膨胀土和砂土弹塑性本构关系数值建模研究

摘要

目前，大多数现有的岩土弹塑性本构模型都是基于塑性势理论，寻找塑性势的解析表达式是唯一的建模途径。然而，这些模型还不能全面地、准确地反映土的特性，如压硬性、剪胀性，特别是应力路径的影响。鉴此，作者进行了膨胀土和砂土数值建模的研究。数值建模具有许多优于传统建模方法的地方。土的本构方程是直接从三轴试验数据中提炼出来的，克服了寻找塑性势解析表达式的困难；建模中土的初始状态和加载路径自由选择，从而可以考虑任何初始状态和应力路径对本构关系的影响。含水量是膨胀土产生膨胀与收缩，影响强度等重要特性的主要原因，实践证明，膨胀土随着气候、地质环境和工程建设活动等条件的变化而发生水分迁移和转化。因此，在水的变化影响下，膨胀土性质发生改变，显示出不同的特性。膨胀土抗剪强度的可变性，大多与水的作用有关，膨胀土吸水引起各向异性膨胀，有可能产生偏差应力。在不同吸水分布情况下所引起的不均匀膨胀，也同样可能引起膨胀土的破坏。因此，在工程实际中膨胀土的起始含水量被视为可以预测膨胀潜势的重要判据。进行了膨胀土的物性试验、矿物化学成分试验，进行了不同含水量、容重的三轴压缩排水和不排水试验，用数值建模方法建立了在不同含水量条件下的膨胀土弹塑性本构方程，并把该本构方程嵌入到有限元程序中，通过对三轴试验土样的变形分析，获得了应力应变关系曲线。与相应的试验结果对比，两者吻合较好。同时，绘出了两种不同含水量情况下整个应力场（p，q）中的应力应变关系三维曲面，经过对比，发现二者之间存在着明显差别，证实了含水量对膨胀土本构关系的影响是比较明显的。对砂土进行了以下三种应力路径下的循环加载试验：等主应力比路径、常规路径(CTC)和等p(TC)应力路径。用数值建模方法建立了砂土在三种应力路径下的弹塑性本构方程，并把该本构方程嵌入到有限元程序中，通过对三轴试验土样变形的有限元计算结果与相应的试验结果对比，验证了模型的精度是比较高的；绘出了三种应力路径下整个应力场(p，q)中的应力应变关系曲面和屈服轨迹，经对比可知，三者之间存在着显著差别，而且在应力应变关系曲面和屈服轨迹所反映出的这种差别具有相同的变化趋势，从而证实了应力路径对本构关系的影响是不可忽略的。研究结果表明，数值建模优于传统的建模方法，它不仅较好的描述土体的剪胀性、压硬性，而且还能反映出不同初始状态和应力路径的影响。数值建模方法是可行的，有效的和具有广阔的发展前景。