软土流变模型研究综述

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1、软土流变模型研究综述　　摘要：土的流变模型的建立是土的流变学研究的重要内容，只有建立正确的土流变模型，即应力、应变和时间三者之间的关系，才能充分、准确描述土的流变特性。流变理论发展到现在，土的流变模型数目众多。本文介绍了软土的微观流变模型及宏观流变模型中的线性流变模型和非线性流变模型，在线性模型基础上针对其局限性进行改进和修正，仍是软土流变模型研究的重要方向。　　关键词：软土；微观流变模型；元件模型；经验模型；半理论半经验模型　　1引言　　软土的流变现象由蠕变、长期强度、应力松弛、弹性后效和滞后效应等四项内容构成。土的流

2、变模型是反映土的流变特性及其变化过程的力学模型，表示形式一般为应力-应变-时间的关系。准确地描述土的流变特性需要建立正确的土的流变模型，因此土的流变模型在土的流变学研究中非常重要。　　2微观流变本构模型9　　土的微观流变本构模型通常是从土的内部微观角度出发，认为土颗粒骨架的微观变化引起流变，基于连续介质力学理论或者借用描述金属的微观理论，根据土微观结构的变化规律，同时结合土流变宏观表现，从而构建起反映土体流变特性的应力-应变-时间本构模型。国外对土微观流变模型的研究起步较早，Mitchell[1-2]（1964，1969

3、）、[3-4]（1975，1985）、Vyalov[5]（1986）分别运用速率过程理论推导了土的流变本构方程。国内施斌等[6-7]（1997，2002）根据速率过程理论、塑性滑动理论，结合虚功原理，从土的微观角度建立了各向异性黏性土蠕变的微观力学模型，并给出了模型的数值解。周翠英等[8]（2008）采用图像处理技术对软土微观结构进行研究并提取相应参数，通过分析荷载、变形和强度与软土微观结构参数之间的关系，构建了能反映软土微观结构的沉降计算模型。扈胜霞[9]（2013）通过预压作用下软土三轴试验前、后的微观结构试验，建立

4、了基于软土微观结构的弹黏塑性（EVP）蠕变模型。总的说来，从土的微观结构出发来建立土的流变模型，不仅揭示土流变的内部机理，还能反映土流变的宏观特性，因此对软土流变模型的发展具有重要意义，但软土微观流变模型的研究还处于发展阶段，在实际中较少采用。　　3宏观流变本构模型　　从土的宏观角度出发来建立土流变模型，这方面国内外学者做了大量研究。土体宏观流变模型可分为线性流变模型和非线性流变模型。　　3.1线性流变模型　　元件模型是是众多线性流变模型的一种，在实际中广泛采用。它由一些基本流变元件，如虎克弹簧、牛顿黏壶、圣维南刚塑体等

5、来模拟土体线性黏弹塑性状，利用上述基本元件的并联或串联进行不同组合，从而形成线性流变模型。9　　常见的二个基本元件或3个基本元件组成的元件体如Maxwell体、Kelvin体、标准线性体、广义Bingham体等，上述元件体虽然可以描述一定的土体介质材料的流变特性，但在定量描述的准确性上存在一些局限性，因此，便出现了由上述若干个元件体和基本元件组合而成的广义模型，常见的有Wiechert模型、广义Kelvin模型、广义Burgers模型、西原模型、村山塑郎模型等。国内外众多学者对此方面进行了研究。如Taylor[10]（1

6、940）在固结分析中利用Kelvin模型考虑了土的黏弹性。Gison[11]（1961）采用Merchant模型来模拟土骨架的黏弹性变形。赵维炳[12]（1989）采用Laplace变换推导了广义Viogt模型描述饱和黏弹性土体一维固结问题的普遍解答。汤斌等[13]（2004）采用黏弹-黏塑组合蠕变模型计算次固结变形。吴波等[14]（2008）选择了广义Kelvin来描述软土的流变特性。邵勇等[15]（2012）根据三轴试验结果分别采用K-B、S-6、K-S等3个流变模型来描述苏州湖相软土的流变特性，在模型参数反演中发现

7、，K-S模型能够很好地描述软土的流变特性。元件模型物理意义明确，形式简单，被广大学者采用。但元件模型是线性流变模型，因此不管建立的模型如何复杂，模型最终所反映的仍是线性黏弹塑性。　　3.2非线性流变模型　　随着对软土流变性质的深入研究，越来越多的学者认识到软土流变不是一种简单的线性特性，而具有明显的非线性特性，完全线性是不存在的，通常人们仅为了简化计算才按照线性流变来研究软土流变。常用的非线性流变模型包括经验模型、半理论半经验模型。　　1）经验模型9　　经验流变模型是一种应用较广的非线性流变模型，通常是人们根据试验数据结

8、果，分析总结土的流变特性，直接得出的土流变的表达式。与元件模型相比，经验模型不但物理意义不够明确，缺乏理论依据，而且通用性欠佳，但数学形式简单，便于工程应用，在土木工程中应用广泛。常见的蠕变经验公式有多种类型，如双曲线函数型、对数函数型、幂函数型、指数函数型及多项式型等。国外Singh&Mitchell[16]（19