土本构关系综述

下面是小编为大家整理的土本构关系综述,供大家参考。

　土的本构关系的综述 土的本构关系，即土的应力应变关系，是现代土力学的核心内容，也是有限元分析计算的基础。建立一个有效而经典的本构模型需要对土的基本特性透彻把握，并且可全局规划。

　同时，一个有效且经典本构模型还可以作为一个捷径让初学者逐步认识到土加载变形过程。而建立土的本构模型的核心问题就是通过土体在实验中所表现出的力学行为来反演其内在的本构关系。

　从我们的认识基础之上，土体是天然地质材料的历史产物，还是一种复杂的多孔材料，当受到外界荷载作用后，其变形可归纳为下面几种特性：土体的变形具有明显的非线性；土体在剪切应力作用下会产生塑性应变，同时球应力也引起塑性应变；土体中特别是软黏土，具有十分明显的流变的特点；由于土体的构造或沉积等原因，使土具有各向异性；超固结黏土等在受剪后都表现出应变软化的特性；还有土体的变形与应力路径有关，证明不同的加载路径会出现较大的差别；土的剪胀性可以更好地描述土体的真实力学 - 变形特性，建立其应力、应变和时间的关系。

　针对土这样一种多相离散、影响因素很复杂的材料，想去建立一种精确并且可面面俱到地反映每一因素的本构模型基本是做不到。在这种情况下，我们要抓住主要矛盾，应该考虑去建立可行的具有物理概念正确数学表达严密模型参数应用方便的本构模型。

　其次，土本构模型的建立是一个重要而又复杂的问题,到目前为止,国内外学者们建立了很多模型,很多论文对这些模型进行了讲述。然而这些土本构模型的出发点都是在扰动土或砂土的基础上,它们难以描述在土的结构性作用下各种非线性行为,从而造成计算结果不正确，不贴和实际情况。天然土体一般都具有一定的结构性,所以有必要建立考虑土结构性影响的土本构模型。在此现实基础上，很多专家将土结构性影响特性纳入建立本构模型的因素中。

　再者，随着 CT 技术、X 射线和光弹试验等在土体研究中的应用，从而使得我们对土体的宏观变形和微观规律有了更进一步的认识。在对土的结构性研究引起重视，建立了不少的模型研究成果表明：土的结构性对其压缩特性、强度包线特性等都有显著的影响在研究土体结构性模型的同时，不少专家结合其他理论建立了土体的损伤本构模型。在实际情况里，我们应针对具体工程做出选择。工程师们关心土体从加载直至破坏失稳的整个过程，那么初始模量、最终抗剪强度以及加载过程中的应力应变及体变规律三个要点都是需要考虑分析的，此时弹塑性模型将作为首要选择，要是着重考虑工程强度稳定性，本构模型对最终强度的体现是最重要的，可选取例如强调最终破坏剪应力的理想塑性模型; 或者是土的抗剪强度大于实际荷载远，我们可近似视认为变形是在弹性范围内的，随之应该选择弹性本构模型。

　首先先阐明了应力应变性态的几种基本形式，如下图中所示。

　 再阐述几种经典的岩土本构模型。理想弹塑性模型 Coulomb-Mohr 破坏与屈服准则，库仑破坏准则是库仑于 1773 年提出的,它建立在土的摩擦试验、压剪试验或三轴试验的基础之上。准则方程为:τf=C+σ·tan 其中 C 为土的粘聚强度, 为内摩擦角。用普通三轴试验,可测定发生某破坏面时主应力表达的破坏准则,如在σ1>σ2=σ3 条件下,f*(σ1,σ2=σ3)=0。如果已知三轴试件内破坏面与小主应力方向之间的倾角为βf,则由普通三轴试验的莫尔圆,将破坏面上的剪应力与法向应力代入库仑破坏准则,得莫尔—库仑(C-M)准则: σ1-σ3=2ccos +(σ1+σ3)sinβf

　 另外就是 Drucker-Prager 屈服准则。Drucker 与 Prager 于 1952 年提出了考虑静水压力影响的广义 Mises 屈服与破坏准则,简称为 D-P 屈服或破坏准则。D-P 准则的屈服函数为:

　f(I1,J2)=J2-αI1-k=0(3)

　f(p,q)=q-3 3αp-3k=0(4)

　f(σσ,τσ)=γσ-6αρσ-2K=0(5) 其中α,k 为 D-P 准则材料常数,按照平面应变条件下的应力和塑性变形条件,Drucker 与 Prager 推得了α,k 与 C-M 准则的材料常数 ,c 之间的关系为: α=sin /3 3+sin2

　k=3ccos /3+sin2

　由于土材料本身及其变形过程中的复杂性和多样性,从而对本构模型的研究经久不衰。在经典土力学是以连续介质为基础,并以理想粘性土和非粘性土作为研究对象，理想弹性模型和塑性模型是最简单的本构模型。对此如果要提升将连续介质力学更深层次运用于岩土问题中，这样的本构模型很严重地制约着实际工程问题的解决。

　不过随着科学技术的发展，大量非线性科学理论，通过模型本身的运算来建立合理的本构关系，有较高的应用价值，但模型的准确性和适用范围还有待于深入探讨。土的本构模型研究趋势建立和发展复杂应力状态与加卸载序列条件下土的本构模型，准确反映土的非线性、非弹性、软化、剪胀与剪缩性等特性，同时能揭示土的某些特殊变形特性及机理，反映土的原生状态及应力诱发的各向异性效应及特殊荷载条件下的力学规律。重视模型参数的测定和选用，重视本构模型验证以及推广应用研究，通过不同类型仪器、不同应力路径的试验、离心模型试验以及工程现场测试等验证形式，客观地评价和论证已建模型的正确性与可靠性，全面系统地讨论与比较模型的实用性、局限性及其适用范围，在现有条件下加强本构模型研究试验数据的统一管理与共享，开展本构模型基本参数数据库的建立与维护研究，更好地为工程建设服务。

　还有就是开展土的本构模型研究，建立本构模型时要充分考虑土中含水量的影响及颗粒骨架，孔隙水与气体三相之间的界面相互作用及相互交换问题。注重土体的微观结构和宏观结构研究，揭示土结构性及其变化的力学效果，了解宏观现象下的内在本质，建立正确可靠的物理、力学和数学模型，对土的力学性状进行模拟，从而要用在实际问题中。最后，土的本构模型中有许多假设条件与实际工况不符，影响了工程计算的精度和适用性，今后应加以改进和提高，建立用于解决实际工程问题的实用性模型，反映特定状况下土体的主要性状，用于工程理论计算，获得工程精度要求的结果。

　参考文献: [1] 龚晓南,

　徐江 许增会 黄方意.

　土的本构关系及应用[M] [2] 蒋彭年.土的本构关系[M].北京:科学出版社,1982.