1.2.3 土体流变特性的研究现状

流变性是指在外荷载不变的情况下, 随着时间的推移, 土体的变形还会继续增加的性质。流变性与土体的应力变化、变形和强度有密切的关系, 是土体的重要工程性质之一。应该指出, 土体的流变性是绝对的, 但其显著程度与其微观结构有着密切关系, 特别是片架结构的软土, 往往具有比其他土体更明显的流变性, 应该予以重视。越来越多的工程实践表明, 软土的流变性对建筑物地基的长期沉降、挡土墙的位移、斜坡和边坡的稳定性、隧道的地表沉降及变形等有重要影响。有关土体流变系统的科学研究始于荷兰。当时荷兰的Vlaggeman大桥、Zuiderze海堤及铁路软土路基因为土体流变性而发生破坏, 从而引起荷兰科学家Geuze E C W A和当时在荷兰工作的我国学者陈宗基的重视, 但由于当时的理论模型、试验技术和计算方法十分复杂, 土体流变的研究进展非常缓慢。随着计算机、测试技术及土力学学科整体水平的提高, 有关土体流变性的研究取得了大量的成果, 在数届国际土力学和基础工程会议上出现了许多关于软土流变问题的报告, 使软土的流变学在国内外成为一个热门的研究领域。下面简要回顾软土流变的理论研究和分析方法的发展动态, 将软土流变的研究归纳为四个研究层次：“宏观、细观、微观和纳观层次” (谷任国, 2007)。

1. 宏观领域研究现状

(1)流变理论。

土体流变宏观层次的基本理论有蠕变曲线和等时曲线的相似性原理、线性黏弹性变形理论、遗传蠕变理论和技术理论等 (维亚洛夫, 1987)。

① 蠕变曲线和等时曲线的相似性原理。

土体蠕变的规律性可以写成应变速率或应变、应力与时间之间的关系式。对应于各应力作用下的应变-时间关系曲线称作蠕变曲线, 而对应于不同时间的应力-应变曲线称作等时曲线。

一般来说, 等时曲线有三种类型—全部不相似曲线、除t=0的曲线外的彼此相似曲线、全部相似曲线。类似地, 蠕变曲线也可分为以上三种类型。受土体本身、温度、湿度、仪器等条件的影响, 蠕变试验数据通常有一定程度的离散性, 蠕变曲线和等时曲线一般是难以全部相似的, 但只要在本质上不歪曲试验结果的前提下, 可假定曲线全部相似。该相似性原理为以后的各类流变模型的建立奠定了理论基础。

② 线性黏弹性变形理论。

线性黏弹性变形理论是最早的流变理论之一, 根据土体的弹性和黏性的共同表现而得出的。Maxwell为了描述应力松弛现象首先提出黏弹性方程,后来Kelvin和Voigt提出了描述弹性后效现象方程。线性黏弹性变形理论的概念直观、简单, 可以全面反映软土的蠕变、应力松弛、弹性后效和滞后效应。

流变动态方程将应力、变形与速率和时间以隐式或显式的形式联系起来。方程的类型取决于所采用的假设。蠕变理论不同, 假设亦不一样。线性黏弹性变形理论广泛采用模型来模拟土体流变特性, 把流变特性看成是弹性、黏滞性和塑性的联合作用结果, 形成了弹簧、黏壶与摩擦元件等各种元件模型及其组合 (孙钧, 1999)。

③ 遗传蠕变理论。

遗传蠕变理论源于著名的Boltzmann叠加原理: 过去某时刻加上的荷载到任一时刻t引起的变形, 等于各个互不相干的荷载到时刻t引起的变形的总和。该理论考虑了荷载的遗传、荷载的可变性、卸载、材料老化等因素, 为流变积分模型奠定了理论基础, 并为蠕变试验中的分级加载方式提供了依据。在随时间变化的荷载作用、复杂的加荷条件、必须考虑卸载的情况及软土的特性改变时, 应该采用遗传蠕变理论。

④ 技术理论。

技术理论的状态方程将变形、变形速率和时间以显式直接联系起来,根据表达形式的不同, 可以分为老化理论、流动理论和硬化理论。

(2)土体流变的本构模型。

土体流变的本构模型, 多是从金属等固体材料及流体的流变模型移植而来的, 再结合土体的流变特性加以选择和改进, 很多学者往往用流变模型来解释土体的各种特性。土体的流变性质研究分微观和宏观两方面, 前者着重从岩土的微观结构研究岩土具有流变性质的原因和影响岩土流变性质的因素, 只能做定性分析。后者则假定岩土是均一体, 采用直观的物理流变模型来模拟土的结构, 通过模型的数学力学分析, 建立有关的公式,定量分析岩土的流变性质及其对工程的影响。因此, 土体流变的本构模型可以分别从土体流变的微 (细)观和宏观表现出发来建立, 或把二者结合起来建立。为了便于总结, 此处将宏观和微细观模型一并进行了简要回顾。

胡华等 (2008)提出动态黏弹塑性流变力学模型、流变方程及参数计算公式, 揭示了动载作用下淤泥质软土的动态流变特性及流变参数影响的变化规律。李兴照等 (2007)建立了一个边界面黏弹塑性本构模型, 将滞后变形分为体积蠕变和剪切蠕变两部分, 可描述正常固结土与超固结土的流变。陈晓平等 (2003)建立了非线性弹黏性固结模型, 指出软土在任一时刻的变形都可分解为瞬时变形和蠕变变形, 变形的时效性由固结特性和黏滞特性共同决定。陈洋 (2000)根据上海地区软黏土的流变特性提出了一种线性黏弹-黏塑性流变模型, 对上海软黏土深基坑开挖进行了模拟。李军世等 (2000)引入Mesri蠕变模型与Singh-Mitchell应变速率-时间关系方程, 结合上海淤泥质粉质黏土的室内试验, 得出土体蠕变模型。

土体流变的微细观本构模型的建立, 一般是从土体的微细观角度来研究的, 认为土体的流变特征是因土骨架引起的。根据土体微观构造的变化机理, 运用连续力学理论, 或借用金属、晶体的微观理论 (如位错理论),结合土体流变的宏观表现来建立土体流变的本构模型, 如速率过程理论、内时理论等。速率过程理论就是借助物理化学理论来描述土体流变时内部的分子热运动。Keedwell M J (1984)运用速率过程理论预测土体的流变特性; Vyalov S S (1986)运用速率过程理论推导了软土的非线性流动方程。内时理论最初由Valanis提出, 是用一系列代表物质不可逆变形的内部机制的变量即所谓的内变量, 来反映物质变形的某些特征, 通过这些内变量的演化规律, 运用连续介质力学理论来建立流变本构关系。Bazǎnt Z P等 (1979)、Adachi T等 (1998)、李建中等 (2002)运用内时理论对砂土、黏土和软岩的流变进行了研究, 得到许多有益的成果。内时理论大多数应用于循环和振动加载的研究, 尤其是砂土的液化和动本构特性, 对于相对静止的流变现象则应用较少, 而且就其在土的动本构特性的研究现状来看, 还只是初步的。从土体的微细观结构出发建立的流变本构模型具有深远意义, 它不仅能反映土体流变的宏观特征, 还能揭示土体流变的内部机理。

各类模型都有其自身的特点和适用范围, 基于岩土流变模型的研究现状, 可将流变模型分为4类: 元件模型、屈服面模型、内时模型和经验模型。元件模型较适用于岩石, 屈服面模型适用于软土, 内时模型适用于循环与振动加载, 经验模型适用于实际工程 (袁静等, 2001)。

(3)土体宏观流变试验。

土体宏观流变试验可分为现场流变试验和室内流变试验。

现场流变试验是在实际工程中测试土体的流变数据, 如地基长期强度、基坑开挖后其侧壁朝向基坑临空面的位移、边坡的位移等。有学者在十字板剪切仪的基础上, 将变形观测部分改进而成十字板流变仪, 用于现场测量软土的长期强度参数。

在室内流变试验中, 蠕变试验 (或应力松弛试验)有分别加载 (或加应变)和分级加载两种做法。分别加载需要对多个土样同时进行长期试验, 一般难以实现, 目前国内外土体室内流变试验多用单个土样进行分级加载。夏明耀等 (1989)在K0固结仪上对土体静止侧压力系数在加载固结条件下的历时变化规律及在重复加卸载情况下土体固结变形规律进行试验研究。侍倩 (1998)对上海地区饱和软黏土的单向压缩、单向剪切、三向剪切的蠕变特性进行了试验研究, 得出饱和软黏土的蠕变特性并拟合出蠕变经验方程。谢宁等 (1996)对上海地区几种典型的饱和软黏土进行了蠕变和应力松弛试验并总结出其流变特性, 最后建立了反应蠕变和应力松弛统一的非线性流变本构关系, 讨论了土体的长期强度问题。李军世(2001)应用Mesri应力-应变-时间关系函数描述了黏土的蠕变-应力松弛耦合效应, 并将数值计算结果与土样的蠕变-应力松弛耦合试验结果进行了比较。朱长歧等 (1990)在自行设计的应变式单剪仪上进行了长达494天的单剪蠕变试验, 结果表明固结压力对变形破坏有着决定性的影响。Day R W等 (1996)对压实黏土斜坡进行地下勘探和现场测试, 并对压实黏土做了室内试验, 从而探讨了压实黏土软化与蠕变的规律及其影响因素。孙钧针对上海地区软土的流变问题进行深入的理论分析和系统的试验研究, 为上海地区软黏土流变问题的进一步研究提供了基础和方向。值得一提的是, 谷任国等 (2006, 2009)对常用的土体直剪蠕变仪进行了适当改进, 增加了试样保湿装置, 并把剪切位移的测量精度从10 μm提高到1 μm。并在后续的研究中探讨了矿物成分和有机质对软土流变性质的影响, 得出有机质对软土流变性质的影响较膨润土等黏土矿物要显著的结论。

概括来说, 宏观层次上软土流变性质的研究是在蠕变、应力松弛等力学试验的基础上, 通过数学、力学的推导及解析, 综合各条件下所表现的流变现象, 得到了软土流变的方程式, 但宏观分析研究的局限性在于不能深入认识土体流变的机理。为此, 学者们将软土流变的研究深入到了微细观层次, 以土体的微细观构造的变化和机理来推导出土体的流变特性, 提出了许多微结构模型和新概念, 对土颗粒结构的空间重排列的研究也有了进展。

2. 微细观领域研究现状

(1)微观领域研究现状。

土体微观结构研究始于Terzaghi在1925年提出的土的微观结构概念。Casagrande发展了Terzaghi的蜂窝结构, 提出了蜂窝结构中基质黏土和键合黏土的概念。陈宗基 (1958)通过对黏土的微观分析, 提出了片架结构理论。20世纪60年代后期, 由于扫描电子显微镜等先进仪器的应用, 土的微观流变学得到了飞速的发展。在对土颗粒的排列、结构连结特征等有了更客观的认识基础上, 出现了土体的各种结构模型,如Pusch和Bowles的集聚体模型、Obrien等的梯形排列片架结构模型、高国瑞的黄土粗粒架空结构模型等 (施斌, 1996)。Dafalias Y F (1982)通过对土体的微观分析, 提出了一系列具有明确微观物理意义的内变量qn (n=1, 2, . . .)。这些研究都定性地描述了土体的物质组成和结构特性对其流变特性的影响。

在微观结构定性分析取得进展的同时, 定量化分析技术也得到了较大的发展, 学者们开始采用X光衍射和偏光显微镜对黏土矿物进行定向性的研究。如Borodkina等 (吴义祥, 1991)应用X光衍射法、磁法分析了黏土微观结构的定向性。吴义祥等 (1992)对土体微观结构的研究方法进行了总结。

土体的流变形状的动态微细观试验研究受光学显微镜或电子显微镜对试样制作的要求及加载条件等的限制, 这方面的工作开展比较困难。陈冬元 (1993)自行制作了简易加载装置, 用高倍光学显微镜观察黏土蠕变的动态过程。吴紫汪 (1997)通过观测冻土在单轴及三轴蠕变过程中的细观结构, 发现蠕变过程中结构缺陷的增生与扩展制约着土结构的强化与弱化作用, 控制着蠕变变形形态特征。滕军林等 (2007)对福州原状软土和重塑土进行流变试验, 借助SEM图像技术从微观角度分析了流变机理, 总结出软土变形主要分为弹性变形阶段、黏塑性变形阶段和流变阶段。

黏土独特的变形性质与颗粒组合形成的结构密切相关, 黏土结构的形成和改变又取决于颗粒之间、颗粒与孔隙水之间各种作用力的相互影响(何开胜等, 2003)。20世纪土力学研究中的一个根本性的创新就是土质结构的微细观研究与宏观力学特性的结合, 但这方面的研究仍然处于初步阶段, 还有很多问题亟需解决。

(2)细观领域研究现状。

软土流变的细观层次研究至今仍很少, 主要集中在孔隙水或结合水与流变性质的相关性研究, 还未出现基于细观层次的流变模型。根据孔隙水与土颗粒连结的特点, 可分为吸附结合水 (强结合水)、渗透吸附结合水(弱结合水)、自由水 (李生林, 1982)。结合水是影响软土流变性的重要因素。

谷任国等 (2009)通过直剪蠕变试验研究了有机物和黏土矿物对软土流变性的影响, 指出强结合水是影响土体流变的主要因素, 而弱结合水则是次要因素。Mitchell J K (1993)观察到高含水量的土样比低含水量的土样流变现象更明显。何俊等 (2003)对天津和杭州的海积软土在不同固结压力下进行剪切蠕变试验, 结果表明黏滞系数与压力呈线性递增关系, 并认为压力的改变导致土体中结合水膜厚度的改变, 相应引起黏滞系数的改变。胡华 (2005)利用圆桶旋转式流变仪分别对含水量为24%~30%的软土试样进行了剪切蠕变试验, 指出初始剪切力和塑性黏度分别与含水量呈近似线性递减关系。汤斌 (2004)对含水量为46.9%~66.6%的武汉软弱淤泥土分别进行了三轴排水和不排水固结蠕变试验研究, 分析认为排水条件、初始含水量及应力水平能显著影响试样的蠕变特性。

上述学者的研究成果均表明, 结合水对土体流变特性有重要影响; 在一定含水量范围内, 土的黏滞系数随结合水的含水量 (膜厚度)的增加而减少[68]。