流变学模型

流变学模型简单来说是指流变学有关原理建立土或混凝土的流变特性模型。流变学模型主要依据以下两个研究角度：第一，从宏观力学角度假定土是均一体，采用直观的物理流变模型来模拟土的结构，通过模型的数学力学分析，建立有关的公式，定量分析土的流变性状及带来的工程影响，并根据实测资料来进行验证,各国学者所做的大部分工作属于宏观流变学的范畴；第二，从土的微观结构出发，研究土具有流变特性的原因和影响土流变特性的影响因素。各国学者采用的方法主要有从土流变的微细观表现出发建立流变本构关系和从土流变的宏观出发建立流变本构模型，或者将两者结合起来。从土流变的微细观表现出发建立流变本构关系，是根据土体微观结构的变化机理，将土的流变特性的产生归咎于土粒骨架的微观变化，然后通过运用连续统计力学和晶体的微观理论，结合土流变的宏观表现建立土的流变模型。从宏观出发建立土的流变本构模型是在土体流变学研究中取得成果最多的研究方面，主要可分为三类:一是从土的流变特征出发，运用已有的流变理论如粘弹塑性模型理论、遗传流变理论，来建立土流变的理论模型；二是从土的流变特性出发，直接通过试验总结出土流变的经验本构关系；三是两者结合的半经验理论模型^[1]。

流变学作为一门研究物体流动和变形的科学，着力于力、形变和时间之间关系的研究，并在研究材料流动和变形时考虑时间因素，例如外界条件(温度、湿度等)持续时间、荷载持续时间等对材料弹性、塑性和粘性的影响。自 1929 年美国 E． C． Bingham 教授创立流变学会，流变学便正式成为一门独立的分支学科。它属于力学范畴， 能够普遍应用于金属材料、非金属材料，无机和有机材料。但又不同于力学， 流变学在研究流动变形规律时，会考虑到物体机构中质点之间的相对运动，因而必然会考虑到物体内部的结构和性质；同时，流变学也是研究物体在外力作用下所产生的形变和应力变化与时间之间关系的科学。将流变学原理应用于水泥基材料的研究，即水泥基材料的流变性能。它反映了拌合物浆体随着水泥水化的进行，从以粘塑性为主逐渐向以粘弹性为主的硬化发展过程。流变学作为基础科学的一个分支，它把水泥基材料的工作性能以基本单位量度的物理量表示出来，求出能表征材料物性、而在各种变异条件下可供比较的物理参数。这些物理参数包括:剪切应力、 应变、剪切应变速率、粘度、屈服应力等。愈来愈多的研究结果表明， 用流变学方法来研究水泥基材料的流动性相较于传统的坍落度方法更具优越性^[2]。水泥浆体的流变性能介于粘性、 弹性、 塑性之间，其流变曲线接近宾汉姆体， 可用宾汉姆(Bingham)模型描述水泥浆体的流变性。Bingham 模型源于最早的两点法测量理论， 虽然只有两个参数， 但却能广泛的表征水泥基材料的流变性能， 简单实用， 吻合度好，所以流变学研究在混凝土领域发展几十年以来， 虽然有各种各样的流变模型不断诞生， 但宾 Bingham 模型却一直发挥着中流砥柱的作用。

土流变问题的求解包括解析解和数值解。解析解方法是针对粘弹性体，运用对应性原理，采用积分变换技术的一种求解方法。由于解析解对大多数流变问题的无能为力，因此许多流变问题只能通过数值解求解。随着计算机技术的迅速发展，数值解的应用范围几乎已包括了所有的流变问题，具体方法包括有限单元法、有限差分法、无限元法、边界元法及一些祸合方法等，其中应用最多的是有限元法。采用有限元技术求解土流变问题的代表方法有“时步-粘性初应变法”，即将粘性应变作为初始应变，计算每一时步粘性初应变所引起的附加结点荷载，然后将该荷载加入到该时步的平衡方程中进行修正并求解，得到每一时刻的应力、应变，再通过逐步计算得到最终的解；当求解的问题是非线性流变问题时，可将荷载分成若干级，仍按初应变的原理采用增量迭代法求解每一级荷载下的非线性平衡方程，通过逐级计算完成每一级荷载下的线性逼近。此外，还出现了二次初应变法等新方法。