冻土弹塑性各向异性损伤模型及其损伤分析

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1、第24卷第19期岩石力学与工程学报Vol.24No.192005年10月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringOct.，2005冻土弹塑性各向异性损伤模型及其损伤分析1，222孙星亮，汪稔，胡明鉴(1.石家庄铁道学院土木工程分院，河北石家庄050043；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉430071)摘要：基于不可逆热力学理论，通过引入能考虑冻土体积变形的塑性势函数，得到冻土弹塑性各向异性损伤本构方程，在与损伤张量对偶的广义力——应变能释放率空间中

2、，构造了损伤累积势函数，并导出各向异性损伤演化方程。应用此模型分析冻土三轴试验资料，计算结果与试验吻合较好。计算结果表明：(1)冻土变形过程中的弹性损伤只占总损伤量的很小一部分，绝大部分损伤发生在塑性变形阶段；(2)围压的增大，有助于冻土结构的强化，从而减少冻土结构的总损伤量。关键词：土力学；冻土；弹塑性；各向异性损伤；损伤演化中图分类号：TU445文献标识码：A文章编号：1000–6915(2005)19–3517–05ANELASTOPLASTICANISOTROPICDAMAGEMODELFORF

3、ROZENSOILANDITSDAMAGEANALYSIS1，222SUNXing-liang，WANGRen，HUMing-jian(1.SchoolofCivilEngineering，ShijiazhuangRailwayInstitute，Shijiazhuang050043，China；2.InstituteofRockandSoilMechanics，ChineseAcademyofSciences，Wuhan430071，China)Abstract：Onthebasisofirrever

4、siblethermodynamictheory，anelastoplasticanisotropicdamageconstitutivemodelispresentedbyintroductionofaplasticpotentialfunctionconsideringthevolumechangeoffrozensoil.Theanisotropicdamageevolutionequationisderivedfromthedamageaccumulatedpotentialfunction,w

5、hichisconstructedinthespaceofthedamagestrainenergyreleaseratethatisconjugatedwithdamagetensor.Triaxialtestsarechosentoillustratetheapplicationofthismodel，andgoodagreementbetweenexperimentaldataandnumericallysimulatedonesisobtained.Thecalculatedresultsind

6、icatethattheamountofelasticdamageonlyaccountsforasmallpercentageoftotalstructuraldamageoffrozensoil，andmostpartofdamagetakesplaceduringtheplasticdeformationphase.Theincreaseinconfiningstresscanstrengthenthestructureandreducetheamountoftotaldamageoffrozen

7、soil.Keywords：soilmechanics；frozensoil；elastoplasticity；anisotropicdamage；damageevolution土表现出的力学性能非常复杂。现有研究成果表1引言[1～3]明，冻土的变形过程就是其微结构损伤的不可逆过程，用损伤力学的理论来研究这种材料在外冻土的变形和强度一直是冻土力学研究和工程荷载作用下力学性能不断劣化的现象是比较合适设计、施工所关注的研究课题。冻土是由土矿物颗的[4，5]。粒、胶结冰、未冻水、水汽及气所组成的典型的非Kac

8、hanov在1958年研究拉伸棒蠕变断裂时间均匀多相材料。由于各相之间的相互作用，导致冻问题时首先提出了损伤的概念，之后文[6～9]先后收稿日期：2004–07–23；修回日期：2004–10–25基金项目：中国科学院知识创新重大工程项目(KZCX1–SW–04)作者简介：孙星亮(1970–)，男，博士，1993毕业于石家庄铁道学院隧道及地下工程专业，现任副教授，主要从事隧道软弱围岩稳定性及特殊土力学方面的教学与研究工作。Email：sun