考虑剪胀性和应变软化的粉细砂双屈服面本构模型

《考虑剪胀性和应变软化的粉细砂双屈服面本构模型》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、水利学报年月第卷第期文章编号考虑剪胀性和应变软化的粉细砂双屈服面本构模型黄茂松扈萍张宏博同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海同济大学地下建筑与工程系上海山东大学土建与水利学院山东济南摘要针对上海粉细砂不存在唯一临界状态线的特点对传统的砂土本构模型进行了改进提出了一个能合理描述粉细砂剪胀性和应变软化特性的弹塑性本构模型该模型采用双屈服面形式可同时反映剪切变形及压缩变形机理模型对传统修正剑桥模型中的剪胀性公式进行了改进考虑了反映塑性体积应变由正转为负时对应的特征状态应力比与初始有效围压的相关性为了描述应变软化特性提出了一个利用残余

2、状态应力比和峰值应力比的应变软化公式可较为合理地反映粉细砂的应变软化特性通过对上海粉细砂的多组试验结果模拟验证了本文模型的合理性和有效性关键词粉细砂剪胀性应变软化双屈服面中图分类号文献标识码研究背景土体的剪胀性一直是本构模型中研究的关键问题对于砂土而言剪胀性与砂土的密实度和有效围压密切相关自提出应力剪胀理论以来其作为流动法则早期曾广泛应用于描述砂土力学特性的本构模型中然而由于这些模型忽略了剪胀性与材料状态之间的关系将不同密实度的同一种砂土作为不同的材料因而使得同一种砂土有多组材料参数并且不能很好地描述砂土剪切过程中的力学响应近年来一

3、些学者如等蔡正银等基于等提出的状态参数的概念针对不同类型砂土在不同初始密度及有效围压下的变形特性进行了大量试验研究并在此基础上成功地建立了基于材料状态相关临界状态理论的砂土模型这些模型将不同初始密实度的砂土视为同一种材料针对同一种砂土采用统一的一套材料参数当然砂土的初始密实度和有效围压也是输入参数尽管如此由于砂土变形特征的复杂性使研究者在砂土是否存在唯一临界状态线问题上一直存在较大争议而且有关粉细砂包括粉煤灰在内的试验结果也显示并不存在唯一的临界状态线这种基于材料状态相关临界状态理论的砂土模型一般只对洁净的中粗砂比较适合因此为了合理

4、地描述上海粉细砂的力学特性克服无法确定临界状态线的局限性本文对上海粉细砂的研究仍然基于传统的砂土本构模型框架但传统的砂土本构模型存在着一个明显的缺陷就是对于同一初始密实度不同初始有效围压的砂在剪缩向剪胀转换时采用同一特征状态应力比应力比为偏应力与平均有效应力之比而本文所采用的特征状态应力比将与初始有效围压有关应变软化也是砂土的一个重要变形特性大量三轴试验表明砂土在剪切强度达到峰值应力比后往往会出现应变软化特别是对于密砂或中密砂因此在本构模型中应该合理地反映这种应变软化现象在基于材料状态相关临界状态理论的砂土模型中比如等都是利用峰值应

5、力比和当前状态参数的关系来隐式地模拟砂土的应变软化现象问题是需要利用临界状态线来确定当前状态收稿日期基金项目国家自然科学基金重点项目作者简介黄茂松男浙江玉环人教授主要从事岩土工程的研究参数为此本文提出一个利用残余状态应力比与峰值应力比的应变软化公式此外现有的砂土本构模型多为单屈服面模型在模拟砂土变形特别是一维压缩变形时存在明显的缺陷因此有必要引进双屈服面加以改进目前已有一些适用于砂土的双屈服面模型提出较早期的工作包括等以及等本文则采用引入形状参数的修正剑桥模型形式作为压缩屈服面建立一个适用于粉细砂的双屈服面本构模型模型描述弹性模量弹

6、性剪切模量的变化取决于当前孔隙比与有效平均应力这里采用等给出的经验表达式即式中为孔隙比为大气压力为材料常数这样弹性体变模量可表示为或式中剪切屈服面屈服函数砂土的塑性变形主要是颗粒之间的错位滑移造成的当施加荷载时表现出明显的剪胀剪缩变形对于剪切硬化特性本文采用等所提出的屈服函数即式中为有效平均正应力为广义剪应力为应力角的定义为式中为发挥内摩擦角硬化准则应力比的硬化规律在模型中分为两部分考虑如图所示当应力比达到峰值应力比之前砂土呈现应变硬化特征其硬化准则参考等提出的全量双曲线形式即式中为材料常数为峰值应力比为塑性广义剪应变应力比达到峰值

7、应力比之后则根据峰值后应力比的变化规律引入应变软化的参考变量其中为峰值点对应的塑性剪应变其图砂土硬化?软化规律及的定义硬化准则采取如下式中为模型参数是一个大于零的实数为峰值应力比为残余状态应力比式物理意义明确从式可以看出当趋近于零即塑性剪应变趋近于峰值点的塑性剪应变时趋近于峰值应力比而当趋近于无穷即塑性剪应变趋近于无穷时趋近于残余状态应力比这都符合峰值后应力比的变化趋势塑性势函数塑性势函数的确定实际上就是剪胀性的描述正确描述砂土的剪胀对模型的合理性非常重要剪胀性定义为塑性体应变增量与塑性剪应变增量之比即?式中本文采用了等所采用的剪胀

8、性方程并推广到三维形式为式中为模型参数?为应力比为塑性体积应变由正转向负时对应的应力比也可称为特征状态应力比根据常规三轴剪切试验中特征状态应力比与初始有效围压的关系可由下式确定式中分别为峰值应力比与残余状态应力比为假定的有效平均应力水