结构性土的剪胀性与扰动状态本构模型试验分析

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1、湖北工业大学硕士学位论文金属的力学性质有本质的区别，土特有的性质如：压硬性、剪胀性、静水压力屈服特性、各相异性等是金属材料所不具备的，这种脱胎于金属的本构关系研究应用于土体存在一定的局限性。随着现代岩土工程技术的发展，数值模拟分析显得越来越重要，而本构模型是岩土工程数值模拟的基础，因此，本构关系研究是土力学理论研究的核心问题之一，自上世纪60年代以来一直非常活跃，取得了丰硕的成果。但是，事实上，试图建立能反映各类岩土工程问题的理想本构模型是困难的，甚至是不可能的，故在建模过程中，需要针对具体的岩土材料类

2、型，对材料性质和受力条件作一些补充假设和限制条件，建立工程实用的岩土计算模型。1．2．1弹性模型弹性模型可分为线弹性模型与非线性弹性模型。Love线弹性模型。该模型假设土体的应力与应变成正比，服从H00kes定律，模型假设土体的应力与应变成正比，服从Hooke定律，且强度是无限的。线弹性模型曾广泛地用于土工数值计算中，但总体来说这种模型过于简化、适用范围小⋯。Duncan—Chang模型¨1。该模型为非线性弹性模型，当围压以=c0邶f时，R．L．Konder建议用双曲线来代表由常规三轴压缩试验所得的(q

3、一吒)一‘关系曲线，即：q一吧2去㈦2·D式中：a、b为与正有关的试验常数。由于泊松比的计算不可靠，1980年Duncan和wong“1等人用体积压缩模量E替换泊松比，改用E—K模型，平面应变情况下，弹性矩阵【砬】如下所示：式中：匠为体积压缩模量，E为切线模量，按下式计算：(1．2．2)墨=老矧≯“nz·s，巨=纸c秒一篆鬻，2㈦z·a，2、，●●●●●●●，OE弓日一+0墨墨3E巨十一O‘墨．门¨、一E芒噬湖北工业大学硕士学位论文卸荷和重复加荷时，弹性模量E，按下式计算：既=如见(生)4(1．2．5)

4、以其中，m为大气压，R，为破坏比，％、如、m、n为试验常数。Duncan—chang模型数学表达简单，概念明确，参数较少且易于测定，在国内外得到广泛应用。但由于它是非线弹性模型，无法考虑岩土材料的剪胀性和应力路径问题，也不能反映中主应力仉对土体强度和变形的影响，且仅对围压接近于常数的加载情况下的土体工程问题有较好的适应性，对类似基坑开挖等有减围压的卸荷土体工程问题则相差较远。针对这些缺点，国内外学者提出了许多改进，如skermer提出了一个考虑中主应力影响的非线性模型，沈珠江将剪胀引起的体积应变按初应变

5、处理，将剪切应力一应变曲线改为有驼峰的应变软化型曲线，提出了三参数的非线性模型。Domaschuk—valliappan模型嘞。该模型以弹性常数K、G为参数，取压缩曲线为半对数曲线，剪切曲线为双曲线，即：勺=唧o+^lIlp(1．2．6)以=#L(1．2．7)l—m4对(1．2．6)、(1．2．7)微分，即得切线体积模量K及剪切模量G：K=粤=^p(1．2．8)口6”G；=pexp(爿一．印)【l一—二％】2(1．2．9)up。该模型同时采用了压缩试验结果和剪切试验结果，这显然比只采用剪切试验结果更为合

6、理，但在推导G时假设平均应力p为常数，这是不合理的。南京水利科学研究院沈珠江建议把该模型加以推广，把剪切曲线写成推广的双曲线，不仅适用于硬化岩石，也能适用于软化的岩土，能描述应变软化阶段。另外，在模型的压缩曲线上加上剪切引起的体应变，即可考虑剪胀现象。1．2．2弹塑性模型弹塑性模型的特点是将岩土材料的变形分为弹性变形d《和塑性变形d够两部分，弹性变形d《用广义hooke定律计算，塑性变形d《采用塑性增量理论计算。有的模型为了建模的需要，还将塑性变形分为剪切屈服面的塑性变形和体积湖北工业大学硕士学位论文屈

7、服面的塑性变形。塑性增量理论主要包括三个方面：屈服准则、流动法则和加卸载准则。尽管当前提出的弹塑性模型非常多，但实际获得公认的模型并不多。剑桥模型和修正的剑桥模型。1963年，英国剑桥大学Roscoe及其同事“⋯””在剑桥重塑粘土试验的基础上，依据能量理论，提出了剑桥模型(Cam—clay)，使土力学理论的发展有了质的飞跃，首次提出了土体临界状态线、状态边界面和弹性墙等概念，构成了第一个比较完整的土体弹塑性模型。基于传统塑性位势理论，采用单屈服面和相关联的流动法则，其屈服面方程为：，二一Mln粤=o(1

8、．2．10)p。p’后来，Roscoe和Burland(1965年)分别研究了剑桥模型屈服面与临界状态线及正常固结线的关系，根据能量方程对剑桥模型屈服面的形状进行了修正，提出了修正剑桥模型，其屈服面方程为：其中：p’为有效平均应力：g为偏应力，反映复杂应力状态下土体受剪的程度；岛’为p7一g平面上屈服面与p’轴的交点：M为p’一g平面上破坏线的斜率，对于摩擦类材料，M：上!坚!生。3一sln口’剑桥模型只有3个参数：p’一g平面上破坏线的斜