濱海軟土蠕變規(guī)律的探討

濱海軟土蠕變規(guī)律的探討

1土體模型理論和非線性重塑性沿海地區(qū)的大多數(shù)項(xiàng)目建筑都建在沿海地區(qū)的脆弱層上。軟土主要是指海岸上相互交織的土壤和土壤的粘土。由于其成因、物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的特殊性能，它表現(xiàn)出高度收縮、低強(qiáng)度等力學(xué)特性。研究證明，濱海軟土不僅具有上述力學(xué)特性，還具有明顯的流變性，并且越來(lái)越受到工程界的關(guān)注。濱海軟土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不只與時(shí)間有關(guān)，還與當(dāng)時(shí)所受的應(yīng)力水平有關(guān)，其流變性呈非線性特征。對(duì)于土體的彈塑性變形行為，已經(jīng)有比較成熟的模型和理論描述之；而研究反映剪切流變特性的粘彈塑性行為的模型和理論則相對(duì)較少。目前，描述巖土體蠕變特性大致采用兩種途徑：一是采用模型理論，即采用基本元件來(lái)表征土體的某些力學(xué)性質(zhì)，例如，用“彈簧”模擬土體的彈性，用“粘壺”模擬土體的粘滯性，用“滑塊”模擬土體的塑性，通過(guò)這些元件的不同組合來(lái)反映土體的粘彈塑性特性。模型的概念直觀、物理意義相對(duì)明確，但多元件的組合，本構(gòu)方程相對(duì)復(fù)雜，參數(shù)增多，給應(yīng)用帶來(lái)不便。實(shí)際模型理論往往只能描述巖土體線性蠕變規(guī)律，對(duì)于具有非線性蠕變特征的濱海軟土，模型理論的方法就顯得適應(yīng)性較差。二是采用經(jīng)驗(yàn)理論，即根據(jù)土體的試驗(yàn)結(jié)果而抽象的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系，對(duì)于不同的土、不同的試驗(yàn)條件，可有各不相同的經(jīng)驗(yàn)公式。本文根據(jù)已有的研究成果，選擇我國(guó)不同地區(qū)的3種濱海軟土對(duì)其剪切蠕變規(guī)律進(jìn)行了研究，試圖尋求一種合理描述濱海軟土的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系的模型。2軟土壤侵蝕試驗(yàn)的結(jié)果2.1基本物理力學(xué)指標(biāo)采用3種不同地區(qū)的濱海相沉積的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土在不同固結(jié)壓力下進(jìn)行了三軸剪切蠕變?cè)囼?yàn)。3種軟土的基本物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。圖1(a)，圖2(a)，圖3(a)分別為3種軟土的實(shí)驗(yàn)室不同應(yīng)力偏差的蠕變曲線。由圖可見(jiàn)，軸向應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系在lnε-lnt坐標(biāo)系中呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，并且在不同應(yīng)力偏差下的lnε-lnt關(guān)系幾乎是相互平行的直線；當(dāng)應(yīng)力偏差較小和較大時(shí)，這種特性稍差。2.2濱海軟土的模型線圖1(b)，圖2(b)，圖3(b)分別為3種軟土不同固結(jié)壓力下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(對(duì)應(yīng)于圖1(a)，圖2(a)，圖3(a))。由圖可見(jiàn)，應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線不是直線，而是一簇相似的曲線。由此說(shuō)明，濱海軟土的蠕變性具有非線性的特征。圖4為對(duì)這些等時(shí)曲線的歸一化處理，表明應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線可以用一雙曲線函數(shù)來(lái)描述。3應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系在表征土體蠕變特征的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，最典型的是Singh-Mitchell經(jīng)驗(yàn)公式，即式中：ε&為應(yīng)變率；Sl為剪應(yīng)力水平；t1為參考時(shí)間；A，α和m均為常量參數(shù)。對(duì)于m≠1的情況，對(duì)式(1)積分可得由式(2)可見(jiàn)，當(dāng)時(shí)間t為常數(shù)時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為指數(shù)型。根據(jù)上述濱海軟土試驗(yàn)結(jié)果，用雙曲線型函數(shù)來(lái)描述應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系更為適合(圖5)。Mersi等也曾建議將雙曲線型代替指數(shù)型。對(duì)于上述濱海軟土的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系，將式(2)改為對(duì)t=，有對(duì)于ε0=0，式(4)可寫成試驗(yàn)資料表明，式(6)可以描述濱海軟土的蠕變行為。上述應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系中，只有C,b和n3個(gè)參數(shù)。C,b反映土的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征以及應(yīng)力歷史對(duì)變形與強(qiáng)度的影響；n則反映應(yīng)變速率的大小。由式(6)可見(jiàn)，參數(shù)C和b可從t=1t時(shí)的(σε/S)-ε直線關(guān)系圖中得到；參數(shù)n則可根據(jù)蠕變曲線得到，它是雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中的直線的斜率。上述3種軟土在不同應(yīng)力差下的n值列于表2。4模型的n值選取3種濱海軟土蠕變模型參數(shù)C和b可從圖6中得到。n取蠕變曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中直線的斜率，不同應(yīng)力差，其直線的斜率相似，取其平均值作為模型中的n值。這樣，可得到3種濱海軟土的蠕變模型，分別為5濱海相軟土的動(dòng)態(tài)平均系統(tǒng)模型濱海相沉積的軟土具有非線性蠕變的特性，將Singh-Mitchell蠕變模型中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系修正為雙曲線型是合適的，文中建議的蠕變模型可用來(lái)描述濱海相軟土的蠕變行為。上述模型只有3個(gè)參數(shù)，并且容易確定，既簡(jiǎn)單又實(shí)用。以上成果對(duì)濱海軟土蠕變規(guī)律的研究是初步的，有待對(duì)其他地區(qū)更多的