滨海软土非线性蠕变特性的试验研究

 合理描述滨海软土的蠕变规律对于软土地区各类建(构)筑物的长期稳定性和运行安全性是十分重要的。利用单向固结仪和改进的直剪蠕变仪,开展不同加荷方式下滨海软土的蠕变试验,获得应变与应力和时间的关系,分析其蠕变性状的结构性效应和影响因素,建立相应的蠕变模型。试验结果表明,天津滨海软土具有明显的非线性蠕变特性,其蠕变变形演化特征受其结构性制约和影响。在低应力水平条件下,软土蠕变量非常低,双对数应变–时间关系曲线存在明显的转折点;在高应力水平条件下,蠕变速率较高且产生很大的瞬时蠕变量;实施预压荷载作用不仅降低了软土最终的蠕变量,同时也影响到主、次固结的分界特性。采用修正的对数型表达式能较好地拟合滨海软土的瞬时弹性应变、衰减蠕变和稳定蠕变阶段。滨海软土的剪切蠕变变形在低应力水平下呈现出折线特性,而高应力条件下可近似为线性特性,其剪切模量随时间呈现减小趋势,随应力呈现先增大后减小的趋势,而黏滞系数随时间和应力呈现线性增大趋势。     

软土蠕变特性研究及在工程中的应用

通过试验研究了软土的应力-应变-时间关系,建立非线性模型分析了软土的蠕变工程特性,结合上海地区软土特性,认真研究软土的蠕变规律对软土地基工程十分重要。     

海相软土三轴剪切蠕变特性及模型研究

通过对在不同排水条件下的海相软土进行三轴剪切蠕变试验,研究上海海相软土的剪切蠕变特性和计算模型。试验结果表明:不排水时,在低应力水平(小于60%)下试样变形增量差异较小,应力水平达到一定时(大于80%)产生大量瞬时变形和蠕变变形,孔隙水压力经历了瞬时急剧上升后下降、然后再缓慢上升的过程,应力-应变关系为非线性;排水时,各级应力水平下产生的变形增量差别不大,孔隙水压力经历一段时间上升后持续下降,最后趋于稳定,孔隙水压力持续上升时间约10 min,应力-应变关系近似为线性;两种排水条件下的ε-lnt曲线均呈平行曲线。建议应力-应变关系采用幂函数表示、应变-时间关系采用双曲线型函数表示,以建立适用于不同排水条件下的软土蠕变方程。该模型能较好地描述应力水平不超过80%的不排水和排水条件下上海软土的三轴剪切蠕变行为。     

软粘土路基三轴蠕变特性试验及模型研究

针对软粘土路基累积蠕变沉降变形的特点,开展可塑土、软塑土路基开展三轴固结不排水蠕变试验,确定软粘土路基抗剪强度,得出不同围压下软粘土破坏偏应力,为三轴固结不排水蠕变试验分级加载提供依据。鉴于软粘土非线性蠕变特性比较明显,以围压100 kPa下软粘土的蠕变试验为例,结合最小二乘法的拟合分析,建立了以幂函数为应力-应变关系,以双曲线函数为应变-时间关系的蠕变方程。该蠕变力学模型能够更好地反映和预测竹城公路软土蠕变特性。     

修正广义Kelvin蠕变固结模型研究

软土变形的时效特性产生于蠕变和固结,但蠕变和固结基于不同的变形机制,因此研究蠕变固结耦合效应的计算模型对于软土工程来说是十分重要的。采用将非线性本构模型和Biot固结模型耦合的方法,建立修正的广义Kelvin蠕变固结模型,即非线性弹-黏弹固结模型。首先,根据软土室内试验成果分析变形机制和应变随应力和时间的变化规律,找到函数拟合关系;其次,将Duncan模型和修正的广义Kelvin模型相结合,建立描述上述函数拟合关系的本构模型。然后,将该本构模型代入Biot固结理论的平衡方程,并提出基于非线性变形特征的蠕变固结模型。该模型共有14个模型参数,包括8个Duncan参数,均可通过常规三轴试验确定。通过一个实际工程的计算,完成该模型的计算流程,并对计算结果进行分析和比较,验证所建模型的有效性,探讨软土蠕变对地基中孔隙水压力及应力水平的影响,在此基础上获得一些有益的结论。研究结果表明,采用修正的广义Kelvin蠕变固结模型进行软土变形特性分析是一种合理的方法,具有模型机制明确、参数确定方法简单的优点。另外,虽然蠕变和固结都会给工程带来工后沉降问题,但两者对工程的影响是不一样的,改善地基的排水条件可弱化蠕变效应并提高工程的安全度。     

压实红黏土三轴蠕变特性试验及模型研究

利用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪对中石油云南石化铁路专用线高填方路基的压实红黏土进行了一系列三轴蠕变试验,着重研究了压实红黏土在不同围压、不同应力水平以及不同排水条件下的蠕变特性。结果表明:围压、应力水平和排水条件对压实红黏土的蠕变特性均有显著影响;压实红黏土总体呈现衰减蠕变特征;不排水情况下得到的应力-应变等时曲线具有明显的非线性特征,且曲线成一曲线簇,具有“归一化”现象,而在排水情况下则呈一定线性关系;并根据应力-应变曲线确定了压实红黏土的长期强度为瞬时强度的0.54~0.72倍。基于不排水蠕变试验数据,建立适合该地区压实红黏土的经验蠕变模型,通过与Burgers模型对比发现,该模型参数少、易获取,且对试验数据拟合效果优于Burgers蠕变模型。     

岩石试件非线性蠕变模型及其稳定性分析

以改进的西原正夫模型为基础，利用岩石全过程应力．应变曲线与蠕变方程中参数的对应关系，建立参数非线性蠕变模型。通过对非线性蠕变模型和蠕变曲线的分析，把非线性蠕变问题通过局部线性化，得出了改进的西原正夫模型的稳定性条件，较好地反映了岩石试件的3阶段蠕变过程，尤其是非线性加速蠕变变形；同时，得出岩石试件蠕变稳定性的判别准则和蠕变变形、蠕变速率和蠕变加速度的解析表达式。     

滨海软黏土加速蠕变特性试验研究

为了研究滨海软黏土加速蠕变特性,采用典型的滨海相软黏土进行室内蠕变和加速蠕变试验,研究不同围压、加荷比、振动频率、动应力比对软黏土蠕变特性的影响,并通过对比得出了不同试验条件下滨海软黏土的加速蠕变的变化规律。试验结果表明:滨海软黏土具有非线性应力–应变关系的流变特性,其蠕变试验曲线呈衰减型,蠕变变形大部分应变量发生在蠕变前期,变形随时间增长趋于一个定值;静载作用下,围压越大初始蠕变速率越大。初始加荷压力一致,加荷比越大破坏应力越小。循环动荷载作用下,应变在动荷载阶段变化缓慢,而动荷载结束后进入稳定阶段后应变发生突变,急剧变大最后趋于稳定;此外在不同振动频率和动应力比下试样承受荷载等级不同,均存在一个临界安全荷载,超过这个临界值试样会发生蠕变破坏现象。     

软土蠕变-固结特性及计算模型研究

根据国内外研究动态和实际工程的迫切需求，对软土蠕变—固结特性、计算模型、模型的数值求解方法和工程应用等进行了系统的研究，探讨了土工应力—应变模型、流变模型和固结模型的耦合机理，建立了实用的非线性弹粘性固结模型。研究表明，软土在任一时刻的变形都可以分解为瞬时变形和蠕变变形，其中，瞬时变形也呈现比较明显的非线性特征；土体变形的时效性由固结特性和粘滞特性共同决定，应力水平低时以固结变形为主，反之，土体的变形主要来源于剪切蠕变；土体的蠕变变形与孔隙水压力的消散有关，在同样的条件下，土体渗透性越差，蠕变变形越大；对于有厚度的土层，土体的次固结是在主固结过程中同时发生：土的蠕变对应力和应变的影响程度取决于土体的排水条件，当地基排水不良时，应力水平将随时间增高，变形计算中若不考虑蠕变特性将可能忽略地基潜在的失稳趋势。所以，考虑蠕变特性不仅是对计算结果的修正，而且是对工程安全性的重新评价。通过对有代表性的实例的计算和分析，验证了计算模型的合理性和结论的正确性。     

上海淤泥质粘土的Mesri蠕变模型

通过引入Mesri模型,即采用双曲线型应力应变硬化模型描述土体的弹塑性性质,采用Singh-Mitchell应变速率-时间关系方程描述土体的蠕变特性,结合上海淤泥质粘土的有关室内试验,分析并得出了上海淤泥质粘土的蠕变型式.模型具有参数少、适用性强的特点.     

基于分数阶导数的冻土蠕变本构模型

冻土的蠕变特性与所受应力水平及蠕变应变有关,在高应力水平下会表现出加速蠕变特性。本文在分数阶的非线性黏壶基础上提出了可以描述加速蠕变特性的应力-应变双控元件。传统Nishihara模型难以描述加速蠕变,通过将Nishihara模型中的黏弹性体替换为分数阶的Abel黏壶,将黏塑性体替换为提出的应力-应变双控元件,得到了冻土的一维蠕变本构模型,并将其推广到三维应力状态。提出的模型对冻土的单轴和三轴蠕变试验数据进行了预测分析,和传统Nishihara模型相比,该模型只增加了一个参数,不仅能够反映冻土在低应力水平下冻土衰减蠕变和稳定蠕变特性,而且还可以较好地反映冻土在高应力水平下加速蠕变规律。说明了该模型对于描述冻土在不同应力条件下不同蠕变状态的适用性。     

电阻率模型理论应用于海相软土蠕变研究

通过试验测试,建立连云港海相软土电阻率结构模型,并尝试应用此模型来定量分析软土蠕变过程中的微结构变化规律,运用所测得的软土电阻率参数预估软土蠕变量。通过电阻率测试结果,研究并推导出海相软土受荷时的蠕变与其微结构之间的内在相关式,并运用电阻率结构综合因子M较好预估蠕变量。将电阻率结构模型理论引入到软土的微结构量化研究,将从根本上克服传统的土结构性研究方法的弊端,大大提高土结构指标测试的可操作性和一致性,为定量描述受荷时软土蠕变过程中的微结构变化规律、预估软土蠕变提供一种新途径、新方法。     

深圳海积软土的三轴不排水蠕变特性与经验型模型

软土变形的时效性会使修建在软土地基上的建筑物产生不容忽视的工后沉降,因此揭示软土蠕变的规律,对软基工程具有重要意义。通过对深圳湾海积软土进行不同固结压力下的三轴固结不排水蠕变试验,以论证海积软土的蠕变特性,建立可描述软土蠕变特性的本构模型。结果表明,深圳具有非线性蠕变特性,应力水平越高,非线性特征越显著,剪切蠕变特征越复杂,其蠕变性状受固结压力,剪应力水平显著。在工程中应尽可能加大固结压力,加速土体的固结排水作用,可减小因蠕变影响对建筑物带来的危害。研究还表明,Singh-Mitchell经验型模型具有参数少,适用性强的特点,可较好地反映和预测深圳海积软土的蠕变特性。     

三峡库区泥质粉砂岩非线性蠕变模型辨识

 针对三峡库区泥质粉砂岩非线性蠕变模型,提出一种可较好描述该类岩石蠕变特性的非线性黏弹性模型,并反演获得模型参数。基于非线性流变力学理论,在T2b2泥质粉砂岩应力–应变关系研究基础上,首先提出一种修正的Kelvin模型并建立该模型蠕变方程;将一种可用阶跃函数表示的开关元件与牛顿体并联建立修正牛顿体,然后将修正牛顿体、修正Kelvin体、Hoek体串联得到可描述岩石非线性蠕变特性的mBurgers模型。最后基于非线性最小二乘理论,结合T2b2泥质粉砂岩单轴蠕变试验结果,对mBurgers模型参数进行回归反演,将反演得到的参数代入模型进行计算,得到的理论曲线与试验曲线相比吻合较好,表明mBurgers模型能较好地描述T2b2泥质粉砂岩的单轴蠕变特性。     

苏州软土蠕变特性的参数研究及其有限元应用

为探讨苏州地铁一号线沿线软土地层的蠕变特性及其对盾构隧道长期沉降的影响,对该区土样进行三轴试验和一维蠕变试验。引入关口-太田模型(S-O模型)描述苏州土依赖时间的本构关系,结合有限元程序GLEAVES对试验进行数值模拟,并验证模型及程序的可靠性。最后对苏州地铁长期沉降作一算例分析。研究表明:苏州地铁沿线土层有明显的蠕变效应;引入S-O模型的GLEAVES程序较好地模拟出苏州土本构关系;为控制隧道的长期沉降,应严格控制盾构顶推力。     

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

 引进岩石时效强度理论及Kachanov损伤理论,建立以时间变量表示的岩石损伤表达式,并将其与岩石黏塑性流变参数相联系,建立包含加载时间、加载应力等变量在内的岩石黏塑性流变参数非线性表达式,代入西原模型后即建立非线性黏弹塑性蠕变模型。当岩石受到的应力大于岩石长期强度时,岩石即出现损伤,岩石内部的微结构发生变化,岩石的黏塑性流变参数将随时间非线性变化。将建立的模型编入有限元计算程序,并进行数值试验,结果表明所建立的非线性黏弹塑性蠕变模型,可以统一描述软岩和硬岩的蠕变破坏过程,既可以描述软岩在加速蠕变阶段的渐变破坏过程,又可以描述硬岩在加速蠕变阶段的陡然破坏过程,具有广泛的适应能力。将大理岩、盐岩的蠕变破坏试验结果与计算模拟结果进行对比,两者基本吻合,从而验证了模型的正确性。这些成果表明所建模型将具有良好的应用前景。     

三轴蠕变试验中云母石英片岩蠕变参数的研究

 通过三轴蠕变试验得到云母石英片岩蠕变参数--弹性模量与黏滞系数的变化规律,弹性模量在屈服点前后的变化规律不同,对应不同应力水平的黏滞系数–时间关系有3种类型。采用电子显微镜对云母石英片岩三轴蠕变的3个阶段--未受力阶段、即将出现加速蠕变阶段和破坏阶段的径向切片、轴向切片进行观测,获得云母石英片岩中主要矿物在三轴蠕变过程的微观结构变化。根据云母石英片岩三轴蠕变过程的微观结构变化对蠕变参数的变化规律进行合理解释。研究表明,云母石英片岩三轴蠕变过程中蠕变参数的变化规律与其微观结构变化之间有良好的对应性,蠕变参数在宏观上的变化是其内部微观结构变化的外在表现。最后,建立能真实反映蠕变参数变化规律的函数形式,并以此为基础得出蠕变模型,可作为描述岩石加速蠕变阶段的途径之一。