基于应变速率内变量砂土的粘塑特性及流变本构模型研究

与工程地质材料流变有关的粘塑性一直是岩土力学研究中的一个重要课题。国内外研究者针对岩石与软粘土的流变及粘塑性已经开展了比较多的试验与理论研究，但是对于颗粒状砂土的粘塑性及流变特性研究却非常少，针对任意加载速率变化（应变加速度）条件下粘塑性的研究则更为少见。砂土是岩土地基的重要构成材料之一，国外少量的室内试验结果及实际工程监测表明砂土同样具有显著的粘塑性与流变性，以时间(t)作为内在变量的传统粘塑性理论及流变模型不能合理解释砂土的这些现象。因此，本研究拟以加载应变速率变化为内在变量，开展与时间有关的砂土粘塑性室内试验研究及流变本构理论研究，以期在相关的试验测试技术以及粘塑性理论研究等方面有较大突破，为拓宽颗粒状砂土（或砾石）的粘塑性理论及流变研究提供一个有效的新途径。

与工程地质材料流变有关的粘塑性一直是岩土力学研究中的一个重要课题。国内外研究者针对岩石与软粘土的流变及粘塑性已经开展了比较多的试验与理论研究，但是对于颗粒状砂土的粘塑性及流变特性研究却非常少，针对任意加载速率变化（应变加速度）条件下粘塑性的研究则更为少见。砂土是岩土地基的重要构成材料之一，国外少量的室内试验结果及实际工程监测表明砂土同样具有显著的粘塑性与流变性，以时间(t)作为内在变量的传统粘塑性理论及流变模型不能合理解释砂土的这些现象。本研究以加载应变速率变化为内在变量，开展了与时间有关的砂土粘塑性室内试验研究及流变本构理论研究，为拓宽颗粒状砂土（或砾石）的粘塑性理论及流变研究提供了一个有效的新途径。本课题的主要研究内容及所取得的研究成果包括以下几个方面：（1）.基于室内平面应变压缩试验结果，对砂土材料的速率相关粘性特性进行分析，考察了砂土材料的加载速率效应、蠕变以及应力松弛。并通过分段三次多项式对蠕变时间历程进行了拟合并获得经验公式，从而使利用较短持续时间的蠕变变形量对长期蠕变加载所对应的蠕变变形量进行简单预测成为可能。（2）.针对岩土材料的3种粘性类型（即等速粘性、瞬时粘性和混合粘性），以应变速率为基本内变量，给出了相应的等速粘性模型、瞬时粘性模型及混合粘性模型，从而构建了砂土的统一的非线性三要素弹粘塑性本构模型，实现了砂土从弹塑性本构模型向弹粘塑性本构模型的扩展。（3）.通过直接数值积分方法考察了等速粘性和瞬时粘性的基本特征。利用统一的三要素弹粘塑性本构模型对砂土材料的加载速率效应、蠕变和应力松弛进行直接数值模拟，验证了模型的正确性。（4）.将砂土的非线性三要素弹粘塑性本构模型嵌入到基于动态松弛法的有限元程序中，对砂土地基的速率相关的变形强度特性进行了弹粘塑性有限元模拟，实现了包含应变速率变化加载、蠕变加载和应力松弛加载在内的全过程模拟。