阐述岩土材料的塑性变形

摘要:岩土材料的塑性变形即岩土界所谓土的本构关系.众所周知,土体是一种具有压硬性和剪胀(缩)性的摩擦型固体颗粒材料,存在原生各向异性和应力诱发的各向异性,所以土的应力应变关系非常复杂.文章主要介绍土的塑性变形机理和本构关系.

关键词:塑性变形 本构关系 各向异性

沈珠江院士指出[1]:现代土力学的核心部分是理论土力学,而理论土力学的核心部分是土的强度和本构关系的研究.人们把模拟土体应力-应变关系的数学表达式称为土体的本构模型.土的力学性质是建立土的本构关系的基础,进而土的本构关系的研究又促进了人们对土的力学特性的认识.土体是一种具有压硬性和剪胀(缩)性的摩擦型固体颗粒材料,存在原生各向异性和应力诱发的各向异性,所以土的应力应变关系非常复杂[2]。

本构模型发展已经有很多年的时间了,这些模型被用于有限元法和有限差分法等数值计算中.任何本构模型都以力学准则为基础得到了详细的阐述,它们中有些建立在试验的基础上,而另外有些建立在理论

基

础

上

.

2 经典本构模型的优缺点分析

复杂应力状态下的土体本构模型主要有:变弹性模型;非线性弹性模型;弹塑性模型;坐标直接变换法.

(1)变弹性模型基于广义胡克定律,数学方法相对简单,试验参数测定比较方便,容易为工程界所理解和掌握,因此具有广泛的实用性,其中较常用的是Duncan-张双曲线模型.其突出优点是能反映土体变形特性中最重要的应力应变非线性,主要缺点是不能反映土体的剪胀性和不考虑中主应力的影响,尤其不能反映应力应变关系的各向异性。

(2)线性弹性理论是根据张量对称原理或能量假设而建立的,如次弹性(Hypoela stic)理论,假设应力增量不但与应变全量有关还和应变增量有关,是更一般的形式.它可以表达非线性、剪胀性、应力路径的影响及应力引起的各向异性等,但参数较多,无直接和明确的物理意义,不易合理和唯一的确定,而且次弹性模型的弹性矩阵非对称性,不能保证解的唯一性和稳定性。

(3)弹塑性模型,Roscoe等人提出的剑桥模型简单明快地预测了包括压缩和剪切变形特性在内的土的力学性状,成为岩土材料的经典弹塑性模型,并在世界范围内被广泛应用于工程之中.其优点是考虑了岩土材料的静水压力屈服特性、压硬性、剪胀(缩)性;试验参数只有3个,

测定方法简单;但没有考虑中主应力对强度的影响;该模型的硬化定律采用等向硬化模型,不符合包辛格效应,所以不能很好的反映土体的各向异性。

3 结语

通过对土体各向异性本构模型及其相关研究分析表明,尽管诸多研究者都想努力建立能够良好反映和模拟各向异性的土体本构模型,但其中多数各向异性弹塑性本构模型的研究,能考虑的还主要是屈服函数的修正或修改.关于弹塑性本构模型中的其它准则,还不得不沿用各向同性假设或忽略各向异性特性.

许多不同的本构模型已被用于分析材料的应力-应变特性,它们都有一个共同的特点,在给定的边界条件、初始条件、以及荷载条件下尽可能准确的描述材料的实际特征.为了建立这样的一种机制,人们首先在预先规定的条件下观察材料的变形特征,如在试验实的试验中,针对这些特征,然后运用一种给定的理论(如弹塑性)建模,最后再按照提出的模型进行有效性验证和参数的确定.

参考文献

[1] 沈珠江.理论土力学[M].北京:中国水利水电出版社,2000(5).

[2] 徐志伟.土体各向异性变形特性真三轴试验研究[D].南京:河海大学,2003,11,20.

[3] 徐秉业,陈森灿.塑性理论简明教程[M].北京,清华大学出版社,1981(7).

[4] 郑颍人,沈珠江,龚晓南.岩土塑性力学原理[M].北京,中国建筑工业出版社,2002(11).

[5] 张学言,闫澍旺.岩土塑性力学基础[M].天津:天津大学出版社,2004.

[6] 屈智炯.土的塑性力学[M].成都,成都科技大学出版社,1987(12).

[7] 蒋彭年.土的本构关系[M].北京,科学出版社,1982(11). [8] 章根德.土的本构模型及其工程应用[M].北京,科学出版社,1995(8).