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      關于土的本構模型的實用性問題

      2022-12-12 08:43  來源:巖土網  閱讀:2352
      土的本構模型是現代土力學的關鍵和核心,這方面的工作始于1963年發表的劍橋模型,已歷經近60年的研究,建立了眾多的模型,目前還在不斷的研究新模型。但真正能在行業中得到廣泛應用的模型卻很少!是什么原因影響了模型的應用?怎么樣的模型才有可能得到行業的應用?這是值得思考的問題??纯礂罟馊A教授是怎么說的。

      摘要:土的本構模型是研究做得很多,建立的各種模型也多,但真正能在行業中得到廣泛應用的模型卻很少,原因是很多模型缺乏實用性。要解決本構模型的實用性,關鍵是要使模型能反映土的主要變形特性,同時模型的參數要易于可靠的確定,最好能與一些常規土的參數建立聯系,便于經驗判斷,提高參數的可靠性和取值的方便性。

      1前言

      我1985年研究生畢業后有機會趕上了我國土的本構模型研究的熱潮,一直都有關注和思考,也指導過幾屆博士生開展這方面的研究,出版過一本小冊子《土的本構模型的廣義位勢理論及其應用》,對土的本構模型的研究和工程應用有一定的了解。感覺工程界對本構模型或數值計算結果還是未能充分的信任,實際工程中應用本構模型的計算結果進行設計的也不多,更多的是用于參考。為什么本構模型研究的多,能用的少呢?關鍵是很多本構模型的參數實際工程中很難可靠的獲得,模型缺乏實用性。上一篇評論《土的本構模型的通用性與實用性》曾對實用性問題有所討論,感覺意猶未盡!想再談一下想法,供同行參考,希望能促進本構模型的應用研究。

      2 實用性問題

      土的本構模型研究的目的是掌握土的變形規律,并用數學模型,即本構模型表示出來,用于數值計算,提高土體變形預測的準確性,進而提高工程建設行業的水平。

      土的現代本構模型的研究始于1963年發表的劍橋模型,已歷經近60年的研究,建立了眾多的模型,目前還有在研究新的模型。雖然建立的模型眾多,但真正能在行業中得到廣泛應用的卻很少,更多的是提出者在驗證或應用,真實工程的驗證和應用還是少數。

      影響本構模型工程應用的主要原因應是計算結果的可靠性和方便性。目前較為經典的模型主要有劍橋模型、Duncan-Chang模型、小應變硬化模型(HSS模型),目前在工程中應用較多的是HSS模型,該模型能得到較廣泛的應用,主要還是工程師感覺其計算的結果與實際結果較為接近,開發進入商業軟件,便于應用,模型參數物理意義明確,在實際應用中積累了模型參數與常規土工試驗參數的經驗關系,從而可以用經驗的模型參數,計算的結果也能有一定的參考性。

      一個模型要能得到廣泛的應用,應該是要使計算結果較為可靠,參數易取定。要使計算結果可靠,關鍵是要反映土的主要變形特性,模型參數應該要代表土的主要變形特性,且參數的范圍值能經驗判斷,HSS模型具有這些優點。

      3 土的主要變形特點

      土的主要變形特性應該是彈塑性、壓硬剪軟性、剪縮剪脹性和原狀性。

      1) 彈塑性主要體現是當存在卸載再加載時,變形剛度提高很多,這需要應用彈塑性模型。

      2) 壓硬剪軟性指的是土體的剛度隨圍壓增大而增大、隨應力水平的升高而變軟的特性,Duncan-Chang模型的切線模量公式較為直觀地表述了土的這一特性。

      3) 剪縮剪脹性是指剪應力也會產生土的體積變形,包括剪縮和剪脹,要反映這個特性也需要彈塑性模型,彈塑性模型矩陣中非對角元素為非零,能反映剪縮剪脹性。

      4) 原狀性,對于結構性較強的土體,可能存在取樣、制樣等擾動的影響,使室內土樣不同于原位原狀土,從而使室內試驗獲得的參數與原位土的不同,由此得到的模型參數不能預測現場實際情況,要發展現場原位試驗確定模型參數的方法。

      4 土的本構理論問題

      從上面的分析可見,土的本構模型采用彈塑性本構理論能比較合適反映其彈塑性和剪脹性的特點。但傳統彈塑性模型相對理論和概念均較復雜,模型參數不夠直接,像硬化參數等一些參數也缺乏直接物理意義,屈服函數和塑性勢函數確定繁雜等,不夠方便,且有一定的局限性,廣義位勢理論提供了更好的建模理論。

      廣義位勢理論具有普遍性和通用性、方便性,無需塑性勢函數,應用靈活,所需參數可以應用Duncan-Chang模型參數那樣直接方便,還可以表達傳統理論所不能表達的復雜特性,如塑性應變增量方向的非唯一性等。

      5 土的實用本構模型問題

      現有的本構模型實用性不高,主要體現在計算結果可靠性不高,參數不好定,難以被工程界推廣應用,以致土的本構模型研究的多,工程應用少。要破解這一問題,就要解決本構模型的實用性問題。

      要使模型能方便工程應用,應主要解決計算結果的可靠性,模型參數確定的方便性。

      要提高可靠性,模型應要能反映土的主要變形特點,這樣,彈塑性模型是較好的選擇,建立彈塑性模型,廣義位勢理論是較好的選擇。

      在模型參數和試驗選擇方面,要考慮土的主要變形特點。土的主要變形特點,或主要影響計算結果的,應該是土的壓硬剪軟性。反映這一特點目前比較直觀的應該是Duncan-Chang模型的切線模量,把Duncan-Chang模型參數確定方法用于建立彈塑性模型,將會是較實用的模型。廣義位勢理論可提供較好的基礎,但Duncan-Chang模型的壓硬性參數不好確定,反映土的原狀性方面也不夠,需改進。

      HSS模型能得到較好應用,也在于吸收了Duncan-Chang模型定參數的方法,能主要反映壓硬剪軟性特點,同時進行了改進,使參數比Duncan-Chang模型更易經驗化。

      用廣義位勢理論建立彈塑性模型??梢灾苯討们芯€模量Et,切線泊松比圖片未命名來建立,圖片未命名值范圍小,在0到1間變化,圖片未命名 小于0.5時為剪縮,大于0.5時為剪脹,易判斷合理性。原Duncan-Chang模型的Et較難反應土的原狀性,可以用楊光華的切線模量,用土的初始切線模量E0、強度指標c、φ即可,對硬化特點可參考HS模型,引入硬化項,定義高級切線模量:

      圖片未命名(1)

      圖片未命名


      這樣,平方項可反映土的剪軟性,指數m項可反映土的硬化性,E0可以用現場原位壓板試驗確定,解決土的原狀性,也可以有較多原位試驗經驗確定方法,提高了參數確定的可靠性和取值的方便性,如對于硬土或砂土,也可以近似用標貫擊數N取值E0=(4~6)N(MPa)。

      對于飽和軟土,也可以用壓縮試驗的e-p曲線簡單確定Et

      圖片未命名(2)

      圖片未命名

      s0—為無側限試驗的應力水平,Esi為由e-p曲線確定的各壓力段的壓縮模量,e-p曲線可以由初始孔隙比e0和p=100kPa到pi=200kPa的壓縮模量圖片未命名來確定,由于飽和軟土的e0、Es1-2有比較多的經驗值,數值也比較穩定,如一般飽和軟土的Es1-2≈2~3MPa左右,這樣Et的可靠性可得到較好的保證。

      模型能較好反映壓硬剪軟性特性,提高參數確定的可靠性,就可以提高計算結果的可靠性,改善模型的實用性。因此,彈塑性模型直接用切線模量這個參數建立模型,可以較直觀反映土的壓硬剪軟性,建立實用模型。

      6 小結

      1) 土的本構模型應要反映土的主要變形特性。

      2) 土的主要變形特性為彈塑性、壓硬剪軟性、剪脹性和原狀性。

      3) 用廣義位勢理論建立彈塑性模型較直觀方便。

      4) 要解決模型的實用性,而不是把模型搞得復雜化,才能使模型能更好的用于工程。實用模型關鍵是要反映土的主要變形特性,而參數確定又方便可靠,有明確的物理意義,能與常規土性參數建立經驗關系或積累關系,方便應用,提高計算結果的可靠性,才會得到推廣應用。

      5) Duncan-Chang模型的切線模量能較好反映土的壓硬剪軟性這一個土的主要變形特點,物理意義明確,直觀可靠,用于建立模型較實用,應值得發展和應用。

      主要參考文獻:

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      (0)
      (1)

      我有話說

      全部評論(1)

      • 09011017發表于 12月14日 09:2612
      • 關鍵是用連續模型代替散體實體時會存在一個致命的問題,土體單元的模型參數的確定和試件尺寸是緊密相關的,同胚問題是散體實體不能用連續性模型替代,陷入危機了。
      點評:

      楊光華

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      博士教授注冊巖土工程師
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