粘土的流变特性分析

第23卷第3期岩土工程学报Vol.23 No.32001年.5月Chinese Joumal of Geotechnical EngineeringMay，2001粘土的流变特性分析Research on rheology character of clay陈铁林陈生水周成沈珠江(南京水利科学研究院江苏南京210024)摘要将聚合物网络理论和速率过程理论应用到粘土的流变特性分析中得出了--些有益的结论将双电层理论应用到实验的设计中得出了和理论分析一致的结果并从理论上研讨了砌块模型的正确性。关键词聚合物网络理论速率过程理论流变触变中图分类号:TU 44文献标识码A文章编号:1000- 4548( 2001 )3 - 0279-05作者简介陈铁林男,1970 年生在读博土。CHEN Tie-lin CHEN Sheng shui ZHOU Cheng SHEN Zhu- jiang( Nanjing Hydraulic Research Institute ,Nanjing 210024 ,China )Abstract :A study is made on rheology character of clay which is assumed to obey the worknet theory of polymer and rate process theory. Thenexperiments designed by using the theory of double layer have been performed. The theoretical predictions is found to agree with experimental re-sults . The study theretically support the masonry model for structural clays.Key words :worknet theory of polymer irate process theory ;theology athixotrpy土体中结构的变化,从而产生了触变现象。触变-词1引言'由A.F. Petefi在1927年提出41。H. Freundlich用触变粘土的流变性质在很大程度上取决于土体内部缺来描述胶体悬液中凝胶-溶胶相互转变的可逆过陷(孔隙)的存在以及土颗粒边界性质(形状和表面特程5。J.M. Burgers and G. W. Sctt-Blair 把触变"定义性)》可以认为粘性变形是由颗粒边界滑移造成的。为重塑造成软化之后,和时间相关的硬化过程"[6]。结构性粘土流变的特殊性在于伴随着颗粒的破损接0. Morettd7] A. W . Skemptom和R. D. NortheF 8]以及H.触点的增加(网络节点数的增加和与之相伴的连通性B. Seed和C. K. Charf9]对压缩粘土的触变性进行了研的变化)。为了把位错运动(滑移)和缺陷扩散(结构破究。特别是以下两个结论为本文的研究提供了依据。损)以及损伤的概念应用到对结构性粘土的研究中需Kruyt通过实验指出触变材料中颗粒之间相互接触形要从理论和实验.上同时进行研究。本文进行了初步的成网状结构10。H. Van Olpherf11] ,R. Fahn ,A Weiss和尝试将聚合物网络理论和速率过程理论应用到对粘Hoffmart 12也都得出了类似的结论。James K. Mitchell土流变特性的研究中,得出了-些有益的结论并在实认为在发生触变的粘土中,当粘土颗粒可以自由选择验中得到了验证。位置时，这些颗粒总是表现为形成凝絮状结构的倾向3。Freundliclf 5 ]指出触变行为无疑与颗粒之间作用2综述力的平衡有关;电解质的浓度有显著的影响;任何颗粒土的结构是指土颗粒或集合体的大小、形状、表面排列发生的变化都和双电层有关。特征、排列形式以及它们之间的连接特征,它对土的力土是缺陷体材料在受到外力作用时总会有许多学特性有着重要的影响1。土的结构大体上可分为三胶结的断裂和颗粒的破碎必然伴随着内应力的调整。类:单粒结构、凝絮状结构和凝散状结构。粘土的工程在-定的条件下这些内应力的调整与时间相关就会特性由现时结构决定,而现时结构依赖于初始结构和产生流变现象和某些流变现象的耦合如蠕变-应力它的变化。换句话说粘土特性的变化遵循以下顺松弛同时存在于十体中。把胶体化学与速率过程理论序2]①压实或沉积条件决定初始结构②初始结构发引入对中国煤化工勺研究已经取得了成生变化形成现时结构如图1。功13-16MHCNMHG文把聚合物网络理.在本文实验的设计中考虑了触变因素,因此先对论引入对粘土流变的研究17-21]。触变的研究做一些回顾。 触变现象-般发 生在具有凝絮状结构的粘土中3]。Jamnes K. Mitchell认为扰动造成基金项目国家自然科学基金资助项目( 19772019 )颗粒之间作用为的不平衡扰动停止后不平衡力导致收稿日期2000-09- 28280岩土工程学报2001年形成因素变化因素(压 力同时Po=势(5)时间由于P= Po+△P(6)(压实粘土环境变化压缩方式和大小压力孔隙水的特性含水量可得「” (y)xiy= 5+ 5[' rn(γ)xiy(7)2。t温度电解性浓度其它初始结构+| 阳离子价=现时结构求导可得d_三__ Krn(r)(8)沉积粘土阴离子大小运积因素双电层特性沉积过程阴离子通解为(r)= γ[ C- An( ry)](9).沉积环境pH值则r以y)== C- An(γ)( 10)\扰动γ图1土结构的变化边界条件为Fig. 1 Development of soil structure(1)y=0时,(0)= ηo=C ;3对 触变现象的研究(2)y> Ym时,η=7m= ηo- :Knmax物体的完善流变曲线如图2所示。曲线rτ)与其中no为结构未 破坏时的粘度; ηm为结构完全破γ轴之间包括的面积等于产生定常流动需要的功率,坏时的粘度;nmaxk 为η = ηm时破坏胶结点总数。式( 10 )又可记为包括两部分:-部分是保持具有Newton粘度流动所需功率Po ;另一部分是在流动过程中单位时间内土体结爪r)= ηo-( ηo- 7)4Qr)( 11)构破损所需的功率△P:其中ψ y)=KY当ψ y)=1时结构完全破坏。nmaxP=I°t(rXiγ(1)令4( γ)=1-ψ i)代入式11)得i↑以r)= 7m+( ηo- 7m)4( Y )( 12)或ηr)= 7m+Oη( 13)R%式中4( r称为触变恢复函数;Aη是结构粘度增量。由以上分析还可以得出Kn maxη0-7m=( 14)式( 14表明结构强度越高( K值越大)达到结构完全--7破损时破坏胶结点总数越多所需时间越短(剪切应变速率越大)则结构性表现得越明显。图2物体的流变曲线根据速率过程理论[ 16] ,如图3。Fig.2 Rheological curve能以n表示单位土体中胶结点的数量则dn( γ )表示应变率增量dγ引起胶结点破坏的数量,由因次分析可知一个胶结点破坏所需的平均功率为(AP)=张(2)21K与γ无关与土的结构强度、干密度、颗粒大小等因素有关结构强度越大,K值越大其因次为质量长度。中国煤化工产生增量dy所需平均功率为fYH.CNMHG还十过任理论dOP)= LK. dndy= r"Kn(7)dy (3)Fig.3 Rate process theoryly剪切速率V所以’=气[ rn(y)ir(4)γ=2 hex(-的)inl(τ( 15)λh202h0第3期陈铁林等.粘土的流 变特性分析281式中k为Bolzmann常数;0为绝对温度;h为Planck两个不同的范畴分为两类结构重整①土颗粒滑移造常数;R为气体常数;iF为克服能栅耗费(包括结构成接触点的变化属拓扑动力学②伴有接触点数变化破损)的功;为两个平衡点之间的距离;入为流动点的颗粒破损属扩散动力学。之间,垂直于剪切面方向的距离,λ/λ与颗粒形状有定义二次矩张量M为关;V;为流动单元的体积。M: = |m(r t )xndir( 20)V{hT^2k60式中m( r ,t 为材料接触点分布函数ix; 表示r的一Aη==v:-ex(-能)xinK( 20 )AFτsVry般分量。定义参数Mo为τs/BMo= mf(rX 2x)XPr(21 )( 16)sir( τs/B)2h0式中m( r表示材料的静态各向同性。式中τs为作用于结构粘度增量的应力;B=T% i再定义J=M表示归一化矩张量。应力则可表Mo=y.Hex(的)示为代入式13 )得T= 2bk0M,J + pI .(22)式中b为材料常数ip为球应力;I为单位矩阵。”= 7m+Asinτs/B)将二次矩张量J直接写成运动方程τs/B _τ/B _因为sinh(τs/B)≈sinh( τ/B)同时下列边界条件得d.J= H(J)+ LJ + JLT(23 )到满足①当τ=τs= r=0时,η= η= 7m+A②式中L为应变速率;H(J)为重整化张量表示结构当τ→∞rτs→0,Y→∞Aη→0时,η= 7mo调整后两项表示土体的仿射变形滑移2所以由式12)可得二次矩张量M的运动方程的一般形式是η= 7m+(ηo- 7m)sir( τ/B )IB( 17)dM dMJM(24)lt F dt|,+ Jt对比式17)式(12和式15可得JM |4》)=tV2X λ/λ )( 18))t| ,是由结构重整引起的,即t I,= H( m)iat式18表明对于不同的土达到同样剪切应变速率时是由土体仿射变形引起的即M = LM+ ML'。t|需要的剪切力越大触变恢复函数越大,在同样的剪切以上分析与沈珠江提出的砌块模型22]是-致的。力作用下获得的剪切应变速率越大,触变恢复函数越原状粘土中第二类结构重整，必然会增加理论分析的小;λ/λ表明触变恢复函数还与颗粒形状、排列有关。复杂性。以下对重塑土在不排水条件下流变特性进行如对于椭圆形颗粒当长轴垂直于大主应力时入/λ1达分析。到最大值ry( γ )也达到最大值结构最稳定;肖长轴平首先认为重塑土是均匀各向同性的,再假定重塑行于大主应力时入/入1达到最小值结构最不稳定, V;土在变形过程中不存在颗粒的破碎,不排水条件下颗表示触变恢复函数与材料的缺陷(或强度分布不均匀)粒体积密度不变。则以下条件需得到满足:①等容变有关。缺陷造成应力集中使V;较小则4('γ)也较小。形条件t( γ )=0 ;②统计不变性条件de( J)=1，这个.对比式17 )和式16 )还可以得到不变性不涉及颗粒排列的变化,而仅涉及结构参数的平均值。1入1er AF70-7m=v.→ex(RE).(19)下面对两种情况进行分析。较大的ηo- nm 表示材料结构性表现明显。式( 19表取(25)明材料结构性随着颗粒长短轴比的增大,以及长轴与中国煤化工g^大主应力方向的接近而变得显著。另外材料的缺陷和其中MCNMHG数[17]。.式25 )两定山、④网个余什,归一化矩张量J的能栅的提高都会使结构性表现得更加明显。非零张量分别表示为J小J22、J3和J12 ,以y表示剪切4对定常剪切流变强度的分析应变速率。再引入归一化剪切速率a= γto和归-化在原状和整押发生的重整效应(结构调整)应属于时间tn= l/t0o282岩土工程学报2001年由式23和( 25 )以及条件②得到根据式23 )定常剪切方程可写为dJ1=-(Jn- 3)+ 2aJ12y J + JyT+ H(J)=0(31)dtn8此式的数值解如图5。由图中可以看出剪切强度不再dJ22=_ 2+3g随剪切速率提高而单调增加a≈9.6时强度达到最大值在此以后强度随剪切速率的增大而减小。这是因dJ33 .=-J33 +3(26)为触变效应减少造成的。以上分析了不存在颗粒破损的情况。对于第二类结构调整的研究必须引入和砌dJ12dt- J12块模型类似的损伤概念。1.0叶g = J1J2-后+ J:6( J1+ J2)取初始条件JI<0)=0 ,J1(0)= J260)= J36(0)=1。计算结果如图4所示。0.5-1. 5厂1.0|2406-a=2.5a=1.3图5 Jn-a 关系曲线Fig.5 The curveof J2-a05实验结果图4不同速率下Jn2-tn 曲线触变现象-般发生在凝絮状结构的土中，这种结Fig.4 The curve of Jr2- In at diferent strain rate构形成时颗粒之间以吸力为主颗粒呈随机排列。根从图中可以看出随着归-化剪切应变速率的增据双电层理论双电层越厚越不易形成凝絮状结构加强度提高而软化现象明显。也就是说在高剪切速而离子浓度的提高,可以减少双电层的厚度因此为形率下重塑土也可能会出现软化现象。这一趋势在下面成凝絮状结构必须保证-定的离子浓度和足够多的的实验中得到了证实。片状颗粒。另外如果土的渗透系数太小在较高的剪从式26 )还可得出定常剪切方程切速率下会产生不均匀孔压而限制了剪切速率的选J1 -二= 2aJ12J22--=0]择范围只能在较低的速率下实验使得- -些性状得不(27)到表现。以上几点是实验过程中重点考虑的问题。J33-2=(J12=aJm.试样的制备采用人工制备结构性粘土的方法231。式27的解为试样中的水泥成份,保证了-定的离子浓度大孔隙和高岭土的存在提高了土样的渗透系数;高岭土的存在J1=(a2+ 1)3(2a2+ 1)还提高了片状颗粒的比例。电镜扫描照片也证明了凝J22 = J33 =(a2+ 1)言(28)絮状结构的形成[23。土样的渗透系数为8.112x 10-5J12 = a(a2+ 1)3en/s。根据规范24],本次实验最大应变率为0.5%/mino分别对结构性粘土和重塑粘土进行了3种围压将式28 )代入式( 22 )得到τ12 = 2bk0M{[d(a2+ 1)3](29)下4种剪切应变速率共24组CU实验。以下图中图例顺序依次为土样类型、前期固结压力、剪切应变速率,考虑到r以a)=三,由式(29)得以a )xa-3 ,可见粘度其中J表示结构土,C表示重塑土。图6是应变速率η只随a的增大而降低,而没有触变项。为了分析具-剪切中国煤化工果(图5)是一致的。，有触变性的剪切流动过程考虑到能量耗散必须是弹从图7qCNMH G中应变速率越大软性能本身的严格增函数取新的模式17]化现象越明显在本次实验选定的速率范围内重塑土虽然没有出现软化现象但这种趋势也很明显(如图7HKJ)=-][6r+(8+2)J-引(30) .(b)屈服以后,速率越大,曲线越平缓)这和图4的其中l互方数据理论分析结果是一致的。第3期陈铁林等.粘土的流变特性分析283[ 3 ] Mitchell James K. 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