隧道与地下工程数值模拟作业岩土体本构模型及适用条件.docx

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1、隧道与地下工程数值模拟岩土体本构模型及适用条件0引言岩土材料的本构理论是现代岩土力学的基础。广义上说，本构关系是指自然界的作用与由该作用产生的效应两者之间的关系。土体是一种地质历史产物，具有非常复杂的非线性特征。在外荷作用下，表现出的应力—应变关系通常具有弹塑性、黏性以及非线性、剪胀性、各向异性等性状。土体本构模型就是在整理分析试验结果的基础上，用数学模型来描述试验中所发现的土体变形特性。采用数值方法分析岩土工程问题时，关键技术就是模拟岩土介质的本构响应。作为天然材料的岩土是由固体颗粒、水、空气组成的三相介质，具有弹性、塑性、粘性以及非线性、剪胀性、磁滞

2、性、各向异性等性状，其应力—应变关系非常复杂。自Roscoe等创建Cam-clay模型至今，已出现数百个本构模型，得到工程界普遍认可的却极少，严格地说还没有。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。另一方面，岩土介质具有各向异性特征早已为人们熟知，但对其开展深入研究却很少。同时，随着人类工程活动范围和规模的扩大，对岩土的渗透特性与水力耦合作用的研究显得尤为紧迫。因此开展考虑各向异性和渗流—应力耦合作用的岩土本构模型的研究具有重要的理论价值和实际工程应用背景。1传统的岩土本构模型1.1弹性模型对于弹性材料，应力和应变存

3、在一一对应的关系，当施加的外力全部卸除时，材料将恢复原来的形状和体积。弹性模型分为线弹性模型和非线性弹性模型两类。线弹性模型和非线性弹性模型，其共有的基本特点是应力与应变可逆，或者说是增量意义上可逆。这类模型用于单调加载时可以得到较为精确的结果。但用于解决复杂加载问题时，精确性往往不能满足工程需要，因此引发了弹塑性本构模型的发展。1.2弹塑性模型弹塑性模型的特点是在应力作用下，除了弹性应变外，还存在不可恢复的塑性应变。应变增量。分为弹性和塑性两部分，弹性应变增量用广义虎克定律计算，塑性应变增量根据塑性增量理论计算。塑性增量理论主要包括3个方而:关于屈服而

4、的理论;关于流动法则的理论和关于硬化域软化的理论。应用塑性增量理论计算塑性应变，首先要确定材料的屈服条件，对加工硬化材料，需要确定初始屈服条件和后继屈服条件域称加载条件。其次，需要确定材料是否服从相关联流动法则。若材料服从不相关联流动法则，还需要确定材料的塑性势函数。然后，确定材料的硬化或软化规律。最后可运用流动规则确定塑性应变增量的方向，根据硬化规律计算塑性应变增量的大小。屈服准则是判断材料弹塑性的判据，现有的屈服而大体上可分为两类:①为单一开口的屈服而，也称锥体屈服而;②就是口前广泛采用的闭合屈服而，也称帽子屈服而。开口的锥形屈服而主要反映塑性剪切变

5、形，大多数经典屈服而都属于这一类型，如Tresca准则、VonMises准则等。但岩土材料不同于金属材料的显著特点之一就是单纯的静水压力也能产生塑性体积应变，而单一开口的屈服而不能反映这种塑性体积应变。所以近年来无论是对原有屈服而的修正，还4隧道与地下工程数值模拟是提出的新屈服而，多为帽子屈服而，它克服了单屈服而的一些缺点，能较为真实地描述土体的性状和恰当地拟合多种加载途径下的试验资料。现有的帽子屈服而，在二平而上都是外凸的，大多数以余茂宏建议的双剪应力强度理论为外边界;而在子午而上的形状，有两端都是圆的蛋形、一头尖一头圆的水滴形和两头尖的橄榄形。实验证

6、明，许多岩土材料并不属于相关联塑性流动。这样，就促成了非关联流动塑性力学模型的发展。在非关联流动模型中，通过修正、调节屈服函数得到了势函数。于是，由材料的某些特性位口屏，粒间摩擦、材料各向异性引起的对关联流动法则的偏离就能得到较好的模拟。0几种经典的岩土体本构模型岩土介质的本构模型为数众多，但得到广泛应用的并不多。下面就具体地对几种比较有影响力、应用比较广泛的本构模型进行简单评述，并在此基础上对建立岩土介质本构模型的方法及原则进行分析讨论。2.1“剑桥”模型剑桥模型是由英国剑桥大学罗斯柯（Roscoe）等人基于正常固结土和弱固结土试样的排水与不排水三轴试

7、验的基础上，提出了土体临界状态的概念，再引进加工硬化原理和能量方程，建立的一个有代表性的土的弹塑性模型。2.2“拉德—邓肯”模型拉德(Lade)和邓肯(Duca，1975)根据对砂土的真三轴试验结果，将土看成加工硬化材料，采用塑性硬化规律，由试验资料拟合出屈服函数，建立了一种适用于砂土的弹塑性模型。2.3“清华”模型清华弹塑性模型是以黄文熙为首的清华大学研究组提出来的，根据试验确定的各应力状态下的塑性应变增量的方向，采用相关联的流动法则确定其屈服面，再从试验结果确定其硬化参数，这是一个假设最少的弹塑性模型。2.4“南水”模型南京水利科学研究院沈珠江等提出

8、的服从广义塑性力学理论，适用于软粘土的双屈服面弹塑性模型。2.5“后工”模型郑颖