软土本构模型综述.docx

《软土地基》课程论文

学院建工学院
姓名王洋
学号

软土本构模型综述
1引言
土体具有复杂的变形特征，如剪胀性、各向异性、受应力路径影响等。土体变形的这种复杂性是在复杂受力状态下表现出来的。复杂应力状态存在6个应力分量，也有6个应变分量。其间的关系是一种多因素物理量与多因素物理量之间的关系，不能由试验直接建立。须在简化条件的试验基础上，做某些假定及合乎规律的推理，从而提出某种计算方法，把应力应变关系推广到复杂应力状态。这种计算方法叫本构模型。
1.1土的本构模型
发展到现在，土的本构模型数目众多，大致可以分为以下几大类:
(1)非线性模型;
(2)弹塑性模型;
(3)粘弹塑性模型;
(4)结构性模型。
对于软土而言，比较适用的一般为弹塑性模型。弹塑性模型是把总的变形分成弹性变形和塑性变形两部分，用虎克定律计算弹性变形部分，用塑性理论来解塑性变形部分。
1.2变形假定
对于塑性变形，要作三方面的假定:
(1)破坏准则和屈服准则;
(2)硬化准则;
(3)流动法则。
不同的弹塑性模型，这三个假定的具体形式也不同。最常用的弹塑性模型为剑桥模型及其扩展模型。
2剑桥模型与修正剑桥模型
1958年，Roscoe等发现了散粒体材料在孔隙比-平均有效应力-剪应力的三维空间里存在状态面的事实，1963年，提出了著名的剑桥模型，1968年，形成了以状态面理论为基础的剑桥模型的完整理论体系。
Roscoe等人将“帽子”屈服准则、正交流动准则和加工硬化规律系统地应用于Cam模型之中，并提出了临界状态线、状态边界面、弹性墙等一系列物理概念，构成了第一个比较完整的土塑性模型。剑桥模型又被称为临界状态模型，是一个非常经典的弹塑性模型，它是第一个全面考虑重塑正常固结或弱超固结粘土的压硬性和剪胀性的模型，标志着土的本构理论发展新阶段的开始。
1968年，Roscoe等人在剑桥模型的基础上提出了修正剑桥模型，将原来的屈服面在p'，q平面上修正为椭圆，并认为在状态边界面内土体变形是完全弹性的。在状态边界面内，增加的剪应力虽不产生塑性体积变形，但可产生塑性剪切变形。修正剑桥模型是一种“帽子”型模型，在许多情况下能更好地反映土的变形特性。修正剑桥模型至今仍在工程中广泛应用，是因为它具有很多优点:形式简单，模型参数少，参数确定方法简单(只需常规三轴试验即可)，参数有明确的物理意义，能够很好的反映重塑正常固结或弱超固结粘土的压硬性和剪缩性，因此修正剑桥模型是土力学中比较成熟而且应用广泛的弹塑性本构模型。同时，修正剑桥模型也有一定的局限性:屈服面只是塑性体积应变的等值面，只采用塑性体积应变作硬化参量，因而没有充分考虑剪切变形;只能反映土体剪缩，不能反映土体剪胀;没有考虑土的结构性这一根本内在因素的影响;假定的弹性墙内加载仍会产生塑性变形等。修正剑桥模型对实际情况进行了一系列假定:
①屈服只与应力球量p和应力偏量q两个应力分量有关，与第三应力不变量无关;②采用塑性体应变硬化规律，以为硬化参数;③假定塑性变形符合相关联的流动法则，即g(σ)=f(σ);④假定变形消耗的功，即塑性功为:

剑桥模型是当前在土力学领域内应用最广的模型之一，其主要特点有:基本概念明确;较好地适宜于正常固结粘土和弱超固结粘土;仅有3个参数，都可以通过常规三轴试验求出，在岩土工程实际工作中便于推广;考虑了岩土材料静水压力屈服特性、剪缩性和压硬性。王清等分析了修正剑桥模型的应力应变关系，以其为基础引进了接触单元和杆单元，运用修正合格模型，用有限元程序模拟了工程实例中的开挖过程和开挖要素，模拟计算了不同开挖阶段的地表沉降、基坑隆起和水平位移，根据计算结果与实测结果的比较，验证了在软土地区此模型是适用的，此外，王清等人还对基坑开挖施工、地面沉降预测作了定性分析。
3岩土模型的发展
岩土模型的发展大致可归为以下几类:
(1)基于经典塑性理论框架的修正。
(2)非关联流动准则的引用;由于关联流动准则要求塑性势函数和屈服函数一致，给寻找和选取符合条件的屈服函数带来了很大困难，而非关联流动准则将二者区分开来，从而带来更多选择的余地，可以通过试验较为容易地确定屈服函数，所以随后发展出了很多基于非关联流动准则的本构模型。
(3)亚塑性理论与临界状态理论相结合。亚塑性理论以有理力学为理论基础，扬弃了经典弹塑性理论中总应变分解为弹性应变和塑性应变、屈服准则、硬化规律、塑性势及流动法则等基本概念和假设，直接建立起联系应变率空间与应力率空间的各向同性非线性张量函数表达式，从整体上表述砂等无黏性散粒型土体的应力-应变关系。
(4)考虑有限应变，使模型摆脱了传统的小应变假设，将分析范围从仅适于小应变扩展到亦适用于有限应变，从而在计算假设上更接近于岩土问题的实际情况(即岩土问题的大变形)，使岩土数值计算工作