熱力學(xué)方法在土體本構(gòu)模型中的應(yīng)用研究.pdf

1、傳統(tǒng)巖土本構(gòu)模型包括兩類，一類是擬合試驗數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，這種模型以提高擬合精度為目標(biāo)，缺乏對巖土材料應(yīng)力應(yīng)變本質(zhì)特性的把握。另一類是理論模型，以德魯克公設(shè)或伊留申公設(shè)以及塑性位勢理論為基礎(chǔ)推導(dǎo)得到。但德魯克公設(shè)或伊留申公設(shè)實際上是區(qū)分硬化和軟化材料，并不等價于熱力學(xué)第二定律。經(jīng)典彈塑性理論采用屈服函數(shù)、塑性勢、硬化規(guī)律以及彈性常數(shù)來描述土的力學(xué)性質(zhì)。但這些函數(shù)及其系數(shù)均獨立選擇，理論上不夠嚴(yán)謹(jǐn)，且實際巖土材料的塑性勢面并不總是存在的

2、，這些都限制了傳統(tǒng)模型的發(fā)展和應(yīng)用。論文從熱力學(xué)基本定律出發(fā)，以內(nèi)部變量為基礎(chǔ)，討論了土體能量勢函數(shù)和耗散函數(shù)的構(gòu)造方法以及土的能量耗散特性等。研究了能量保守的鄧肯一張E-B模型的卸荷再加荷性質(zhì)，土體動力變形機(jī)理及其閾值應(yīng)變，建立了考慮土體結(jié)構(gòu)變化的本構(gòu)模型。 在工程界廣泛采用的鄧肯一張E-B模型中，卸荷、再加荷模量及體積模量通常均表示為壓力的冪次函數(shù)。但這種組合導(dǎo)致土體卸荷、再加荷過程中的能量非保守，也即在簡單的應(yīng)力循環(huán)內(nèi)會產(chǎn)

3、生能量的耗散；在反復(fù)加載作用下將產(chǎn)生殘余變形的累積，這違背了彈性模型構(gòu)造的基本要求。論文研究了彈性體積及剪切模量對Gibbs自由能函數(shù)的貢獻(xiàn)，構(gòu)造土體的Gibbs自由能函數(shù)，對柔度矩陣進(jìn)行修正。修正的鄧肯一張E-B卸荷苒加荷模型的柔度矩陣中包含彈性體應(yīng)力(或應(yīng)變)與彈性剪應(yīng)變(或應(yīng)力)之間的耦合項。耦合的幅值反應(yīng)了材料各向異性的程度，由應(yīng)力比確定。此外柔度陣還反映了剪切引起的剪脹變形，因而能夠更好地描述筑壩土石料的應(yīng)力-應(yīng)變特性，并保持

4、能量守恒。 論文以Hardin-Drnevich模型和Ramberg-Osgood模型的骨架曲線為基礎(chǔ)，采用Masing準(zhǔn)則構(gòu)造其滯回圈，對塑性中心移動為直線和骨架曲線兩種情況，分別構(gòu)造了土體動力耗散函數(shù)。然后從熱力學(xué)基本定律出發(fā)，研究了土體動力耗散特性及動力變形機(jī)理。發(fā)現(xiàn)筑壩堆石料的動力特性存在2個閾值應(yīng)變，分別定義為第1和第2閾值應(yīng)變。2個閾值應(yīng)變將土體動力特性分成3段。當(dāng)土體的動應(yīng)變小于第1閾值應(yīng)變時，土體屈服為常摩擦系數(shù)

5、的摩擦耗散控制；當(dāng)土體動應(yīng)變介于第1和第2閾值應(yīng)變之間時，土體屈服為變摩擦系數(shù)的摩擦耗散控制；當(dāng)土體動應(yīng)變大于第2閾值應(yīng)變時，土體屈服除摩擦機(jī)制外還存在剪脹等土體結(jié)構(gòu)改變的效應(yīng)。土體的2個閾值應(yīng)變主要受最大動剪切模量系數(shù)及指數(shù)控制，無黏性土的摩擦角對其也有一定的影響。第2閾值應(yīng)變與傳統(tǒng)意義上以孔壓升高或體積變化為標(biāo)準(zhǔn)定義的門檻應(yīng)變相當(dāng)。從工程應(yīng)用的角度看，若土體動應(yīng)變小于第1閾值應(yīng)變，則可直接采用最大動剪模量及常阻尼比進(jìn)行土體動力分析。