湘南红层滑带土直剪蠕变特性及长期强度试验研究.pdf

《湘南红层滑带土直剪蠕变特性及长期强度试验研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《湘南红层滑带土直剪蠕变特性及长期强度试验研究.pdf（73页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 分类号 密级 U D C 编号 硕 士 学 位 论 文 湘南红层滑带土直剪蠕变特性及长 期强度试验研究 研 究 生 姓 名 ： 朱峰 指导教师姓名、 职称： 段仲沅 教授 学科、专业名称： 结构工程 研究方向： 岩土工程 2014 年 12 月 万方数据 万方数据 南华大学学位论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得南华大学或其他单位的 学位或证书而使用过的材料。 与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论 文中作了明确的说明

2、。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 年 月 日 南华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文是本人在南华大学攻读 (博/硕)士学位期间在导师指导下 完成的学位论文。本论文的研究成果归南华大学所有，本论文的研究内容不得以 其它单位的名义发表。本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保留学位论文；学校可根据国 家或湖南省有关部门规定送交学位论文。同意学校将论文加入中国优秀博硕士 学位论文全文数据库 ，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享

3、受相关权益。同意授权中国科学信息技术研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库 ，并通过网络向社会公众提供信息服务。对于涉密的学 位论文，解密后适用该授权。 作者签名： 导师签名： 年 月 日 年 月 日 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 大量边坡工程表明：边坡失稳部分由滑动带的剪切蠕变破坏造成，因而研究 其滑动带的剪切蠕变特性和其长期强度尤为重要。红层呈软硬互层的特点，软弱 夹层是其滑带土形成的物质基础， 当软弱夹层的含水量变化时对边坡稳定性影响 非常明显。湘南红层边坡常因为人工开挖及排、防水处理不当，导致失衡形成滑 坡。对滑带土的流变特性及长期强度已有许多科研工作者做了大量的研究工

4、作， 但专门针对湘南红层滑带土剪切蠕变特性的研究报告尚不多见。 本文通过对湘南 某红层滑坡滑带土直剪蠕变试验， 研究该滑带土在不同垂直荷载、 含水率条件下， 分级施加水平剪力之后的蠕变特性， 得出其剪切位移时间关系曲线及剪切位移 剪应力曲线，为确定滑带土长期强度及计算边坡变形提供依据，主要取得了以 下进展。 (1) 本文通过对湘南红层滑带土进行了室内直剪蠕变试验，初步探讨了该土 在不同垂直荷载、 含水率下的蠕变特性。 试验结果表明： 由于红层滑带岩层破碎， 水沿红层裂隙下渗至滑动带，使其软化，加速了其剪切蠕变的发展；当剪切应力 达到滑带土长期极限抗剪强度时，当含水率一定，若垂直荷载较小，滑带土

5、则表 现为突然剪破；当垂直荷载足够大，滑带土则以稳定的加速蠕变发展；当含水率 和垂直荷载一定时，随着剪切应力的增大，土体的剪切位移逐渐增大，整个蠕变 阶段逐渐呈现；衰减蠕变，等速蠕变、加速蠕变三个蠕变阶段。在剪切应力、垂 直荷载一定的条件下，含水率越大，滑带土的非线性流变特征越明显，产生的总 剪切位移也越大。 (2) 通过对直剪蠕变试验结果中红层滑带土的剪应力剪切位移等时曲线 的研究分析，得出其变化规律及特性，以此提出了流变模型中红层滑带土的两 个流变参数，蠕变变形速率和剪切模量。经试验发现：红层滑带土的剪应力 剪切位移等时曲线呈明显的非线性流变特点，表现为：随着剪应力和时间的持 续增加，曲线

6、将逐渐朝应变轴靠拢；在同一含水率情况下，红层滑带土的剪切 模量的变化与时间及剪切水平的变化呈反比特点。 (4) 将长期强度理论与土体在蠕变试验中的破坏准则相结合，建立了湘南红 层滑带土的幂函数形式的长期强度方程。 该方程较好的描述了土体在长期荷载作 万方数据 II 用下所经历的三个蠕变状态，完成了对湘南红层滑带土长期强度特征的模拟，为 红层滑带边坡的变形问题、强度问题和稳定性问题的分析提供了理论依据。 关键词：关键词：红层滑带土；蠕变；非线性流变特性；流变参数；长期强度 万方数据 III Experimental Study on Direct Shear Creep Characterist

7、ics and Long-term Strength of Red Layer Sliding Zone Soil in Southern Hunan Abstract a large number of slope engineering projects show that： red layer slope instability is due to the shear creep damage of the sliding zone. Therefore study the shear creep characteristics of sliding zone and its long-

8、term strength is particularly important.Because of red soil layer with the characteristics of soft and hard，the weak interlayer is the material basis for the landslide formation. the change of the soft interlayer water content has a obvious impact on the stability of slope.Red bed slope is often the

9、 result of artificial excavation and drainage problems,eventually led to the formation of landslide slope imbalance.There have been many researchers on the rheological characteristics and long-term strength of sliding zone to do a lot of research work 91 ,But the research or public reports specific

10、to the shear creep properties of sliding zone southern hunan red layer are rare.shear displacement vs time curves and shear displacement vs shear stress curves are obtained by studying the creep characteristics of red-layer sliding soil after gradingly burdenning shear force under various vertical l

11、oads via direct shear creep experiment, which will be used as the technical bases in choosing the long-term strength parameters and calculating slope deformation. The main research contents and results are as follows: (1) Through the direct shear creep test on a series of the red layer of sliding so

12、il, discusses the creep properties of soil under different vertical load and moisture conditions. The test results show that: Because of the red layer sliding rock crushing, and the water along the red layer sliding belt fissure infiltration to the sliding zone, the softening of sliding soil, accele

13、rated the development of the shear creep, when the shear stress reaches the shear strength of slip zone long-term limit and the soild under 万方数据 IV the certain condition of moisture content, if the vertical load smaller, sliding soil is characterized by sudden cut broken. When the vertical load is l

14、arge enough, the slide zone soil is a constant acceleration creep development. When the red layer sliding zone soil under the condition of certain moisture content and the vertical stress, with increasing shear level, the direct shear creep deformation is increased, The whole creep process experienc

15、ed three stages, the transient creep, creep and the accelerated creep. When the red layer sliding zone soil under the condition of certain shear stress and the vertical stress, with increasing moisture content, the feature of nonlinear rheological is more obvious, and the direct shear creep deformat

16、ion is larger. (2) Through the direct shear creep test results in the red layer of sliding soil shear stress - shear displacement curves ,It is concluded that the curve change rule and the characteristic. The rheological model that to experience the three rheological parameters: creep deformation ra

17、te, coefficient of viscosity and shear modulus. The research showed that the red layer sliding zone shear stress-shear displacement isochronous curve showed a nonlinear rheological characteristics.It performance for along with increasing shear stress and time , the curve will gradually move closer t

18、oward the strain axis. Under the certain condition of moisture content, the change of the shear modulus of the sliding zone is inversely proportional to the change of time and shear stress, Under the certain condition of shear stress; the change of the viscous coefficient of the sliding zone is prop

19、ortional to the change of vertical load; Under the certain condition of vertical load; the change of the viscous coefficient of the sliding zone is proportional to the change of shear stress. (3) Combination of the long-term strength theory and the failure criterion which come from the creep test, E

20、stablished the long-term strength equation in the form of power function. The equation describe well the three soil creep state of the experienced under long-term load, to complete the simulation of the red layer of sliding soil long-term strength characteristics, For red layer slide of slope deform

21、ation, strength and stability problems of analysis provides a theoretical basis. Keywords: Red layer sliding zone; creep; The nonlinear rheological; The rheological parameters; Long-term strength 万方数据 V 目录目录 摘摘 要要 I ABSTRACT . III 第一章第一章 绪论绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 岩土体的蠕变试验研究现状 .

22、2 1.2.2 岩土体的流变模型研究现状 . 6 1.2.3 长期强度研究现状 . 9 1.3 本文的研究内容 . 10 第二章第二章 红层滑带土的直剪蠕变试验结果分析红层滑带土的直剪蠕变试验结果分析 . 12 2.1 湘南红层的工程性质 12 2.1.1 红层的工程特性 . 12 2.1.2 红层滑带土的基本物理性质 . 14 2.1.3 红层滑带土的基本矿物成分 . 12 2.1.4 红层滑带土的基本化学成分15 2.2 红层滑带土的直剪蠕变试验 . 15 2.2.1 直剪蠕变试验加荷方式 . 15 2.2.2 红层滑带土试验土样的制备 . 17 2.2.3 试验仪器及试验方案 . 18

23、2.3 红层滑带土直剪蠕变试验成果分析 20 2.3.1 剪切位移时间曲线 20 2.3.2 红层滑带土的蠕变机理 . 28 2.4 本章小结 . 29 第三章第三章 湘南红层滑带土的非线性流变参数分析湘南红层滑带土的非线性流变参数分析 . 30 3.1 红层滑带土的剪应力剪切位移等时曲线分析 . 30 3.2 红层滑带土的剪切模量时间曲线分析 . 36 3.3 红层滑带土的直剪蠕变变形速率分析 . 41 3.4 本章小结 . 43 第四章第四章 红层滑带土的长期强度红层滑带土的长期强度 . 44 4.1 土的强度概念 . 44 4.2 红层滑带土长期强度特性 . 45 4.3 土的长期强度确

24、定方法 . 46 4.4 土的长期破坏准则 . 48 4.5 长期强度方程 . 49 4.5.1 长期强度基本方程 . 49 4.5.2 长期强度的对数方程 . 49 4.5.3 长期强度的幂函数方程 . 50 4.5.4 长期强度的分数线性方程 . 50 万方数据 VI 4.6 红层滑带土长期强度模型的建立 . 50 4.7 本章小结 . 52 第五章第五章 结论与展望结论与展望 . 53 5.1 本文研究工作总结 . 53 5.2 展望 . 55 参考文献参考文献 . 56 致致 谢谢 62 攻读硕士学位期间发表的论文攻读硕士学位期间发表的论文 . 63 万方数据 1 第一章第一章 绪论绪

25、论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 流变学出现在 20 世纪 20 年代，作为力学的一个新分支，研究内容包括物理 材料在应力、应变、温度湿度等条件下随时间变化的变形、流动的规律。流变学 概念渗透到诸多科学自然领域，广泛应用与航空航天，岩土工程，工程材料学， 化学化工等各个领域。 流变学的主要研究内容是针对材料的变形、强度、应力随时间的变化规律， 即时效性。具体内容涵盖各种材料的蠕变和应力松弛的现象、长期强度以及材料 的流变模型。其中，蠕变和应力松弛体现了材料的流变性能；材料的长期强度是 通过研究材料的屈服值得出，一般作为研究流变性研究工作的第一步；通过建立 力学模型或物理模型得出相应的经

26、验公式，以此预测任意温度、应力历史等条件 下的材料变形。 根据大量的室内外试验研究及工程实例发现，所有的岩土体都具有流变特 性， 岩土工程中出现的滑坡及边坡垮塌事故往往是因为没有充分考虑到岩土体因 外界环境因素产生的位移及强度变化所产生的流变而造成的。 以本试验所取土样 的工程为例： 该工程位于湘南耒阳市西湖北路， 滑坡总面积 11770 2 m， 由于 2001 年由于建设需要，在现滑坡坡脚位置取土，导致山体滑坡，之后虽施工了抗滑桩 等滑坡治理措施，但后十来年间大量的基建及生活垃圾堆积坡顶，雨水沿原滑坡 裂隙渗入，岩土体长时间被浸泡，导致土体软化，2010 年 9 月原滑坡复活向下 滑动。

27、因此， 含水率变化与滑坡治理工程施工结束后的变形问题无不跟时间有关， 所以岩土体具有时效性。 红层广泛分布在世界各地，而我国是红层分布最广的国家之一。德国地质学 家李西霍芬在 18681872 年期间对中国地质情况进行了调查并编写了五卷“中 国” ，其中着重描述了中国华南地区等地的红层，李西霍芬也是最早认识中国红 层的地质学家。随后国内学者陆续对红层地质展开了深入的调查研究工作，以地 层学及古生物学切入点，从红层的分布规律、地貌特征、岩性特征等角度做了详 细的研究。 万方数据 2 侏罗系、白垩系的红层是著名的易滑地层，突出表现在边坡稳定问题上。常 常因为工程中的挖填、排水工作处理不当导致古滑坡

28、复活或引发新的滑坡，使社 会经济遭受巨大的损失。 所以， 研究红层滑带土的流变特性具有重大的工程意义， 并引起建筑行业的重视。 红层的主要由红色泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩等岩石组成，红层岩体多为软 硬互层，两者变形和强度特征差异性大，层与层之间的层面结合力差。在长期地 质力作用下，硬层发生脆性破坏，形成裂隙，软层则发生塑性变形，硬层抗风化 能力远强于软层，红层吸水易软化、膨胀、崩解，抗风化能力弱，故在红层中形 成软弱夹层，当岩层产状与山坡同时倾向山坡外时，常常沿软弱夹层产生滑坡。 红层软弱夹层的蠕变变形主要由两部分组成：弹性变形、塑性变形，其中塑 性变形具有时效性，是岩土体产生蠕变破坏的根本原因

29、。随着时间的推移，岩土 体的蠕变破坏过程变现为不同的状态，体现在位移变形、应力、变形速率。由于 红层本身的工程性质，其软硬互层的特性使得它对于含水率、垂直荷载的变化非 常敏感。所以，治理红层滑坡等岩土工程问题与研究红层软弱夹层变形和强度与 时间间的关系，很有必要。 基于上述原因，本文研究的课题具有重要的理论价值和现实的工程意义。通 过建立红层滑带土的蠕变模型提出的经验公式， 为红层地区工程建设的设计和施 工提供了有效的科学依据及可靠的预测信息， 能够更加科学合理的预测在任意湿 度、应力历史等条件下的长期强度与变形的目的。该研究成果可为其它岩土体流 变特性的流变特性研究提供参考。 1.2 国内外

30、研究现状国内外研究现状 1.2.1 岩土体的蠕变试验研究现状岩土体的蠕变试验研究现状 岩土是三相介质，研究岩土体的流变特性不能仅研究应力-应变-时间之间简 单的函数关系，还需要通过流变试验对岩土体进行定性、定量的试验研究。现场 试验虽然能较直接客观得反映出实际工况， 但是由于很多流变试验过程持续时间 长达数年甚至数十年，加上受试验规模、资金及试验环境条件的限制，目前国内 外广泛采用室内试验，如单轴压缩蠕变试验、应力松弛试验、三轴蠕变试验、直 万方数据 3 剪蠕变试验，室内试验一方面节省了试验开资，避开了环境、试验条件等不确定 因素的干扰， 能使试验在理想环境中顺利进行， 有效地控制了试验结果的

31、准确性， 帮助试验达到研究目的。 （1）应力松弛试验研究 应力松弛效应普遍存在岩土工程中，例如边坡的卸荷及堆载、基坑开挖、洞 室的开挖， 都会出现应力松弛效应。 所谓应力松弛是， 土体在恒温、 恒定应变下， 应力随着荷载作用时间的持续递减的现象。 吴紫汪（1993） 1，通过对兰州黄土进行三轴试验发现，冻土由于冰和未冻 水的存在，土体具有明显的流变特性，其中导致冻土强度降低主要是由应力松弛 的流变过程决定，在相同条件下，初始应力越接近瞬时强度或者温度越高，冻土 的应力松弛程度越强烈。 伍向阳（1996） 2，为解释应力松弛机制，通过三轴试验把总应力分解呈两 个部分：其一是稳态应力（克服材料内长

32、程障碍所需要的能量） ；其二是有效应 力（克服材料内部短程障碍所需要的能量） 。以此为理论依据确定材料中的应力 与应变率的动力学关系，并提出，在线性硬化假定下可使用指数型流动律对应变 硬化和软化下的应力松弛数据进行处理。 于怀昌（2011） 3，构建了 Burgers 模型来描述分级加载条件下的非饱和粉 砂质泥岩的应力松弛特性，经试验曲线与模型拟合曲线的对发现，在低应变水平 下二者吻合度较高，得出 Burgers 模型辨识得出的模型参数具有较高的工程价 值。 姚贝贝（2011） 4，以饱和软土为研究对象，通过固结仪进行应力松弛试验， 得出饱和软土在松弛阶段随着时间的推进，轴向应力与松弛速率之间

33、的变化关 系。 肖宏彬（2013） 5，通过使用四联装等应变直剪仪研究南宁肥白和重塑膨胀 土发现，膨胀土松弛曲线可划分为瞬间松弛、衰减松弛、稳定松弛三个阶段，分 别对应土体的弹、黏、塑性三种特性。通过改进剪应力对数与时间对数的函数关 系构建非线性经验模型，为膨胀土的应力松弛问题的计算奠定了理论基础。 （2）三轴蠕变试验 周祖辉（1985） 6，以大庆泥岩岩芯为研究对象进行三轴蠕变试验，研究发 万方数据 4 现，应力状态恒定时，稳定蠕变表现为体积不断增大；随着围压减少、含水率的 增大，泥岩进入加速蠕变阶段。 朱元林（1998） 7，将冻土在 MTS 振动试验机上进行三轴蠕变试验，对冻土 在三轴应

34、力状态下的动力特性进行研究，研究结果表明，冻土的蠕变衰减系数取 决于其材料的结构缺陷。 范庆忠（2007） 8，对含油泥岩采用重力加载式三轴蠕变试验，研究结果表 明，含油泥岩存在一个随围压的增大呈线性增加的初始应力蠕变阀值；该蠕变过 程只有两个蠕变阶段，为衰减蠕变和加速蠕变；含油泥岩粘滞系数较小，导致低 围压对泥岩的蠕变变形影响微弱。 王怡（2008） 9，对岩石进行三轴蠕变试验，从分级加载试验曲线分析得出， 岩体的粘弹性模量与粘滞系数随着荷载的增大出现损伤衰减。 张向东（2011） 10，将紫色泥岩在分级加载条件下进行三轴蠕变试验，发现 紫色泥岩具有明显的蠕变特性，当仅以围压为变量时，泥岩的

35、弹性变形与蠕变变 形随着围压的增大而减小，当仅以垂直荷载为变量时，两者变形随着垂直荷载的 增大而增大；紫色泥岩的蠕变速率随着围压的增大逐渐变小，从衰减蠕变进入稳 态蠕变阶段后，蠕变速率变得更小；垂直荷载与瞬时垂直应变呈线性关系。 赵宝云（2011） 11，经三轴蠕变试验发现，砂岩的短时蠕变特征较明显，以 屈服强度为界，当偏应力偏小时，砂岩只表现出两种蠕变状态，即衰减蠕变与稳 态蠕变，当偏应力继续增大，超过屈服强度时，遂出现加速蠕变状态，在加速蠕 变试验曲线的基础上构建非线性粘塑性模型。 徐慧宁（2012） 12，对粉砂质泥岩进行三轴蠕变试验，对试验数据采用叠加 原理与等时曲线求得蠕变参数并获得

36、泥岩的长期强度，发现，粉质泥岩的蠕变类 型决定于应力水平的高低。随着围压增大，其蠕变变形和应变速率呈下降趋势， 长期强度与各蠕变参数呈上升趋势。 刘亚科（2012） 13，对公路地基软粘土进行分级加载三轴蠕变试验，将得到 的试验数据用 Singh-Mitchell 模型进行拟合，发现该模型得出的计算结果与试 验结果出入较大，实验性地将该模型中的指数函数及幂函数部分进行替换与优 化，经修正后的 Singh-Mitchell 模型证明在描述软粘土的流变特性具有较好的 工程价值。 万方数据 5 高文华（2012） 14，通过粉砂岩的三轴蠕变试验研究发现，变形模量随着应 力作用时间的持续和应力的不断增

37、大呈递减趋势。在围压条件下，粉砂岩的加速 蠕变阶段明显，围压越大，塑性变形所占总变形的比重越大，岩体破坏时产生的 应变值也越大，越利于工程的安全与稳定性。 尹晓文（2013） 15，对配制的冻粘土的进行三轴蠕变试验，并结合 MATLAB 的数据拟合，分析研究了冻土的蠕变特性与温度的关系，结果表明，温度越高， 冻土的蠕变特性越明显， 据此建立了冻土非线性蠕变模型参数与温度之间的数学 关系，为实际工程中预防冻土工程事故提供了科学的理论依据。 （2）直剪蠕变试验 牛君贤（2005） 16，使用千斤顶模拟滑坡，观察红层软岩的蠕变特性，得出 结论： 软弱夹层破碎程度及软弱层的临空面坡脚的大小决定红层软岩

38、滑动面的滑 移情况，其中坡脚界限值受含水率影响，两者之间呈线性关系。 龙建辉（2009） 17，对滑带黄土进行了直剪蠕变试验，结果表明滑带黄土表 现为塑性破坏，随着含水率的增大，破坏时对应的应变量逐渐变小。应力-应变 等时曲线簇的“归一化”现象说明该土质具有稳定一致的蠕变变形特性。 李鹏（2009） 18，对不同含水率的砂岩进行直剪蠕变试验，根据试验曲线分 析得出结论，含水率的增大使得蠕变变形即变形速率显著增大，并削弱了土体的 抗剪强度。经模型识别，发现改进后的黏弹塑性模型能较好地完成对砂岩软弱结 构面卸载后的无弹性后效现象的描述。 程强 （2009） 19， 通过对红层软岩的分级加载直剪蠕变

39、试验， 试验结果表明， 该岩土体的软弱夹层发育完全，在剪切荷载作用下表现出显著的蠕变特性，并由 剪应力垂直荷载曲线观察到，长期强度与短期强度随着垂直荷载的增大而增 大，并通过长期强度与短期强度的对比得出长期强度的参考取值。 沈明荣（2010） 20，对含绿片软岩进行剪切蠕变试验，试验结果表明，该岩 土体结构面微裂缝数量随时间不断增加并相互贯通， 导致材料的结构面在蠕变过 程中的非线性特征非常明显，提出利用改进的 Burger 模型对其蠕变特性进行描 述。 张先伟（2011） 21，对漳州软土在不同固结压力作用下，采用多级加载方式 下进行直剪蠕变试验，试验通过对漳州软土进行蠕变参数及强度的分析，

40、得出结 z h i k u q u a n 20150721 万方数据 6 论：瞬时剪切模量同长期剪切模量随着剪应力的增大而增大，当剪应力增大，土 体出现微观结构的破坏，致使粘滞系数的峰值随着垂直荷载的增大而增大。 赖小玲（2011） 22，对某顺层基岩采用室内剪切蠕变试验，得出在不同基质 吸力条件下的蠕变试验曲线，以此建立了应力-吸力-应变-时间模型，通过对滑 坡滑带土的蠕变特性的预测，为解决坡体长期稳定性问题提供了理论依据。 张清照（2011） 23，以岩体结构面为研究对象，通过室内剪切蠕变试验，对 岩体结构面的蠕变特性进行研究，经观察发现：衰减蠕变阶段主要表现为瞬时变 形；稳态蠕变的蠕变

41、速度并非保持恒定而是随着剪切时间的持续缓慢变化，即稳 态蠕变严格来说是不存在；加速蠕变状态并没有出现。 综上所述，目前室内流变试验还不够成熟，直剪蠕变试验、三轴蠕变试验已 有学者做了大量的研究工作，但是关于应力松弛试验的规范尚留有空白，有待进 一步探究，所以在往后的研究工作中有必要对应力松弛试验展开深入研究。 1.2.2 岩土体的流变模型研究现状岩土体的流变模型研究现状 社会经济的发展带动着国家基础建设的发展，土木工程分布在全国各地，而 岩土体的流变在土木工程所出现的问题就不得不引起业界的关注， 岩土体蠕变模 型是最急需解决的问题。目前关于岩土体变形的本构模型可划分如下几大类： （1）屈服面模

42、型 屈服面流变模型亦称为三维流变模型， 其研究对象是弹塑性理论三要素与时间 的关系，即关联准则、屈服面、硬化规律；结合流变机制其研究内容可分为四个 方面：体积蠕变、偏态蠕变、应力松弛规律、应力松弛-蠕变耦合。体积蠕变、 即研究体积的变形速率随时间的变化关系；偏态蠕变、是指在水平应力固定在 30%90%时，蠕变变形速率对数与时间对数呈直线关系；应力松弛规律则认为应 力松弛速率随着其作用的持续呈增长趋势。 Kavazanjian Jr E（1980） 24，文章整合了体积蠕变及偏态蠕变规律，得出 结论：体积蠕变与偏态蠕变共同组成蠕变变形，又各自分为瞬时蠕变与延迟蠕变 两部分。其中，瞬时偏态变形经

43、Kondner 模型拟合最能全面反映蠕变特性。 Borja R I（1985） 25,文中所建立的单屈服面模型中屈服面的等向固结应力 z h i k u q u a n 20150721 万方数据 7 是塑性应变也是时间函数，该模型描述了蠕变过程中屈服面与时间的关系，并证 明此模型适用与压缩区的任意应力路径。 Hsieh HS（1990） 26，提出了双屈服面模型，并解释了模型的两个屈服面的 体积蠕变及偏态蠕变存在的机理，研究表明，该模型善于表达应变率效应，且相 对于单屈服面更真实地反映实际工程特性。 （2）元件模型 元件模型基于力学概念与理论由模型元件（牛顿粘性体 N、圣维南塑性体 S、 虎

44、克弹性体 H）线性组合，其概念具有直观、简单，力学性质单一、明确的特点。 元件模型中较经典的有： Maxwell 模型， 广义 Bingham 模型、 Kelvin 模型、 Burges 模型、开尔文体、村山流变模型、理想粘塑性体模型等等。被广泛的应用于各个 领域。 刘林超（2005） 27，对岩体中水平圆形硐室的变形采用 Kelvin 本构关系模 型岩体的粘弹性，研究结果表明改变 Kelvin 模型中的分数代数的阶数后，模型 具有比经典粘弹性更广的适用范围。 帅词俊（2006） 28，对粘弹性材料的应力松弛试验数据，利用 Matlab 软件， 对粘弹性材料进行了广义的 Maxwell 模型定

45、义及处理，得出针对粘弹性材料的 Maxwell 模型参数的确定方法。 周家文（2006） 29，对绿片岩进行三轴蠕变试验，基于试验曲线，将衰减蠕 变阶段与加速蠕变阶段所对应的非线性函数引入广义 Bingham 模型， 得到新的蠕 变模型。改进后的蠕变模型证明具有参数少且更善于描述岩体蠕变过程的优点。 张先伟（2009） 30，基于黄石淤泥质土的剪切蠕变试验，研究表明：相比试 验数据，采用 Burges 模型能更好的描述淤泥质土的蠕变特性。 郑传峰（2011） 31，以淤泥质软粘土为研究对象进行剪切蠕变试验，得出的 淤泥质软粘土剪切蠕变本构方程，将滑块元件、粘壶元件及弹簧元件对蠕变方程 构成四元

46、件模型。 （3）经验模型 经验模型取自于大量基建工程的试验研究，不分析实际过程的机理，而是从 工程、试验中得到的实际数据进行数理统计分析，归纳出各个流变参数与变量之 间的数学关系，由此得到的数学公式称为经验模型，是一种描述应力、应变、变 z h i k u q u a n 20150721 万方数据 8 形速率、时间之间的变化关系的模型，具有参数少，易于确定的优点，但由于基 于试验结果的经验模型缺少理论支持，适用范围收到限制。 Buisuman 通过大量工程实例资料的收集与研究，首次提出了经验公式，用以 描述饱和软土变形量与时间之间的变化关系。 1968 年 Singh 建立了 Singh-M

47、itchell 经验蠕变模型 32，提出了蠕变速率和 蠕变函数。 Mesri 在 Singh-Mitchell 经验蠕变模型的基础上，通过改进构建了双曲线型 应力-应变-时间关系模型，即 Mesri 经验蠕变方程。 刘建航(1997) 33,通过对上海大量基建工程的流变特性研究提出了经验流变 模型，建立了弹性基床系数与施工参数、土体参数的相关数学方程式，并考虑了 时空效应的等效基床系数。 刘建航(1999) 34,文章指出， 实时工况及地层的复杂地质情况会对施工过程造 成难以预测的不确定因素，可通过建立经验模型在施工过程中实施实时监控，不 断调整等效机床系数 K，结合镶入施工参数的模型，使得经

48、验模型能兼顾时间效 应和时空效应的描述，将理论与应用进行了科学合理的融合。 李军世(2000) 35,对上海软土进行室内剪切蠕变试验， 并引入Singh-Mitchell 模型应力-应变-时间关系方程， 得出参数少、 适用性强的软粘土的经验蠕变模型。 邹良超(2011) 36，对清江滑坡滑带土进行室内剪切蠕变试验，将 Morgan Mercer Fbrin 函数引入应力-应变曲线形成蠕变经验模型，经试验数据与经验模 型的计算对比，得出改经验模型适用性强，适用范围广。 （4）内时模型 内时理论是基于固体力学，结合热力学，解释材料变形破坏的物理机制及规 律的真实且合理的理论。但对于岩石这种复杂的介

49、质，其复杂多变的破坏行为、 变形的不连续性使得内时理论的应用变得困难。随着理论的不断完善，目前学者 们所建立的各种内时本构方程为解决岩土内时理论问题提供了方向。损伤力学、 细观力学等学科的发展也为内时理论提供了佐证与新的思路。 陈沅江（2003） 37，从内时理论出发，集合牛顿时间、损伤变量、热力学基 本原理推导了软岩的内时流变本构方程。研究表明：所得内时本构方程能较好描 述蠕变的三个阶段， 并指出软岩的加速蠕变是由于损伤出现在蠕变的第二个阶段 z h i k u q u a n 20150721 万方数据 9 末。 温丹（2004） 38，对多种岩体进行一系列循环加卸载试验，将弹塑性内时理 论引入岩石衰减的理论研究中， 推导了用非弹性参数描述岩石衰减与应变振幅的 关系式，并计算了循环加卸载条件下的衰减值，研究表明，岩石的流变特性与内 时理论的推导结果一致，为地震波在地球介质中的衰减研究提供了理论依据。 孙道远（2004） 39，对不同类别岩样进行循环加卸载试验，基于试验结果