土體流變性

流變是指物體受力變形中存在的與時間有關的變形特性。土體具有流變性，其常見的流變現象主要包括蠕變、鬆弛、流動、應變率效應和長期強度效應等。通常是採用試驗模型研究這些流變現象，揭示流變規律，建立相應理論及計算方法。

基本介紹

• 中文名：土體流變性
• 外文名：Rheology of soil
• 流變現象1：蠕動
• 流變現象2：鬆弛
• 流變現象3：流動
• 學科：地質科學

釋義

流變是指物體受力變形中存在的與時間有關的變形特性。土體具有流變性，其常見的流變現象主要包括蠕變、鬆弛、流動、應變率效應和長期強度效應等。通常是採用試驗模型研究這些流變現象，揭示流變規律，建立相應理論及計算方法。近年來，由於工程建設的需要，對土工結構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岩土工程界關注的重要熱點問題之一。

流變的研究方法

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

土體流變性質研究可以從微觀、細觀或巨觀表現展開。在微觀層次上，主要藉助電子顯微鏡和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構單元的空間分布及其接觸連線特點等微觀特徵與土體流變性質之間的內在聯繫。國內外學者都開展了大量的研究工作，陳宗基提出了片架結構理論，施斌等建立了微觀力學模型模擬粘性土蠕變，MitchellJK等基於速率過程理論對粘性土的應力－應變－時間關係進行了研究，Bazant等分別運用內時理論建立了正常固結土和橫向同性粘土的粘塑性本構方程。然而，由於粘性土微觀結構的複雜性和定量測試技術的限制，加上一些物理化學性質指標難以測定，使得微觀結構研究只能從理論上做定性分析，很難套用於工程實踐。

在細觀層次，研究土體孔隙水、顆粒及礦物類型、吸附結合水等細觀結構參量與土的流變特性的對應性和相關性，分析土體流變的物質因素、物理機制、力學行為以及流變性質的控制因素及各參量之間的定量關係，目前研究主要集中在孔隙水或結合水、粘土礦物類型和孔隙中的膠體物質對流變性質的影響。

迄今，國內外學者所做的工作大部分屬於巨觀流變學的範疇。它從唯象學觀點出發，假定土是均一體，採用連續介質力學和不可逆熱力學理論，構造直觀的物理流變模型來模擬土的結構和特性，擬合流變試驗結果，建立有關的公式，以定量分析土的流變性質及其對工程的影響。

綜上所述，對於土體流變研究，除了巨觀層次上的研究之外，細觀、微觀和納觀各層次上的研究並未深入開展。因此，進一步探討軟土流變的起因，認清軟土流變的物理本質，改進和完善土體流變分析理論，是今後研究的努力方向。

土的流變機理研究

土的流變機理在於：在骨架應力(有效應力)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，土體變形延遲，即變形與時間有關;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展的趨勢，因此，土體內部應力隨之逐步調整，即應力也隨時間改變。

早在1925年，人們就開始認識到，必須建立一個真實的並能充分反映粘性土或其它材料應力－應變關係的公式或模型，根據其變形的微觀力學在微觀結構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屬於“活化能”的概念。

Bazant等套用速率過程理論建立了一系列土的本構關係模型。施斌進行了速率過程理論在粘性土蠕變模擬中的套用研究，介紹了速率過程理論及其相應的粘性土蠕變模型的推導，選取淮陰三類不同粘性土質開展了蠕變試驗研究，分別製備了各向異性和各向同性的結構試樣，獲得了相應的蠕變性結果，再用速率過程理論模型對試驗結果進行了擬合。結果表明:以速率過程理論為基礎而建立的蠕變模型能有效地模擬不同粘性土質的蠕變過程、趨勢和變形，反映出粘性土土性的本質特點，使土質學和土力學緊密地結合在了一起。

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

土體流變問題的求解

在土體流變研究中，考慮時間因素後，流變問題應力－應變－時間關係的求解比一般的彈塑性問題應力－應變關係的求解更加複雜，流變問題計算方法有待於進一步提高。土體流變問題的解包括解析解和數值解。

解析解

解析解的方法是運用對應性原理，採用積分變換技術，具體的做法是先求得彈性解，然後進行拉普拉斯變換，其中，彈性常數必須用粘彈性本構關係經過拉普拉斯變換得到的粘彈性常數代替，從而得到拉普拉斯變換後的粘彈性解，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，它是基於對代數、微積分等數學原理的套用。由於只有一些簡單和特殊的函式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後的粘彈性解，卻無法得到逆變換的解析解，另外，土流變問題一般比較複雜，因此真正能得到解析解的很少。

數值解

隨著電子計算技術的高速發展，流變問題數值求解方法發展起來。土體流變問題數值解的採用和發展，給土體流變研究的實際套用帶來了生機。數值解採用的基本方法主要有時步粘性初應變法，把粘性應變作為初應變，計算每一時步粘性初應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並求解，逐步進行，最終得到土流變問題的解。至於土非線性流變問題，更是只能用數值解法，一般是採用時步增量非線性疊代法，對每一個荷載增量，通過不斷的疊代，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。土流變問題的數值解所運用的技術主要有有限元法、有限差分法、邊界元法、離散元法、無限元法、流形元法等。

岩土工程數值計算方法的迅速發展，給複雜岩土工程問題提供了更充分的的設計依據。數值模擬技術不僅對現場原型試驗、模型試驗起到替代和補充作用，而且還給室內試驗與實際工程之間架起了橋樑，在岩土工程非線性實驗中顯示出極大的優勢。

然而，岩土的非連續、非均質、各向異性、天然初始地應力及複雜邊界條件等使得計算中採用的流變本構關係很難準確把握，並且岩土體的物理力學參數的準確確定也成為問題求解的瓶頸。