1922年Bin曲am《流動(dòng)和塑性》名著的出版，以及根據(jù)他的倡議，1929年流變協(xié)會(huì)的

7、成立，標(biāo)志著流變學(xué)成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，掀開(kāi)流變研究的新紀(jì)元。如今，隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，流變學(xué)在各工程和生產(chǎn)領(lǐng)域中得到廣泛的研究和應(yīng)用。50年代以前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者很少注意土體的流變現(xiàn)象。后來(lái)是由于某些巖土工程因流變問(wèn)題而引起事故(如壩、橋、建筑物地基基礎(chǔ)、海堤、邊坡、地下工程圍巖變形)，而引起了科技界的重視。1948年荷蘭GenieE．C．W．A和我國(guó)學(xué)者陳宗基首先開(kāi)始對(duì)土體流變學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的科學(xué)研究，他們應(yīng)用實(shí)心圓柱樣的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，提出Bin曲am粘滯塑性流動(dòng)定律對(duì)立體的適用性。而后，在1953年第三屆國(guó)際土

8、力學(xué)和基礎(chǔ)工程會(huì)議(ICSMFE)上開(kāi)始有了許多關(guān)于土體的流變問(wèn)題的報(bào)告和發(fā)言。這次會(huì)議在關(guān)于土、雪和冰的蠕變問(wèn)題的綜合報(bào)告中提出，由于蠕變變形直接或間接的對(duì)土力學(xué)的所有過(guò)程起作用，因此蠕變問(wèn)題的研究將影響上力學(xué)將來(lái)的發(fā)展。此后，各國(guó)學(xué)者開(kāi)始對(duì)土體的流變問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并取得了大量的成果，使土體的流變學(xué)研究成為一個(gè)新的方向。在以后的第四～十二屆國(guó)際主力學(xué)和基礎(chǔ)工程會(huì)議上，有關(guān)流變的