基于分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)的膨脹土非線性蠕變特性研究.pdf

1、膨脹土是一種特殊的災(zāi)害性軟土，其流變特征非常明顯。因此，開(kāi)展對(duì)膨脹土非線性流變特性的研究，探討其考慮時(shí)間因素的本構(gòu)關(guān)系，構(gòu)建相應(yīng)的流變模型，對(duì)探索其強(qiáng)度和變形規(guī)律具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)廣西南寧膨脹土，依托國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“膨脹土非線性流變特性研究”(項(xiàng)目編號(hào):50978097)，以及湖南省科技廳資助項(xiàng)目“膨脹土非線性流變特性的本構(gòu)模型研究”(項(xiàng)目編號(hào):2010SK3047)，開(kāi)展了對(duì)膨脹土非線性壓縮蠕變特性的

2、研究。通過(guò)一系列的室內(nèi)三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，探討了南寧膨脹土在不同圍壓條件下的蠕變變形機(jī)理?；谝延械耐亮髯兝碚?，應(yīng)用分?jǐn)?shù)階微積分方法，構(gòu)造出可反映膨脹土特性的非線性蠕變模型，并提出了相應(yīng)的非線性蠕變方程。研究結(jié)果為計(jì)算膨脹土地基在長(zhǎng)期荷載作用下的變形提供了理論依據(jù)，也對(duì)進(jìn)一步探索膨脹土的應(yīng)力松弛和長(zhǎng)期強(qiáng)度等流變特性具有借鑒意義。通過(guò)研究，本文主要得到了如下研究進(jìn)展和創(chuàng)新結(jié)論。
　　(1)三軸壓縮蠕變特性研究
　　①在不同初始條

3、件下，膨脹土具有相似的蠕變規(guī)律。即在施加偏應(yīng)力的瞬間，膨脹土產(chǎn)生瞬時(shí)變形，隨著時(shí)間的增加，土樣發(fā)生蠕變現(xiàn)象。當(dāng)加載的應(yīng)力水平較低時(shí)，瞬時(shí)變形比較小，主要出現(xiàn)衰減蠕變，蠕變隨時(shí)間的增長(zhǎng)最后趨于某一穩(wěn)定值;在較高應(yīng)力水平作用下，很快達(dá)到急劇流動(dòng)階段，土樣發(fā)生剪切破壞。
　?、谠诓慌潘畻l件下，膨脹土的蠕變變形和孔隙水壓力隨時(shí)間的發(fā)展有相同的規(guī)律。
　?、蹜?yīng)用分?jǐn)?shù)階微積分理論構(gòu)造的軟體元件取代了傳統(tǒng)元件模型中的理想粘滯元件，可以更加

4、準(zhǔn)確地反映膨脹土的非線性流變特性。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，構(gòu)造了適合南寧膨脹土的四元件非線性蠕變模型，并提出了相應(yīng)的蠕變本構(gòu)方程。
　?、茉谌渥兡Ｐ椭?，將軟體元件的常參數(shù)型粘滯系數(shù)改進(jìn)為與應(yīng)力水平有關(guān)的變參數(shù)型粘滯系數(shù)，可以更加真實(shí)地反映膨脹土的非線性蠕變特性。
　　⑤用本文模型對(duì)南寧膨脹土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，改進(jìn)后的蠕變模型通過(guò)調(diào)整分?jǐn)?shù)階次β1和β2，能夠有效地模擬膨脹土非線性蠕變的全過(guò)程，且所建的模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、待

5、定參數(shù)少、便于實(shí)際應(yīng)用。
　　(2)分級(jí)加-卸載三軸壓縮蠕變特性研究
　　①通過(guò)加-卸載三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)研究表明，南寧膨脹土在長(zhǎng)期荷載作用具有明顯的衰減型蠕變特征。在荷載卸載后，土樣產(chǎn)生黏彈性回彈變形，回彈變形隨荷載增大而增大，隨圍壓的增大而減小。
　?、谕ㄟ^(guò)對(duì)比分析同等級(jí)偏應(yīng)力在卸載前后的蠕變曲線，發(fā)現(xiàn)卸載后再次施加偏應(yīng)力所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變大于卸載前該級(jí)荷載作用下所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變，由此可以知，反復(fù)加載對(duì)膨脹土的蠕變變形

6、具有累積效應(yīng)。
　?、弁ㄟ^(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，膨脹土在蠕變過(guò)程中的變形主要由瞬時(shí)彈性變形、瞬時(shí)塑性變形、黏彈性變形和黏塑性變形四部分組成。瞬時(shí)彈性變形等價(jià)于完全卸載后的瞬時(shí)回彈量，黏彈性變形等價(jià)于完全卸載后的滯后回彈量。
　?、芑趯?duì)實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，建立了能反映膨脹土蠕變特點(diǎn)六元件非線性蠕變模型，并提出了相應(yīng)的蠕變方程。該模型可以較好地描述南寧膨脹土三軸壓縮蠕變特性。所提出的蠕變方程為計(jì)算膨脹土的蠕變變形提供了理論依據(jù)