土體熱力學本構模型的改進與有限元分析.pdf

1、巖土材料的強度和本構關系是現代土力學的核心，也是計算土力學的基礎。模擬巖土材料本構特性的熱力學方法拋棄了傳統(tǒng)彈塑性建模的一些不合理做法(如分別給出具體的彈性定律、屈服條件、塑性勢函數和硬化規(guī)律而沒有嚴格討論是否滿足熱力學定律等)，它直接從兩個熱力學勢函數，即自由能函數與耗散增量函數出發(fā)，利用Legendre變換，就足以導出彈塑性理論必須的屈服條件、流動法則、硬化定律和彈性定律。該方法不僅具有緊湊的數學結構，而且消除了傳統(tǒng)方法中的許多人為

2、的任意假設，并自動滿足熱力學定律，己成為國內外研究的熱點之一。Collins教授為該方法的發(fā)展與完善做出了重要貢獻，并提出了一個土體的熱力學模型，通過模型參數的不同取值，可得劍包括修正劍橋模型在內的不同屈服面的形式，具有較大的適應性。但該模型以塑性體積應變?yōu)橛不瘏⒘?，采用與修正劍橋模型相同的硬化定律，導致該模型具有修正劍橋模型的一些缺點，如不能反映剪脹，不能較好反映超固結土于中密砂的變形特性等。為此，本文在對土體熱力學建模理論進行詳細介

3、紹與探討的基礎上，引入姚仰平教授提出的統(tǒng)一硬化參數對Collins的土體熱力學模型進行改進，將其擴展為既適用于黏土也適用與砂土的統(tǒng)一模型，并將模型有限元程序化，設計多種方案進行比較分析，初步驗證模型的合理性與有效性。本文的主要工作為：
　　 (1)針對巖土材料區(qū)別于一般連續(xù)固體的主要特性，在綜述了國內外巖土的本構模型研究歷程和用熱力學方法構建土體本構模型的優(yōu)點及最新進展的基礎上，介紹了本文選題意義、創(chuàng)新點、研究目標、研究內容和方

4、法。
　　 (2)在探討熱力學原理建立本構模型的理論基礎上(包括熱力學基本定律的實質和符合土體變形的熱力學定律表達式、Ziegle正交假定、自由能函數和耗散函數等)，討論了建立土體熱力學模型的基本步驟，列舉了用該方法建立模型的幾個具體實例。
　　 (3)分析了土體熱力學各向同性本構模型簇，針對其缺點，引入姚仰平教授提出的統(tǒng)一硬化參數對該模型簇進行改進，并推導了模型相應的彈塑性矩陣。編制了Collins的土體熱力學模型和本