土體熱力學(xué)本構(gòu)模型的改進(jìn)與有限元分析.pdf

1、巖土材料的強(qiáng)度和本構(gòu)關(guān)系是現(xiàn)代土力學(xué)的核心，也是計(jì)算土力學(xué)的基礎(chǔ)。模擬巖土材料本構(gòu)特性的熱力學(xué)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(shù)和硬化規(guī)律而沒有嚴(yán)格討論是否滿足熱力學(xué)定律等)，它直接從兩個(gè)熱力學(xué)勢函數(shù)，即自由能函數(shù)與耗散增量函數(shù)出發(fā)，利用Legendre變換，就足以導(dǎo)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(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，而且消除了傳統(tǒng)方法中的許多人為

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

3、紹與探討的基礎(chǔ)上，引入姚仰平教授提出的統(tǒng)一硬化參數(shù)對Collins的土體熱力學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn)，將其擴(kuò)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(shè)計(jì)多種方案進(jìn)行比較分析，初步驗(yàn)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(nèi)外巖土的本構(gòu)模型研究歷程和用熱力學(xué)方法構(gòu)建土體本構(gòu)模型的優(yōu)點(diǎn)及最新進(jìn)展的基礎(chǔ)上，介紹了本文選題意義、創(chuàng)新點(diǎn)、研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和方

4、法。
　　 (2)在探討熱力學(xué)原理建立本構(gòu)模型的理論基礎(chǔ)上(包括熱力學(xué)基本定律的實(shí)質(zhì)和符合土體變形的熱力學(xué)定律表達(dá)式、Ziegle正交假定、自由能函數(shù)和耗散函數(shù)等)，討論了建立土體熱力學(xué)模型的基本步驟，列舉了用該方法建立模型的幾個(gè)具體實(shí)例。
　　 (3)分析了土體熱力學(xué)各向同性本構(gòu)模型簇，針對其缺點(diǎn)，引入姚仰平教授提出的統(tǒng)一硬化參數(shù)對該模型簇進(jìn)行改進(jìn)，并推導(dǎo)了模型相應(yīng)的彈塑性矩陣。編制了Collins的土體熱力學(xué)模型和本