土体流变性

　　流变是指物体受力变形中存在的与时间有关的变形特性。土体具有流变性，其常见的流变现象主要包括蠕变、松弛、流动、应变率效应和长期强度效应等。通常是采用试验模型研究这些流变现象，揭示流变规律，建立相应理论及计算方法。

　　释义

　　流变是指物体受力变形中存在的与时间有关的变形特性。土体具有流变性，其常见的流变现象主要包括蠕变、松弛、流动、应变率效应和长期强度效应等。通常是采用试验模型研究这些流变现象，揭示流变规律，建立相应理论及计算方法。近年来，由于工程建设的需要，对土工结构或地基的变形以及强度的计算分析要求越来越高，必须考虑土体的流变性，使得土体的流变研究成为近年来岩土工程界关注的重要热点问题之一。1

　　流变的研究方法

　　流变性是土的重要特性之一，早在1948年荷兰学者GenieE．C．W．A和我国学者陈宗基开始了土的流变性的研究，应用实心圆柱土样的扭转试验，验证了Bingham粘滞塑性流动定律对土的适用性，最早创立了土流变学。在1953年第三届国际土力学和基础工程会议(ICSMFE)上，提出了蠕变变形直接或间接地对土力学的所有过程起作用，蠕变研究将影响土力学将来的发展，随后，广泛展开了对土体流变性的研究，取得了大量的成果，并成为土力学研究的热点。

　　土体流变性质研究可以从微观、细观或宏观表现展开。在微观层次上，主要借助电子显微镜和X光衍射仪等仪器研究土体颗粒、团聚体、叠聚体和微孔隙等微小结构单元的空间分布及其接触连接特点等微观特征与土体流变性质之间的内在联系。国内外学者都开展了大量的研究工作，陈宗基提出了片架结构理论，施斌等建立了微观力学模型模拟粘性土蠕变，MitchellJK等基于速率过程理论对粘性土的应力－应变－时间关系进行了研究，Bazant等分别运用内时理论建立了正常固结土和横向同性粘土的粘塑性本构方程。然而，由于粘性土微观结构的复杂性和定量测试技术的限制，加上一些物理化学性质指标难以测定，使得微观结构研究只能从理论上做定性分析，很难应用于工程实践。

　　在细观层次，研究土体孔隙水、颗粒及矿物类型、吸附结合水等细观结构参量与土的流变特性的对应性和相关性，分析土体流变的物质因素、物理机制、力学行为以及流变性质的控制因素及各参量之间的定量关系，目前研究主要集中在孔隙水或结合水、粘土矿物类型和孔隙中的胶体物质对流变性质的影响。

　　迄今，国内外学者所做的工作大部分属于宏观流变学的范畴。它从唯象学观点出发，假定土是均一体，采用连续介质力学和不可逆热力学理论，构造直观的物理流变模型来模拟土的结构和特性，拟合流变试验结果，建立有关的公式，以定量分析土的流变性质及其对工程的影响。

　　综上所述，对于土体流变研究，除了宏观层次上的研究之外，细观、微观和纳观各层次上的研究并未深入开展。因此，进一步探讨软土流变的起因，认清软土流变的物理本质，改进和完善土体流变分析理论，是今后研究的努力方向。1

　　土的流变机理研究

　　土的流变机理在于：在骨架应力(有效应力)作用下，土颗粒表面吸附水(气)具有粘滞性，从而使颗粒的重新排列和骨架体的错动具有时间效应，土体变形延迟，即变形与时间有关;而另一方面土体变形受到边界约束，这种约束有阻挡蠕动变形发展的趋势，因此，土体内部应力随之逐步调整，即应力也随时间改变。

　　早在1925年，人们就开始认识到，必须建立一个真实的并能充分反映粘性土或其它材料应力－应变关系的公式或模型，根据其变形的微观力学在微观结构层次上对其物理过程进行描述，粘土或其它材料蠕变的物理概念应属于“活化能”的概念。

　　Bazant等应用速率过程理论建立了一系列土的本构关系模型。施斌进行了速率过程理论在粘性土蠕变模拟中的应用研究，介绍了速率过程理论及其相应的粘性土蠕变模型的推导，选取淮阴三类不同粘性土质开展了蠕变试验研究，分别制备了各向异性和各向同性的结构试样，获得了相应的蠕变性结果，再用速率过程理论模型对试验结果进行了拟合。结果表明:以速率过程理论为基础而建立的蠕变模型能有效地模拟不同粘性土质的蠕变过程、趋势和变形，反映出粘性土土性的本质特点，使土质学和土力学紧密地结合在了一起。

　　谷任国、房营光分别研究了结合水、矿物类型和有机质对软粘土流变性质的影响。采用改进的直剪蠕变仪对一组粘土试样进行了一系列试验，测试结果表明:有机质和矿物成分及其含量是影响软粘土流变性质的重要因素，土体的粘滞系数随粘土矿物含量的增加而减小，即流变变形阻力随有机质和粘土矿物含量的增多而减小，且有机质对软土流变性质的影响较为显著。试验结果分析认为，粘土矿物通过颗粒表面的结合水影响土的流变性质，其中强结合水是土体产生流变的主要因素，而弱结合水则是相对次要因素。试验结果有助于进一步认识土体流变的起因，对改进和完善现有流变变形计算理论有一定指导意义。

　　土体流变问题的求解

　　在土体流变研究中，考虑时间因素后，流变问题应力－应变－时间关系的求解比一般的弹塑性问题应力－应变关系的求解更加复杂，流变问题计算方法有待于进一步提高。土体流变问题的解包括解析解和数值解。

　　解析解

　　解析解的方法是运用对应性原理，采用积分变换技术，具体的做法是先求得弹性解，然后进行拉普拉斯变换，其中，弹性常数必须用粘弹性本构关系经过拉普拉斯变换得到的粘弹性常数代替，从而得到拉普拉斯变换后的粘弹性解，再通过拉普拉斯逆变换得到最终的粘弹性解。解析解是精确解，它是基于对代数、微积分等数学原理的应用。由于只有一些简单和特殊的函数才能找到拉普拉斯逆变换的解析解，许多问题虽然能得到拉普拉斯变换后的粘弹性解，却无法得到逆变换的解析解，另外，土流变问题一般比较复杂，因此真正能得到解析解的很少。

　　数值解

　　随着电子计算技术的高速发展，流变问题数值求解方法发展起来。土体流变问题数值解的采用和发展，给土体流变研究的实际应用带来了生机。数值解采用的基本方法主要有时步粘性初应变法，把粘性应变作为初应变，计算每一时步粘性初应变所引起的粘性附加荷载，加入到该时步的平衡方程中加以修正并求解，逐步进行，最终得到土流变问题的解。至于土非线性流变问题，更是只能用数值解法，一般是采用时步增量非线性迭代法，对每一个荷载增量，通过不断的迭代，用一系列的线性流变来逼近非线性流变，把非线性流变问题简化为线性流变问题进行求解。土流变问题的数值解所运用的技术主要有有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法、无限元法、流形元法等。

　　岩土工程数值计算方法的迅速发展，给复杂岩土工程问题提供了更充分的的设计依据。数值模拟技术不仅对现场原型试验、模型试验起到替代和补充作用，而且还给室内试验与实际工程之间架起了桥梁，在岩土工程非线性实验中显示出极大的优势。

　　然而，岩土的非连续、非均质、各向异性、天然初始地应力及复杂边界条件等使得计算中采用的流变本构关系很难准确把握，并且岩土体的物理力学参数的准确确定也成为问题求解的瓶颈。

　　本词条内容贡献者为:

　　张勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院