隧道與地下工程數(shù)值模擬作業(yè)巖土體本構模型及適用條件(共4頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上巖土體本構模型及適用條件0 引 言巖土材料的本構理論是現(xiàn)代巖土力學的基礎。廣義上說，本構關系是指自然界的作用與由該作用產生的效應兩者之間的關系。土體是一種地質歷史產物，具有非常復雜的非線性特征。在外荷作用下，表現(xiàn)出的應力應變關系通常具有彈塑性、黏性以及非線性、剪脹性、各向異性等性狀。土體本構模型就是在整理分析試驗結果的基礎上，用數(shù)學模型來描述試驗中所發(fā)現(xiàn)的土體變形特性。采用數(shù)值方法分析巖土工程問題時，關鍵技術就是模擬巖土介質的本構響應。作為天然材料的巖土是由固體顆粒、水、空氣組成的三相介質，具有彈性、塑性、粘性以及非線性、剪脹性、磁滯性、各向異性等性狀，其應力應變關系

2、非常復雜。自Roscoe等創(chuàng)建Cam- clay模型至今，已出現(xiàn)數(shù)百個本構模型，得到工程界普遍認可的卻極少，嚴格地說還沒有。事實上，試圖建立能反映各類巖土工程問題的理想本構模型是困難的，甚至是不可能的。另一方面，巖土介質具有各向異性特征早已為人們熟知，但對其開展深入研究卻很少。同時，隨著人類工程活動范圍和規(guī)模的擴大，對巖土的滲透特性與水力耦合作用的研究顯得尤為緊迫。因此開展考慮各向異性和滲流應力耦合作用的巖土本構模型的研究具有重要的理論價值和實際工程應用背景。1 傳統(tǒng)的巖土本構模型1.1 彈性模型對于彈性材料，應力和應變存在一一對應的關系，當施加的外力全部卸除時，材料將恢復原來的形狀和體積。彈

3、性模型分為線彈性模型和非線性彈性模型兩類。 線彈性模型和非線性彈性模型，其共有的基本特點是應力與應變可逆，或者說是增量意義上可逆。這類模型用于單調加載時可以得到較為精確的結果。但用于解決復雜加載問題時，精確性往往不能滿足工程需要，因此引發(fā)了彈塑性本構模型的發(fā)展。1.2 彈塑性模型彈塑性模型的特點是在應力作用下，除了彈性應變外，還存在不可恢復的塑性應變。應變增量。分為彈性和塑性兩部分，彈性應變增量用廣義虎克定律計算，塑性應變增量根據(jù)塑性增量理論計算。塑性增量理論主要包括3個方而:關于屈服而的理論;關于流動法則的理論和關于硬化域軟化的理論。應用塑性增量理論計算塑性應變，首先要確定材料的屈服條件，對

4、加工硬化材料，需要確定初始屈服條件和后繼屈服條件域稱加載條件。其次，需要確定材料是否服從相關聯(lián)流動法則。若材料服從不相關聯(lián)流動法則，還需要確定材料的塑性勢函數(shù)。然后，確定材料的硬化或軟化規(guī)律。最后可運用流動規(guī)則確定塑性應變增量的方向，根據(jù)硬化規(guī)律計算塑性應變增量的大小。屈服準則是判斷材料彈塑性的判據(jù)，現(xiàn)有的屈服而大體上可分為兩類:為單一開口的屈服而，也稱錐體屈服而;就是口前廣泛采用的閉合屈服而，也稱帽子屈服而。開口的錐形屈服而主要反映塑性剪切變形，大多數(shù)經典屈服而都屬于這一類型，如T resca準則、Von Mises準則等。但巖土材料不同于金屬材料的顯著特點之一就是單純的靜水壓力也能產生塑性

5、體積應變，而單一開口的屈服而不能反映這種塑性體積應變。所以近年來無論是對原有屈服而的修正，還是提出的新屈服而，多為帽子屈服而，它克服了單屈服而的一些缺點，能較為真實地描述土體的性狀和恰當?shù)財M合多種加載途徑下的試驗資料。現(xiàn)有的帽子屈服而，在二平而上都是外凸的，大多數(shù)以余茂宏建議的雙剪應力強度理論為外邊界;而在子午而上的形狀，有兩端都是圓的蛋形、一頭尖一頭圓的水滴形和兩頭尖的橄欖形。實驗證明，許多巖土材料并不屬于相關聯(lián)塑性流動。這樣，就促成了非關聯(lián)流動塑性力學模型的發(fā)展。在非關聯(lián)流動模型中，通過修正、調節(jié)屈服函數(shù)得到了勢函數(shù)。于是，由材料的某些特性位口屏，粒間摩擦、材料各向異性引起的對關聯(lián)流動法則

6、的偏離就能得到較好的模擬。2 幾種經典的巖土體本構模型巖土介質的本構模型為數(shù)眾多，但得到廣泛應用的并不多。下面就具體地對幾種比較有影響力、應用比較廣泛的本構模型進行簡單評述，并在此基礎上對建立巖土介質本構模型的方法及原則進行分析討論。2.1“劍橋”模型劍橋模型是由英國劍橋大學羅斯柯（Roscoe）等人基于正常固結土和弱固結土試樣的排水與不排水三軸試驗的基礎上，提出了土體臨界狀態(tài)的概念，再引進加工硬化原理和能量方程，建立的一個有代表性的土的彈塑性模型。2.2“拉德鄧肯”模型拉德(Lade)和鄧肯(Duca，1975)根據(jù)對砂土的真三軸試驗結果，將土看成加工硬化材料，采用塑性硬化規(guī)律，由試驗資料擬

7、合出屈服函數(shù)，建立了一種適用于砂土的彈塑性模型。2.3 “清華”模型清華彈塑性模型是以黃文熙為首的清華大學研究組提出來的，根據(jù)試驗確定的各應力狀態(tài)下的塑性應變增量的方向，采用相關聯(lián)的流動法則確定其屈服面，再從試驗結果確定其硬化參數(shù)，這是一個假設最少的彈塑性模型。2.4“南水”模型南京水利科學研究院沈珠江等提出的服從廣義塑性力學理論，適用于軟粘土的雙屈服面彈塑性模型。 2.5“后工”模型鄭穎人及其學生基于廣義塑性理論，采用分量塑性勢面與分量屈服面，在不考慮應力主軸旋轉的情況下，通過室內土工試驗獲得屈服條件的基礎上提出的，既可用于壓縮型土體也可用于壓縮剪脹型土體的彈塑性模型。2.6 適用范圍“劍橋

8、”模型:正常固結土、弱超固結土和強超固結土?！袄锣嚳稀蹦Ｐ?砂土?！扒迦A”模型:砂土和粘土?！澳纤蹦Ｐ?軟豁土?！昂蠊ぁ蹦Ｐ?適合正常固結土、松砂、弱超固結土、中密砂。2.7 優(yōu)缺點“劍橋”模型:該模型從實驗和理論上較好地闡明個了土體彈塑性變形特征，尤其考慮了土地塑性體積變形，但是它不能很好地反映剪切變形。模型受制于經典塑性位勢理論，采用Drucker公設和相關聯(lián)的流動法則，在很多情況下與巖土工程實際狀態(tài)不符，該模型不適用于一般的三維應力空間。“拉德鄧肯”模型:Lade - Duncan雖然模型較好地考慮了剪切屈服，并考慮了應力洛德角的影響。但是該模型需要9個計算參數(shù)，參數(shù)過多且部分物理意

9、義不明確，而且沒有充分考慮體積變形，難以考慮土體在單純靜水壓力作用下的屈服特性。還有這種模型雖然采用非關聯(lián)流動法則，單也會產生過大的剪脹現(xiàn)象，而且還不能考慮體縮。 “清華”模型:模型可反映土的剪脹性，也可用于三維的應力狀態(tài)，可以使用于砂土和粘土，是假設最少的彈塑性模型。“南水”模型:服從廣義塑性理論，適合實際巖土工程情況?！昂蠊ぁ蹦Ｐ?本模型適用于應變硬化土體的靜力計算，不但可用于體積壓縮土體，也可用于壓縮剪脹型土體，但不考慮應力主軸的旋轉。3 近期發(fā)展的新型巖土本構模型3.1 廣義塑性力學理論國內學者鄭穎人等人在廣義塑性力學理論方而做了很多工作。廣義塑性力學認為，傳統(tǒng)塑性理論的3個假設:遵守

10、關聯(lián)流動法則、傳統(tǒng)塑性位勢理論和不考慮應力主軸旋轉，都不符合巖土材料的變形機制。廣義塑性力學從尋找和消除這些假設入手，提出了一些新的觀點。3.2 微觀結構性模型傳統(tǒng)巖土本構模型是建立在宏觀現(xiàn)象學基礎上的關系。若將土體的變形過程看作由原狀土經損傷向擾動土逐漸轉化的過程，可以采用損傷力學理論建立彈塑性損傷模型，并進一步引申為結構性模型。通過微觀結構的研究，使得眾多結構研究成果與其力學性狀發(fā)生定量意義上的聯(lián)系，對解釋宏觀力學現(xiàn)象具有重要意義。3.3 內時模型在經典塑性理論中，總是假設存在著與硬化或軟化過程相適應的屈服而或加載而。但巖土材料的實驗證明，土體無論在壓縮還是剪切時，都沒有理論上所描述的明顯

11、的屈服點，而且往往從加載一開始就會出現(xiàn)殘余變形。所以，從這個意義上講，簡化的屈服而理論常常是與土體變形的真實情況有出入的。3.4 分級模型Desai及同事們提出了用于發(fā)展一般土的本構模型的分層建模概念。該方法以服從關聯(lián)流動法則的簡單各向異性強化模型開始，模型級數(shù)逐漸遞增，較高等級的模型則是通過引入非關聯(lián)流動法則、各向異性強化法則和應變強化或軟化法則得到的。該模型只包括一個屈服而，這與前而所討論的雙而帽蓋模型或多而模型不同。3.5 黏性模型單純的塑性理論難以全而反映土的客觀性質。ScbelPang Deutler和 Harding等分別采用各種材料進行試驗，證實了巖土材料具有彈性、塑性和黏性性質

12、。為了全而反映土的本構關系，就必須同時考慮以上幾點。描述土體的黏性(即應力應變關系受時間的影響飛需要采用與時間有關的模型，如黏彈性模型、黏塑性模型、黏彈塑性模型等，其中最簡單的是黏彈性模型。4 巖土本構模型研究的發(fā)展20世紀70年代至今，巖土本構模型的研究十分活躍。一是出現(xiàn)了不服從塑性勢理論的模型，應用非相關聯(lián)準則的模型，封閉型屈服面模型，雙屈服面模型或部分屈服面模型，多屈服面模型，邊界面模型，考慮應力Lode角影響的三維模型，應變空間表述的彈塑性模型以及基于內時理論的本構模型。二是建立了深層次的巖土本構模型，除各向同性等向硬化模型外，出現(xiàn)考慮初始各向異性和后繼各向異性的非等向硬化模型、復雜應

13、力路徑下的本構模型、動力本構模以及粘彈塑性模型。三是探索了一些新的本構模型，如巖土損傷模型、細觀力學模型、應變軟化模型、特殊土模型、結構性土模型、非飽和土模型等。這些本構模型還并沒有在實際工程中得到廣泛應用，有待結合工程實踐檢驗和修正。同時，受現(xiàn)代科學技術的沖擊，大量非線性科學的基本理論被引入到巖土本構模型的研究中，如Mandebrot提出的分形幾何，Rene、Thom創(chuàng)立的突變論、人工神經網絡等理論。它們從不同層次、不同角度揭示出復雜現(xiàn)象中的本質，為巖土本構模型的進一步研究提供了理論支持。其中，神經網絡用學習代替數(shù)學建模，它能從噪音數(shù)據(jù)中學習復雜的非線性關系。美國V.Lade教授將神經網絡用

14、于巖土力學中，國內的鄧若字、王靖濤運用神經網絡方法建立了一個粘土的非線性本構關系模型，并通過實例說明神經網絡方法的實用性。這種建摸方法的優(yōu)越性、準確性、適用范圍都還有待于探討。5 巖土本構模型發(fā)展趨勢的討論巖土介質本構模型研究的進展近期趨向于模擬復雜載荷條件下的巖土本構特性，以致本構模型的表達式較為復雜，確定模型的材料常數(shù)需要更詳盡的試驗資料。但這并不意味著巖土本構模型的發(fā)展趨向于高級。本構模型研究的發(fā)展趨勢似需更多考慮以下幾個方面：1)建立的本構模型應能用于解決實際問題。對幾種經典巖土本構模型的評述及分析可以看出，巖土介質本構模型能夠在實際工程中得到廣泛應用，是因為以下幾點:(1)能夠反映土

15、體的主要變形特性；(2)易于數(shù)值計算；（3）模型表述簡潔、易于為使用者所理解；(4)模型參數(shù)較少，具有比較明確的物理意義，且易于測定。2)建立的本構模型應易于確定模型參數(shù)。在以往的巖土本構模型研究中不少學者只重視本構方程的建立，而不注重模型參數(shù)的測定和選用研究，也不重視本構模型的驗證工作，因此會出現(xiàn)大量繁雜、不實用的本構模型。在以后的研究中特別要重視模型參數(shù)的測定和選用，重視本構模型的驗證以及推廣應用研究。3)通過改進現(xiàn)有本構模型建立新模型。對于各種應用較廣的經典本構模型的改進、推廣和驗證，從實用角度來說，是件有意義的事。4)建立用于解決實際工程問題的實用模型。要建立一個能適用于各種不同條件的本構模型的普遍形式是不切實際的，其切實的方法是對于不同的工程問題，應該根據(jù)土體的不同要求和具體條