基于材料特性相關(guān)位勢理論描述砂土的非共軸特性.pdf

1、土體在地震荷載、交通荷載及波浪荷載等條件下，主應力軸相對土體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種應力條件下其力學特性和主應力固定條件下明顯不同。對于砂土而言這個現(xiàn)象尤為顯著，因為其細觀結(jié)構(gòu)由離散顆粒組成，使得砂土在主應力旋轉(zhuǎn)的條件下主應變方向不是沿著主應力方向發(fā)展，產(chǎn)生了明顯的非共軸現(xiàn)象。非共軸特性在傳統(tǒng)彈塑性理論框架下根本無法描述，因此復雜應力狀態(tài)下的變形規(guī)律及本構(gòu)關(guān)系的研究自然成了目前巖土工程領(lǐng)域關(guān)注的焦點和難點問題。尤其是預測土石壩、路基等人工填方構(gòu)筑

2、物及其地基土體實際力學響應的基礎(chǔ)，非共軸不論是在理論上還是實踐當中都有著重要的意義。砂土非共軸的內(nèi)在成因在于它的細觀各向異性組構(gòu)，傳統(tǒng)彈塑性理論是在各向同性假設(shè)基礎(chǔ)上建立，因此給非共軸描述帶來了極大的挑戰(zhàn)。為此，本文在課題組提出材料特性相關(guān)塑性位勢理論的基礎(chǔ)上，考慮砂土細觀組構(gòu)特性的影響，建立以考慮主應力旋轉(zhuǎn)等復雜應力條件的砂土各向異性本構(gòu)模型。從細觀組構(gòu)、破壞規(guī)律、剪脹機理等方面入手，對主應力軸旋轉(zhuǎn)條件下各向異性砂土的強度和應力應變關(guān)

3、系進行了研究。主要內(nèi)容如下:
　　(1)提出了可以考慮主應力旋轉(zhuǎn)特性的砂土破壞準則。該準則基于課題組在砂土細觀組構(gòu)和定量檢測方法的最新進展，采用宏細觀結(jié)合的方法，用組構(gòu)張量與應力張量的四種組合變量為基礎(chǔ)，提出了一個新的各向異性狀態(tài)變量，此狀態(tài)變量由應力張量和組構(gòu)張量的縮并形式得到，將定義的各向異性狀態(tài)變量引入廣義M-C方程建立了一個適用于各向異性砂土體的破壞準則。該變量定義形式簡潔，物理意義相對清晰，建立的各向異性準則可描述主應力

4、軸旋轉(zhuǎn)和固定條件下，各向異性砂土的破壞規(guī)律。
　　(2)建立了可以考慮主應力軸旋轉(zhuǎn)的砂土各向異性本構(gòu)模型。該模型基于材料特性相關(guān)塑性位勢理論，針對傳統(tǒng)彈塑性力學的各向同性假設(shè)的限制，將土體變形得到分配法則和其細觀組構(gòu)聯(lián)系起來，考慮細觀組構(gòu)對剪賬性的影響，建立了砂土的各向異性臨界狀態(tài)本構(gòu)模型。相對于其他的模型，該模型形式簡單，能夠用一套參數(shù)描述較廣的土體變形，可以描述主應力軸旋轉(zhuǎn)條件下的砂土變形的非共軸特性。
　　(3)對主應

5、力軸旋轉(zhuǎn)條件下砂土表現(xiàn)的非共軸現(xiàn)象進行了模擬分析。編制了本構(gòu)模型的Matlab程序，對三維空間π平面上砂土表現(xiàn)的非共軸特性進行了描述，結(jié)果表明:模型能夠較全面描述其不同應力羅德角非共軸角的變化規(guī)律;利用日本豐浦砂的空心圓柱試驗結(jié)果，對幾種應力圍壓下，砂土的單調(diào)加載、純主應力軸旋轉(zhuǎn)和混合加載條件下砂土表現(xiàn)的非共軸特性進行了模擬分析。結(jié)果顯示:材料特性相關(guān)位勢理論能夠較好描述該條件下表現(xiàn)的非共軸特性，能夠反映砂土細觀組構(gòu)對宏觀非共軸程度的影