基于砂土弹塑性本构关系的数值建模研究

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1、华中科技大学硕士学位论文砂土弹塑性本构关系的数值建模研究姓名：高红申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：王靖涛;丁美英2003.4.21华中科技大学硕士学位论文摘要l岩士本构关系是岩土工程应用和仿真的基础。自60年代以来，它的研究获得了迅I速的发展，已成为固体力学研究领域中的热点之一。目前各国研究者已提出了相当多的岩土弹塑性本构模型。然而，这些模型基本上都是基于塑性势理论，寻找塑性势的解析表达式成为建立应力应变关系的基本途经。岩土是天然地质介质，它们的组成、微细观结构、初始状态、应力历史、周围环境(

2、地质和水文)等都存在很大差异，因此要用比较简单的解析表达式来描述它们在特定条件下的力学行为是相当困难的。热力学、连续介质力学等为建立材料的术构模型提供了必须遵守的基本定律。然而，对于具体的材料还必须以试验获得的它们的力学响应结果为基础来建立本构模型。实际上，在各种复杂加载条件下获得的试验数据中，已蕴藏着材料应力应变关系的大量信息。关键的问题是如何从中提取出本构规律来。从大量观测数据中提炼出需要的信息正是反问题理论研究的内容。l划此，从人m观察、试验和测量所获取的岩土力学响应数据，反演出它们变形和破坏的规

3、律，实质上是个反问题。目前找到的最佳反演工具是神经网络，它具有网络自动生成、高度：m、线性映射和处理大规模信息等特点，为数值建模提供了强有力的手段。斗一／在传统的弹塑性模型中，现有的方法均是寻找塑性势的解析表达式，通过粥悱势建立应力一塑性应变的增量关系。对于性质受到很多因素影响的岩土介质，要找到一‘个很好反映本构关系的函数表达式是很困难的。鉴于此，有必要探寻新的建模方法来满足工程实际应用的需要。按照基于反问题理论的岩土本构关系数值建模方法，对砂土弹塑性本构关系数值建模进行了比较系统的研究。根据三轴试验结

4、果，利用改进的神经网络方法，获得了整个(p，g)应力场中的应力应变关系，并进行了可视化，绘{_n了应力应变关系的i维曲面和相应的屈服轨迹。不同应力路径下获得的本构关系三维lll

5、而和屈服轨迹商观—————————一——_——’——_H一地反映出了应力路径对士本构关系的显著的和不可忽视的影响。把建：扩f门小构模Ⅲ嵌入到有限元程序中去计算三轴试样的应力一应变关系曲线，并与试验Hn线进行了对比，、华中科技大学硕士学位论文结果表明，数值建模方法是可行和有效的。本文提出的神经网络模型与传统的数学建模方法不同，它用

6、网络来代替解析表达式，能更有效地反映复杂的土的本构关系。((1)应力应变关系是直接从试验曲线中提jj；t出来的，并未涉及到塑性势理论，克服了寻找塑性势的解析表达式的困难。(2)可以反映出压硬性、剪胀、剪缩和应力路径效应，建模过程中并不要求规定的应力路径，鹰力路径可自由选择，为模拟土体中实际应力路径提供了有效的方法。(3)随着工程应_}fi的扩大，训练样本的增多，网络可以不断改进和完善粤关键词：弹塑性本构关系j反问题理论)(数值建模?应力路径华中科技大学硕士学位论文ABSTRACTThetheoryofs

7、oilconstitutiverelationsisthebaseofgeotechnicalengineeringapplicationandsimulation．Since1960's，theresearchofconstitutivetheoryhasrapidlydevelopedandhasbecomeoneofthehotspotsofsolidmechanicsfield．Nowscholarsofmanycountrieshavebroughtforwardmanyelastoplast

8、icconstitutivemodelsofsoil．However,almostallelastoplasticmodelsarebasedonplasticpotentialtheory,SOfindingtheplasticpotentialfunctionbecomesthebasicapproachofbuildingthestress·strainrelations．Soilisanaturalgeologicalmedium．Therearemanydifferencesinsoil’Sc

9、omposition，microstructure，originalstate，stresshistory,surroundingenvironment(geologyandhydrology)andSOon．Soitisverydifficulttodescribeitsmechanicalresponseundergivenconditionsbyusingasimplefimction．Thebasiclawsinthermodyna