淺談巖土彈塑性靜力模子

PAGE第10頁共10頁淺談巖土彈塑性靜力模型摘要：本文先對(duì)巖土類材料的力學(xué)特性進(jìn)行分析，然后對(duì)已建立的經(jīng)典本構(gòu)模型進(jìn)行綜合分析，指出各種模型的特點(diǎn)和適用性，并對(duì)土的本構(gòu)模型的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：巖土；本構(gòu)模型；彈塑性靜力模型；巖土類材料；發(fā)展趨勢(shì)；廣義塑性力學(xué)；Abstract:Inthispaper,theauthorfirstlyanalysesthemechanicalcharacteristicsofgeotechnicalmaterials,andthensyntheticallyanalysesclassicalconstitutivemodel.Thecharacteristicsandapplicationsoftheconstitutivemodelswerediscussedinthepaper.Furthermorethedevelopmenttendencyofgeotechnicalengineeringwasanalyzedandpredictedintheend.Keywords:soil;theconstitutivemodelsofsoil;themodelsofnonlinearstatic;geotechnicalmaterials；developingtendency；generalizedplasticmechanics;0引言材料的本構(gòu)模型（或稱本構(gòu)關(guān)系）是指描述材料力學(xué)性質(zhì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即對(duì)材料的應(yīng)力—應(yīng)變性狀的數(shù)學(xué)模擬。土體是天然地質(zhì)材料的歷史產(chǎn)物，土體是一種地質(zhì)歷史產(chǎn)物，具有非常復(fù)雜的非線性特征。在外荷作用下，表現(xiàn)出的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系通常具有彈性、塑性、粘性以及非線性、剪脹性、各向異性等性狀[1]。廣義上說，本構(gòu)關(guān)系是指自然界作用與由該作用產(chǎn)生的效應(yīng)兩者之間的關(guān)系。而土的本構(gòu)關(guān)系則是以土為研究對(duì)象，以建立土體的應(yīng)力—應(yīng)變—時(shí)間關(guān)系為核心內(nèi)容．以土體工程問題的模擬和預(yù)測(cè)為目標(biāo)，以非線性理論和土質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ)的一個(gè)課題。縱觀土力學(xué)70余年的發(fā)展歷史，人們常將巖土本構(gòu)關(guān)系分為宏觀本構(gòu)關(guān)系和微觀結(jié)構(gòu)本構(gòu)關(guān)系兩個(gè)方面。前者是建立在宏觀現(xiàn)象學(xué)基礎(chǔ)上的本構(gòu)關(guān)系，而后者則是從土的微觀結(jié)構(gòu)角度來建立土的本構(gòu)關(guān)系。通過微觀結(jié)構(gòu)的研究，使得眾多結(jié)構(gòu)研究成果與其力學(xué)性狀發(fā)生定量意義上的聯(lián)系，對(duì)解釋宏觀力學(xué)現(xiàn)象具有重要意義。本文先對(duì)巖土類材料的力學(xué)特性進(jìn)行分析，然后對(duì)已建立的經(jīng)典本構(gòu)模型進(jìn)行綜合分析，指出各種模型的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，并對(duì)土的本構(gòu)模型的發(fā)展研究趨勢(shì)進(jìn)行展望。1巖土材料的基本力學(xué)特性巖土塑性理論與傳統(tǒng)塑性理論的區(qū)別，在于巖土類材科與金屈材料具有不同的力學(xué)特性。巖土類材料的最基本力學(xué)特性，大致可歸納成如下幾點(diǎn)[2]：（1）在一定范圍內(nèi)，巖土抗剪強(qiáng)度和剛度隨壓應(yīng)力的增大而增大，這種特性可稱為巖土的壓硬性。大家知道，巖土的抗剪強(qiáng)度不僅由粘結(jié)力產(chǎn)生，而且由內(nèi)摩擦角產(chǎn)生。這是因?yàn)閹r土由顆粒材科堆積或膠結(jié)而成，居于摩擦型材料，因而它的抗剪強(qiáng)度將與內(nèi)摩擦角及壓應(yīng)力有關(guān)，而金屬材料不具有這種特性。（2）巖土為多相材科，巖土顆粒中合有孔隙，因而各向等壓作用下，巖土能產(chǎn)生塑性體變，而一般金屬材料在等壓作用下是不會(huì)產(chǎn)生屈服的。這種特性可稱為巖土的等壓屈服特性。（3）與金屬材科不同，巖土的體積應(yīng)變與剪應(yīng)力有關(guān)，即在剪應(yīng)力作用下巖土材科可以產(chǎn)生塑性體應(yīng)變（膨脹或收縮），一般稱為巖土的剪脹性。（4）巖土類材料除了具有應(yīng)變硬化性質(zhì)外，還具有應(yīng)變軟化性質(zhì)；而金屬類材料屬于穩(wěn)定材料，不具有軟化性質(zhì)。對(duì)于具有軟化性質(zhì)的材料，在應(yīng)變空間中表述塑性更為方便。上述四個(gè)特性可視作巖土類材料共同的基本力學(xué)特性，這些特性都起因子巖土類材科是由顆粒材科組成的多相體，亦即為多相的摩擦型材料。當(dāng)代的巖土塑性理論必須盡量反映巖土的這些待性[3,4]。當(dāng)然，巖石和土還有一些各自的基本力學(xué)特性，一般亦須在計(jì)算中予以反映。例如．巖體中存在著軟弱結(jié)構(gòu)面和軟弱結(jié)構(gòu)夾層，表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性。而土體則應(yīng)視作由顆粒和水兩相組成，它應(yīng)符合有效應(yīng)力原理。此外，與金屬材料不同，巖土材料還有明顯的抗拉與抗壓不等的特性，以及某些巖土材料具有應(yīng)變軟化特性。2土的本構(gòu)模型研究進(jìn)展2.1土的線彈性模型經(jīng)典土力學(xué)將土體視為理想彈性體，在進(jìn)行變形計(jì)算時(shí)采用基于廣義虎克定律的線性彈性模型，假定土體的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系成正比，通過測(cè)定土在不排水條件下的彈性模量E和泊松比，或者體積變形模量K和剪切模量G來描述其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。土的線彈性模型簡(jiǎn)單，適用于不排水、安全系數(shù)較大、土體不發(fā)生屈服的情況，工程中可用于[5,6]：（1）計(jì)算地基中的垂直應(yīng)力分布；（2）計(jì)算地基在不排水加荷情況下的位移和沉降；（3）基坑開挖問題計(jì)算，用于估計(jì)基坑在不排水條件下的側(cè)向壓力與側(cè)向位移；（4）計(jì)算軟粘土地基在加荷不排水條件下的沉降和孔隙水壓力。蒜2.2撇腐土的非術(shù)線彈性查模型悅土體在屠外荷載超作用下萄一般都帽要發(fā)生織屈服，贈(zèng)其應(yīng)黑力閱—惕應(yīng)變關(guān)握系具有駐非線性嘩，土體通發(fā)生的焦變形既倍有彈性梢變形又圈有塑性戰(zhàn)變形，龜土的非唯線彈性青模型可柄以較好護(hù)地描述鏟其變形兩特性?？仆恋姆潜I線彈性麻模型理當(dāng)論可以棄分為三佛類瘡[2攤,拌7-1雨2]摘：彈性百模型、扶超彈性抹（竹Hyp鋸er赤Ela總sti憂c想）模型抖（又熊稱炒Gre曾e傲n鄰超彈性菌模型）箱和次彈印性鞠（冬Hyp域oE然las門ti悼c臣）模型據(jù)。其中蒸影響最療大、最末具有代社表性的晨主要是倒鄧抗肯?！茝埜猓﨑un極can鎖-Ch尾an怒g譽(yù)）模型恢。鄧吩肯里—碑張模型詳以虎克與定律為繪基礎(chǔ)，抬假定模答型中的給參數(shù)縮[13統(tǒng)]圖（彈性閱模許量貴E服、泊松著比亭、體積央變形模尋量鄭K是和剪切湯模鄰量崗G艇）是應(yīng)普力狀態(tài)豐的函數(shù)惹，與應(yīng)漲力路徑膀無關(guān)，窄利用土乏體常規(guī)省三軸試約驗(yàn)得到花的應(yīng)庭力的—欣應(yīng)變曲幟線建立估了模型救參數(shù)關(guān)壯系銷?？碊un懸can范-Ch程an決g凡模型能厚較好地克反映土扮體的主櫻要變形個(gè)特性，南考慮了削土體非膚線性變景形中加受載模量賺和卸載索模量的貿(mào)不同，商模型中惕參數(shù)的方物理意丙義明確邀，同時(shí)才可以通悟過常規(guī)放三軸試網(wǎng)驗(yàn)確定深其模型張參數(shù)，嚇因而在沸工程中管得到了悄廣泛的浮應(yīng)用。丹但是，約該模型謀不能反鐵映土體憂的剪脹京性及中堵主應(yīng)力籠對(duì)模量刑的影響挪，針對(duì)形該缺陷籌，沈珠遭江炮[14揚(yáng)]扇提出了炊考慮球必張量與汁偏張量面相互影嚇響及土敢體剪脹濃性的非班線性彈雁性模型遲。屑2.3蹈限土的彈挺塑性模還型柄土的彈歉塑性模易型能較槐好地模乞擬土的村彈塑性趴應(yīng)針力附—株應(yīng)變關(guān)仔系。土貍的彈塑添性模型繼研究早啄期是借間用金屬段材料的芽經(jīng)典理剛想彈塑聞性模型無，經(jīng)鴿過仇Dru童cke嘗r浪[2]襲和胡Ros豐co駐e雙逐漸發(fā)績(jī)展建立膜了加工儉硬化彈潔塑性理看論和臨叫界土力僑學(xué)。隨濤后人們差根據(jù)不牢同的屈掛服準(zhǔn)則修、硬化登及軟化矮定律及旬流動(dòng)法溜則，相左繼建立扒了大量帆的彈塑霜性模型某，其中袍主要有處：童（進(jìn)1圓）劍橋須（休Cam巴bri面dg縫e公）模型三。劍橋減模型由宏劍橋大角學(xué)羅斯不科卡（繭K.H惰.Ro源sco券e欄）等根輩據(jù)正常庭固結(jié)或疑弱超固千結(jié)粘土罵（又稱駐為朗“飄卡姆粘蔽土艦”幻）的三鉗軸試驗(yàn)?zāi)c結(jié)果建魄立的，致模型中雪假定土貍體為加制工硬化體材料，襖服從相職關(guān)流動(dòng)兼法則和精能量守株衡方程亞，又稱宗為臨界珠狀態(tài)模很型，它輔從理論桃上闡明他了土體監(jiān)的彈塑謹(jǐn)性變形槳特性帖。承196纏8辰年睛K.H宜.Ro唉sco年e架和繳J.B橋.Bu蓬rla啄ndc愧[2]灑對(duì)模型惹進(jìn)行了見修正，疑建立了順修正的努劍橋模令型。模丟型通過熊常規(guī)三割軸試驗(yàn)曠測(cè)定土賢的壓縮編特性常妥數(shù)穴、膨脹豎特性常鈴數(shù)兼k輕和試驗(yàn)膨常塔數(shù)朽M虹（由土調(diào)的內(nèi)摩診擦角控敢制）三攝個(gè)參數(shù)椅，就能喘確定正置常固結(jié)屈或弱超例固結(jié)粘堤土在各寶種應(yīng)力摟路徑下鋤的應(yīng)力訂和應(yīng)變輔，在許圍多情況供下能較積好地反權(quán)映土的險(xiǎn)變形特脹性。它殿的本構(gòu)企方程如旬下：辣厭竄（式中情參數(shù)略誼，可參皆考文洽獻(xiàn)詞[2嶺]經(jīng)）忠圖光1芳主應(yīng)力搞空間中誠(chéng)屈服面浩與臨界動(dòng)狀態(tài)除（灘2定）拉意德放—判鄧肯橫（正P.V糾.Ia蟻de-腿J.M掩.Du圈nca壺n練）模型邪。鏡197露5貴年黃Lad別e瞞和趟Dun笨can低[2]臭將土體餃視為加采工硬化詞材料，盲認(rèn)為材伏料服從蹲不相關(guān)升聯(lián)流動(dòng)在準(zhǔn)則，儉采用塑脖性功硬疑化規(guī)律做，根據(jù)蝶砂土立搞方體試束樣的真伯三軸壓朗縮試驗(yàn)腹結(jié)果，盼建立了居一個(gè)適貪于無粘敬性土的但彈塑性檔本構(gòu)模孤型．可贊用于三踐向應(yīng)力暮情況，豆參數(shù)由鳳三軸試臟驗(yàn)結(jié)果轟推算確積定。模暢型中考至慮中主污應(yīng)力、坡剪脹效葵應(yīng)以及和應(yīng)力路敗徑的影頭響，試樂驗(yàn)證明暢，在大黃多數(shù)荷銜載情況卷下它能鏡較好地飲模擬無峰粘性土鋼的應(yīng)小力熱—幻應(yīng)變性歇狀。拉凝德流—捕鄧肯模艦型的本衣構(gòu)方程煉如下：任騎皂（式中跳參數(shù)略汪，可參不考文集獻(xiàn)賠[2跨]汁）輩圖斷2蝴往拉襖德川—唱鄧肯縮模型屈屠服面踐（紅3反）邊界薄面模型初。為了牽描述反揪向卸載玻時(shí)陷的找Bau森s-c拉h(huán)in太ge旨r盟效應(yīng)和蟲周期循毅環(huán)加載憤情況覽，鉛Mor獸z漂、紫1wa聯(lián)m懸、館Daf蓬ali驅(qū)a溪s查以晴及恒Daf少ali拾as-憶Hor漁man成n輔等人發(fā)跡展了各掉種邊界臟面模型賄，其中艙比較有先代表性城的福是沫Daf尺ati淚as-活Her匠-ma姿n橫n紐邊界面姨模型搏[11鞋,12閉,13陶]篩，該模吸型主要券基于塑斤性硬化即模量場(chǎng)制理論和志邊界面蘇理論，駛考慮了桿應(yīng)力路辛徑在屈捧服面內(nèi)蘭時(shí)可能易產(chǎn)生的該塑性變顆形情況識(shí)。兆（痰4嚇）多屈漲服面模趕型。不菠少學(xué)者榜認(rèn)為單英一屈服勾面難于否解釋土透的變形崗特征，慚主張采埋用塑性瞧體應(yīng)變?nèi)鹋c塑性幼偏差應(yīng)揚(yáng)變尚或其組默合作為揉各自硬貿(mào)化參數(shù)懷，利用尼兩個(gè)或尺多個(gè)屈取服面組貍合來描劃述土的逗變形特湊征，提麻出了雙春屈服面京模型和渾多屈服砍面模型椒，沈珠晉江謎[14蛇]宜發(fā)展了鑼多重屈鑒服面的覆概念并痕建立了描三重屈找服面模開型，該概多重屈探服面模岸型能不諸同程度如地反映陶土的剪陽脹與剪鳥縮。對(duì)留不同的絹應(yīng)力路領(lǐng)徑也有澤較好的庫適應(yīng)性司。從（邊5繪）南京敲水利科接學(xué)院彈聾塑性模獄型。由毒沈珠江撲等提出即雙屈服晝面彈塑金性模型摟適用于驅(qū)軟粘土技，并服王從塑性寫力學(xué)理雪論，在聯(lián)國(guó)內(nèi)已反應(yīng)用十獵幾年，孩獲得較易好的使酒用效果茶[15舞]撐。毫“稠南夸水倉”罷模型假謊設(shè)豪：證1垃.亭塑性應(yīng)財(cái)變與應(yīng)薪力狀態(tài)宜存在惟宴一性關(guān)斯系凍；匆2寶.叉塑性體霞應(yīng)變與臟塑性剪及應(yīng)變的束等值面捉分別為掌體積屈反服面與冊(cè)剪切屈尺服面或；項(xiàng)3舊.燈壓縮曲悄線用半對(duì)對(duì)數(shù)曲旬線擬合擾；廁4廟.膛子午平鬧面上體嬸積屈服漫曲線為殼一組蛋禿形線理；重5循.師剪切屈廚服曲線騰為一組遇雙曲線獵；脊6桐.玉模型中殿不考慮匆應(yīng)力洛思德角的拾影響趕[2]遷。菜“村南誘水?dāng)R”膏模型殃塑性應(yīng)辰變?cè)隽棵睘榻^：堆（式中況參數(shù)略肯，可參玻考文漁獻(xiàn)垮[2雨]揚(yáng)）父2.6悉著巖土的綢本構(gòu)模盞型研究予新理論宇建立土拌的本構(gòu)憶模型的脖核心問宅題就是坐通過土結(jié)體在實(shí)拼驗(yàn)中所詠表現(xiàn)出次的力學(xué)然行為來胃反演其現(xiàn)內(nèi)在的陳本構(gòu)關(guān)蔽系城[8,孝17]便。近年屑來，由乏于科學(xué)釋技術(shù)的春發(fā)展，心大量非譽(yù)線性科物學(xué)理論耀，如分肺形幾何潮，突變摩論、人隊(duì)工神經(jīng)虧網(wǎng)絡(luò)和擊生物競(jìng)棕爭(zhēng)理論寶等被引孔入到土韻本構(gòu)模狗型的研刺究中，結(jié)不少學(xué)逼者借助篩先進(jìn)的圈數(shù)學(xué)理艦論和數(shù)腐值算法誼去探索諒?fù)馏w本暴構(gòu)模型析研究的虛新途徑唉，這些逃方法主助要依據(jù)們實(shí)驗(yàn)資疤料，通還過模型男本身的坑運(yùn)算來挖建立合甘理的本惜構(gòu)關(guān)系為，有較侄高的應(yīng)伏用價(jià)值霜，但模加型的準(zhǔn)段確性和團(tuán)適用范腸圍還有離待深入債探討。癥3拼呈巖土的五本構(gòu)模廊型研究禽趨勢(shì)衣由于巖有土材料添本身及券其變形遺機(jī)制的吸復(fù)雜性肯和多樣智性，致鴉使巖土故本構(gòu)模腰型研究譜興旺不蟲衰。經(jīng)歌典土力寬學(xué)是以則連續(xù)介港質(zhì)為基勢(shì)礎(chǔ)，并幼以理想滲粘性土該和非粘惠性土作孤為研究船對(duì)象。駝理想彈態(tài)性模型匯和塑性唉模型是場(chǎng)最簡(jiǎn)單年的本構(gòu)敞模型。盈應(yīng)用連朵續(xù)介質(zhì)陸力學(xué)求隊(duì)解巖土色工程問暢題，解賢答是否充合理取幅決于所援用本構(gòu)釘模型是料否合理驢。因此霸若提高郵應(yīng)用連猛續(xù)介質(zhì)登力資學(xué)求解鍋巖土工幼程問題注的水平疫，本構(gòu)戚模型研艇究已成來為其瓶純頸，它務(wù)嚴(yán)重制謊約其發(fā)糖展。開櫻展巖土執(zhí)本構(gòu)模刊型研究邊可以從越以下幾愈個(gè)方面守努力跳[2塔,局6囑,7橫]麻：棒（慨1裂）建立森和發(fā)展販適應(yīng)巖應(yīng)土材料畝變形機(jī)識(shí)制的、診系統(tǒng)的鳴、嚴(yán)密毛的廣義倚塑性力津?qū)W體系錯(cuò)。廣義譜塑性力砌學(xué)是在幸研究巖贈(zèng)土類材鉗料的變盞形機(jī)制秘和在傳樸統(tǒng)塑性頸力學(xué)的危基礎(chǔ)上息發(fā)展起豎來的，碰它消除距了傳統(tǒng)遷塑性力坑學(xué)中的滾一些假賊設(shè)。即窮適用于糖巖土類比材料，祖也適用暴于金屬針材料，表傳統(tǒng)塑掏性力學(xué)述是它的袍特例。勞廣義塑休性力學(xué)貞消除了彎經(jīng)典塑約性力學(xué)姿中的傳攤統(tǒng)塑性教勢(shì)假設(shè)云、正交溫流動(dòng)法蓄則假設(shè)舅與不考飲慮應(yīng)力策主軸旋膚轉(zhuǎn)的假混設(shè)，從見固體力域?qū)W原理膝直接導(dǎo)債出了廣篇義塑性迷位勢(shì)理跡論。欲（帽2花）理論紫、試驗(yàn)辣及工程差實(shí)踐相僅結(jié)合，腎通過試融驗(yàn)確定坦屈服條轟件及其需參數(shù)，采以提供富客觀與穴符合實(shí)索際的力參學(xué)參數(shù)藍(lán)。蜘在以往室的巖土匪本構(gòu)模娘型研究擋中不少剛學(xué)者只啊重視本牲構(gòu)方程管的建立事，而不帥注重模搜型參數(shù)鳳的測(cè)定主和選用郊研究，潮也不重腿視本構(gòu)廊模型的海驗(yàn)證工帆作，因炮此會(huì)出幅現(xiàn)大量豪繁雜、告不實(shí)用顧的本構(gòu)補(bǔ)模型。疲（賺3?。┙⒂聫?fù)雜加炊荷條件譯下、各欲向異性踐情況下毫、動(dòng)力密加荷以貴及非飽核和土情烏況下的脂各類實(shí)巧用模型您。剝它應(yīng)能蜂反映特兔定情況控下巖土酸體的主摸要性狀胳，用它束進(jìn)行工君程計(jì)算搖分析，云可以獲戲得工程逃建設(shè)所呆需精度孫的滿意篇的分析世結(jié)果。恥4保鞋結(jié)束語綢從實(shí)用著來說，良一個(gè)合蛋理的本瓶構(gòu)模型隊(duì)除了要渠符合力役學(xué)和熱見力學(xué)的紫基本原鬼則和反正映巖土說實(shí)際狀堵態(tài)外，遇還必須戶進(jìn)行適剛當(dāng)?shù)暮?jiǎn)筐化，使興參數(shù)的額選擇和找計(jì)算方懸法的處屈理上盡粒量的簡(jiǎn)荒便。因領(lǐng)此．要趴建立一略個(gè)包羅獄萬象的擋巖土模賤型是不咬可能的陪，一殷各應(yīng)根據(jù)任巖土特左性，工伴程對(duì)象羞與要求涉（如應(yīng)袖力路徑火，變形殃員的大第小等）教，去尋央找最簡(jiǎn)擦單，但叮又能說肺明最主蠅要問題秘的數(shù)學(xué)臉模型。迎參考文耍獻(xiàn)：房[1]僻圍法龔曉南菠，葉黔燃元，徐鐵日途慶品.飯麥工程材秋料本構(gòu)割方界程央[M]針.及伶北京：礦中國(guó)建濁筑工業(yè)果出版杜碧，走199半5燦：斥10-尸16止[2]袍慨閑鄭穎人砍，沈珠叨江，龔皂曉銷南惡.寬么巖土塑木性力學(xué)潔原伏理洗[M]諷.揪真北京：震中國(guó)建礙筑工業(yè)偷出版杜旨，梢200梁2譜：授8-1按1,1械90-甲209陳[3]極所仰鄭穎人釋，龔曉龍南駐.累菠巖土塑釘性力學(xué)愛基扛礎(chǔ)陳[M]脅.敘世北京：熱中國(guó)建糧筑工業(yè)惰出版杜島，適198吹9攤：嗓8-1放1畝[4]腸逃踢龔曉霉南住.檢酷土塑性床力蘋學(xué)樂[M瞧]拐．杭州劃：浙江區(qū)大學(xué)出縫版社悅，投199詠9參：迎19-灣24練[5]巖休唐鄧子遺勝自.詠?zhàn)阑炷劣竞屯恋臅潮緲?gòu)模洽型泊[J霸]燙．五邑趟大學(xué)學(xué)息報(bào)（自促然科學(xué)麗版）壇，套200法2損，揪6焰（座2掠）念[6]盼鋼只雷華陽貌．土的奏本構(gòu)模追型研究叫現(xiàn)狀及甚發(fā)展趨煉勢(shì)敞[J栗]怠．世界止地質(zhì)腳，弦200戒0繞．征9(3餃)嫁[7]上透楊林德泥，張向務(wù)霞摘.塑平巖土本區(qū)構(gòu)模型浙研究的址回顧和腹