岩土材料弹塑性损伤模型及变形局部化分析.pdf

第23卷第21期岩石力学与工程学报23(21)：3577～3583
2004年11月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringNov.，2004

岩土材料弹塑性损伤模型及变形局部化分析*

杨强陈新周维垣
(清华大学水利水电工程系北京100084)

摘要常规的弹塑性模型由于没有考虑到损伤和塑性的耦合作用，难以模拟破坏时由于内部损伤的累积导致的变
形局部化剪切带的形成过程，因而，不能很好地反映实际结构的细观破坏机理。作者采用一种宏细观结合的思路，
基于细观损伤力学提出了一个适用于岩土材料弹塑性损伤模型，研究均质材料在外部环境作用下由于损伤和塑性
的耦合导致的局部化剪切带的形成过程。对基体材料服从Drucker-Prager准则的球形孔洞体胞单元提出了一个塑
性损伤屈服面，为了反映岩土材料在拉应力和压应力作用下不同的孔洞形成机理，分别采用了球形拉应力和塑性
应变的成核机制来建立孔隙率的演化方程，根据塑性损伤屈服面和孔隙率的演化方程，导出了关联流动法则下的
岩土材料塑性损伤本构方程。将笔者提出的岩土材料弹塑性损伤模型，通过用户子程序嵌入到大型商业有限元软
件MRAC中。为了研究塑性和损伤的耦合作用，分别采用Gurson弹塑性损伤模型和Mises弹塑性模型，对Tvergaard
关于自由表面有周期性分布微小形状缺陷的半无限大板在平面应变拉伸作用下剪切带的形成进行了数值模拟，计
算结果表明弹塑性损伤本构模型在模拟变形局部化方面具有明显的优势。采用作者提出的岩土材料弹塑性损伤模
型，对平面应力条件下有一个缺陷单元的均质岩土材料单轴受压试件的局部化剪切破坏进行了数值模拟。
关键词岩土力学，岩土材料，体积孔隙率，Drucker-Prager准则，成核机制
分类号TU452文献标识码A文章编号1000-6915(2004)21-3577-07

ELASTO-PLASTICDAMAGEMODELFORGEOMATERIALS
ANDSTRAINLOCALIZAIONANALYSES

YangQiang，ChenXin，ZhouWeiyuan
(DepartmentofHydraulicandHydropowerEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084China)

AbstractElasto-plasticmodelscannotexplainthemicromechanismofshearbandformationcausedbydamage
evolutioninductilematerialduetotheneglectingoftheinteractionbetweendamageandplasticflow.An
elasto-plasticdamagemodelforgeo-materialsbasedonmicromechanicsisproposedandthemicromechanismof
shearbandformationinhomogeneousgeo-materialisstudied.Amacroscopicyieldcriterionforporous
geo-materialswithmatricesofDrucker-Prageryieldcriterionisgiven，andaplasticstrain-controlledvoid
nucleationmodelaswellasatensilevolumetricstress-controllednucleationmodelareproposedforthe
compressiveandtensilestresses，respectively.Moreover，theconstitutiverelationshipoftheelasto-plasticdamage
modelwithplasticnormalityflowruleisdeduced.Thiselasto-plasticdamagemodelforgeo-materialsisembeded
intothecommercialFEMsoftwareMARCasauser’ssubroutine.Atensileplanestrainspecimenwithinitialshape
imperfectiononitsupperboundwhichwasfirstanalyzedbyTvergaardisinvestigatedthroughtheelasto-plastic
damagemodelandMiseselasto-plasticmodel，respectively.It