土的本構(gòu)關(guān)系的綜述

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1、土的本構(gòu)關(guān)系的綜述土的本構(gòu)關(guān)系，即土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，是現(xiàn)代土力學(xué)的核心內(nèi)容，也是有限元分析計算的基礎(chǔ)。建立一個有效而經(jīng)典的本構(gòu)模型需要對土的基本特性透徹把握，并且可全局規(guī)劃。同時，一個有效且經(jīng)典本構(gòu)模型還可以作為一個捷徑讓初學(xué)者逐步認識到土加載變形過程。而建立土的本構(gòu)模型的核心問題就是通過土體在實驗中所表現(xiàn)出的力學(xué)行為來反演其內(nèi)在的本構(gòu)關(guān)系。從我們的認識基礎(chǔ)之上，土體是天然地質(zhì)材料的歷史產(chǎn)物，還是一種復(fù)雜的多孔材料，當(dāng)受到外界荷載作用后，艽變形可歸納為下面兒種特性：土體的變形具有明顯的非線性：土體在剪切應(yīng)力作用下會產(chǎn)生塑性應(yīng)變，同時球應(yīng)力也引起塑性應(yīng)變

2、；土體中特別是軟黏土，具有十分明顯的流變的特點；由于土體的構(gòu)造或沉積等原因，使土具有各向異性；超叫結(jié)黏土等在受剪后都表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特性;還有十體的變形與應(yīng)力路徑有關(guān)，證明不同的加載路徑會出現(xiàn)較大的差別;土的剪脹性可以更好地描述土體的真實力學(xué)-變形特性，建立其應(yīng)力、應(yīng)變和時間的關(guān)系。針對土這樣一種多相離散、影響因素很復(fù)雜的材料，想去建立一種精確并且可面面俱到地反映每一因素的本構(gòu)模型基本是做不到。在這種情況下，我們要抓住主要矛盾，應(yīng)該考慮去建立可行的具有物理概念正確數(shù)學(xué)表達嚴(yán)密模型參數(shù)應(yīng)用方便的本構(gòu)模型。其次，土本構(gòu)模型的建立是一個重要而又復(fù)雜的問題，到

3、目前為止，國內(nèi)外學(xué)者們建立了很多模型，很多論文對這些模型進行了講述。然而這些土本構(gòu)模型的出發(fā)點都是在擾動土或砂土的基礎(chǔ)上，它們難以描述在土的結(jié)構(gòu)性作用下各種非線性行為，從而造成計算結(jié)果不正確，不貼和實際情況。天然土體一般都具有一定的結(jié)構(gòu)性，所以有必要建立考慮土結(jié)構(gòu)性影響的土本構(gòu)模型。在此現(xiàn)實基礎(chǔ)上,很多專家將土結(jié)構(gòu)性影響特性納入建立本構(gòu)模型的因素中。再者，隨著CT技術(shù)、X射線和光彈試驗等在土體研究中的應(yīng)用，從而使得我們對土體的宏觀變形和微觀規(guī)律有了更進一步的認識。在對土的結(jié)構(gòu)性研究引起重視，建立了不少的模型研究成果表明：土的結(jié)構(gòu)性對JT?壓縮特性、強度

4、包線特性等都有顯著的影響在研究土體結(jié)構(gòu)性模型的同時，不少專家結(jié)合蘇他理論迷立了土體的損傷本構(gòu)模型。在實際情況里，我們應(yīng)針對具體工程做出選擇。工程師們關(guān)心土體從加載直至破壞失穩(wěn)的整個過程，那么初始模量、最終抗剪強度以及加載過程屮的應(yīng)力應(yīng)變及體變規(guī)律三個要點都是需要考慮分析的，此時彈塑性模型將作為首要選擇，要足著蜇考慮工程強度穩(wěn)定性，本構(gòu)模型對最終強度的體現(xiàn)足最ffi要的，可選取例如強調(diào)最終破壞剪應(yīng)力的理想塑性模型；或者足土的抗剪強度大于實際萜載遠，我們可近似視認為變形是在彈性范M內(nèi)的，隨之應(yīng)該選擇彈性本構(gòu)模型。首先先闡明了應(yīng)力應(yīng)變性態(tài)的兒種基本形式，如下

5、圖中所示。a)非線性彈性b＞線性彈性44UC)非彈性或塑性d)M1性、完全塑性⑵(1)⑶(1)完全彈性(2)應(yīng)變硬化(3)應(yīng)變軟化e)彈塑性€-粘彈性探變再闡述幾種經(jīng)典的巖土木構(gòu)模型。理想彈塑性模型Coulomb-Mohr破壞與屈服準(zhǔn)則，庫侖破壞準(zhǔn)則是庫侖于1773年提出的，它建立在土的摩擦試驗、壓剪試驗或三軸試驗的基礎(chǔ)之上。準(zhǔn)則方程為：tf=C+o-tan其中C為土的粘聚強度,為內(nèi)摩擦角。用普通三軸試驗，可測定發(fā)生某破壞面吋主應(yīng)力表達的破壞準(zhǔn)則，如在oI〉o2=o3條件下，f*(o1,o3)=0。如果已知三軸試件內(nèi)破壞面與小主應(yīng)力方向之間的傾角為Pf

6、，則巾普通三軸試驗的莫爾圓，將破壞面上的剪應(yīng)力與法向應(yīng)力代入庫侖破壞準(zhǔn)則，得莫爾一庫侖(C-M)準(zhǔn)則：ol-o3=2ccos+(ol+o3)sin3f另外就是Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。Drucker與Prager丁‘1952年提出了考慮靜水壓力影響的廣義Mises屈服與破壞準(zhǔn)則，簡稱為D-P屈服或破壞準(zhǔn)則。D-P準(zhǔn)則的屈服函數(shù)為：f(Il,J2)=J2-aTl-k=0(3)f(p,q)=q~33ap~3k=0(4)f(oo,to)=yo-6apo-2K=0(5)其中a，k為D-P準(zhǔn)則材料常數(shù)，按照平面應(yīng)變條件下的應(yīng)力和塑性變形條件，Druc

7、ker與Prager推得了a，k與C-M準(zhǔn)則的材料常數(shù)，c之間的關(guān)系為：a=sin/33+sin2k:3ccos/3+sin2巾于土材料木身及其變形過程中的復(fù)雜性和多樣性，從而對木構(gòu)模型的研究經(jīng)久不袞。在經(jīng)典土力學(xué)是以連續(xù)介質(zhì)為基礎(chǔ)，并以理想粘性土和非粘性土作為研究對象，理想彈性模型和塑性模型是最簡爭的木構(gòu)模型。對此如果要提升將連續(xù)介質(zhì)力學(xué)更深層次運用于巖土W題中，這樣的木構(gòu)模型很嚴(yán)重地制約著實際工程問題的解決。不過隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量非線性科學(xué)理論，通過模型本身的運算來建立合理的本構(gòu)關(guān)系，有較高的應(yīng)用價值，但模型的準(zhǔn)確性和適用范圍還有待于深入探討

8、。土的本構(gòu)模型研究趨勢建立和發(fā)展復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)與加卸載序列條件卜*土的本構(gòu)模型，準(zhǔn)確反映土的非線