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基于能量耗散的土的本构关系研究

秦理曼  
【摘要】:传统岩土本构模型包括两类,一类是拟合试验数据得到的经验模型,这种模型以提高拟合精度为目标,缺乏对岩土材料应力应变本质特性的把握。另一类是理论模型,以Drucker公设和塑性位势理论为基础,由经典塑性力学本构的几个要素(屈服条件、流动法则、硬化规律)组合而成。但这些要素一般都是单独确定,有时会相互矛盾,导致传统岩土理论模型在某些应力路径上,有可能违反热力学基本定律。针对这一问题,本文从热力学基本定律出发,讨论了基于能量耗散的土体本构关系模型及其应用。 论文介绍了基于热力学原理建立本构模型的基本理论和一般过程;研究了能量耗散函数的合理表达形式,并以此为基础讨论了耗散应力空间的屈服函数;根据Ziegler正交假定,确定耗散应力空间的流动法则;根据自由能函数确定迁移应力和弹性关系;再通过迁移应力确定真实应力空间的屈服函数和流动法则;最后结合硬化规律,建立完整的本构关系。 以Collins提出的各向同性模型(isotropic model)耗散函数为出发点,建立了各向同性本构模型。根据屈服面的几何形状,分析了模型参数的取值范围。通过拟合某筑坝土料三轴试验曲线,提供了确定模型参数的方法。将计算的应力应变曲线及体变曲线与试验结果比较,验证了各向同性模型的有效性。对比计算结果说明各向同性模型优于修正剑桥模型。 在各向同性模型基础上,修改耗散函数,增加表征屈服面倾斜程度的变量,建立各向异性模型(anisotropic model)。引入旋转硬化规律,描述屈服面随着加载过程在应力空间旋转,模拟土的各向异性。类比各向同性模型,讨论了不同参数对屈服面的影响,参数之间的关系和参数的取值范围。利用试验数据确定模型参数,计算三轴曲线。与各向同性模型的计算结果对比表明,各向异性模型优于各向同性模型。 在三轴试验中,排水条件下松砂体缩,密砂剪胀;不排水条件下松砂和密砂的有效应力路径不相同。考虑剪胀对材料状态的依赖,尝试了用两种统一模型描述松砂和密砂的变形特性。采用Li建议的e-p′平面的临界状态线,定义当前孔隙比与当前应力对应的临界孔隙比之差作为状态参量。 一种方法是修正各向同性模型的耗散函数,将描述砂土松密的状态参量引入到屈服面函数中,并结合相应的硬化规律,建立基于能量耗散的修正各向同性统一本构模型,体现材料状态对应力应变关系的影响。给定模型参数,计算不同初始状态和加载条件下的三轴试验,验证了这种方法能够模拟松砂和密砂的不同应力路径。 另一种方法是在各向同性、各向异性模型的基础上,引入初始状态参量,修正旋转硬化规律,建立基于能量耗散的联合统一本构模型。分析控制方程,可以定性说明并用


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