土体弹塑性本构模型研究概述

土的本构模型是对土体进行研究和土工数值分析的关键。本文对土体弹塑性本构模型的发展过程加以介绍，并侧重介绍了近年来正在发展中的模型。     

一个基于广义塑性力学的土体三屈服面模型

按照广义塑性力学原理 ,以前人试验结果为依据 ,首次提出应力洛德角方向上剪切屈服面 V θ p的数学表达式 ,并建立土体的三屈服面模型。 结合数值算例 ,设计多种计算方案 ,通过对计算结果的分析和比较 ,表明模型的合理性和有效性 ,并探讨各种因素对土体变形的影响。     

土的弹塑性应力——应变模型理论(续)

四、弹塑性应力应变模型十几年来学者们建议采用的应力～应变数学模型有许多种.在弹性模型方面最常使用的模型有两种.第一种是以E(杨氏模量)及v(泊桑比)两种弹性常数表达的称E～v弹性模型.第二种是以K(体积变形模量)及G(剪切模量)两个弹性常数表达的称K～G弹性模型.这两种弹性模型将在本章中介绍.     

上海软土各向异性弹塑性模型

根据同济大学真三轴仪所做的上海典型软土的排水试验、Kirkgard和Lade真三轴仪所做的旧金山湾淤泥的不排水试验资料，以及日本太田—关口(0hta—Sikiguchi)模型，提出上海各向异性弹塑性模型(简称上海软土模型)，该模型包括形状函数、屈服函数、应力—应变关系。为了证明模型的合理性，从理论和试验中对形状函数和屈服函数进行了检验。最后，提供了上海软土模型的有关参数。     

基于广义位势理论的土的数值弹塑性模型及其初步应用研究

广义位势理论从数学角度出发建立土的本构模型,可克服传统本构理论的不足,而又同时包含了传统理论作为其特例,从而为土的本构模型研究提供新的和适用性更广的理论。以广义虎克定律为基础的邓肯-张模型以其简单方便、参数确定容易且有明确的物理意义而得到广泛的应用,而其最大缺点则是不能反映土的剪胀性;此外,邓肯-张模型采用双曲线函数拟合试验曲线也有一定的局限性。为保留其参数确定简便的优点,并弥补其不足,基于广义位势理论建立了数值弹塑性模型。该模型保留了邓肯-张模型在参数确定方面的简单性,同时由于采用了广义位势理论来建模,不再受广义虎克定律的限制,因而可弥补邓肯-张模型在反映土体剪胀性方面的缺陷。此外,该模型采用数值手段来表示试验曲线的建模方法,可以克服邓肯-张模型采用双曲线函数表示试验曲线方法的局限性,具有更为广泛的适应性。通过对一碎石桩复合土体三轴试验结果的数值模拟表明：基于广义位势理论的数值弹塑性模型计算与试验结果吻合良好,且在反映碎石的剪胀特性方面优于邓肯-张模型,从而初步证明了该模型的合理性及优越性。     

椭圆-抛物线双屈服面模型参数灵敏度分析

利用两种土石料三轴CD试验数据确定两组椭圆-抛物双屈服面模型参数,研究了模型参数? 、KG、n、h、m、M1、M2和pr分别单独变化（而其他参数保持不变）对模型所反映的土的应力-应变关系的影响。结果表明,土体的体积应变对参数h、m比较敏感;? 、KG、n对剪胀性土的体变影响较大,而对剪缩性土体变影响不明显;? 、KG、n、h和m对模型反映的强度没有影响;pr变化对体变和强度影响均较小。M1和M2对强度和体变均有显著影响,且M1和M2中的小值决定模型的强度。定义了灵敏度,即一种用于表示模型参数对其所反映的应力-应变的影响程度的参数。分析表明,不同的参数,其灵敏度差异很大;不同的土类,参数灵敏度差异也较大。实际应用时,对灵敏度大的参数取值应特别慎重。     

连云港海相软土流变特性试验及双屈服面流变模型

为研究连云港海相软土流变特性,进行了三轴流变试验。根据对试验结果的分析,可以将连云港海相软土作为弹-粘塑性体来研究;将广义Bingham模型和椭圆-抛物线双屈服面模型相结合,建立了新的流变模型来描述其流变特性,得出了各参数,并验证了该模型的适用性。     

基于椭圆-抛物双屈服面模型的广义泊松比研究

适用性较好的土体模型除了能较好地模拟土体的应力-应变关系外,还应该能较好地反映土体的侧向变形,即合理计算广义泊松比。在椭圆-抛物双屈服面模型的基础上,建立了反映侧向变形特性的广义泊松比公式,并利用广义泊松比来研究砂-聚苯乙烯颗粒轻质填料的变形规律。文中研究了包括材料配比在内的主要参数对广义泊松比的影响,发现与剪胀有关的参数对广义泊松比的影响较大。基于砂-聚苯乙烯颗粒轻质填料的三轴固结排水剪切试验数据,给出了相关模型参数,结合该材料的剪切强度、变形特性与建立的广义泊松比公式,对该泊松比能否恰当反映土体的变形特性（剪缩、剪胀和侧向变形）进行验证,结果表明广义泊松比可以反映土体的变形特性,尤其是侧向应变及体积应变规律。     

由试验数据拟合重庆红粘土的屈服条件

依据广义塑性力学原理，介绍了屈服面的物理意义。直接从三轴试验和真三轴试验的试验数据拟合重庆红粘土的屈服条件，给出了重庆红粘土的3个屈服面（体积屈服面、q方向上的剪切屈服面以及θσ方向上的剪切屈服面）的数学表达式。结合数值算例，证明了提出的3个屈服面表达式的合理性。     

基于旁压试验土体弹塑性本构模型初探

在大量旁压试验数据分析的基础上,通过曲线拟合,建立了旁压试验弹塑性阶段曲线的椭圆方程,利用土体SMP屈服准则和Rowe流动法则,推导出土体塑性阶段应力增量与应变增量间关系矩阵。在弹性阶段,假设土体应力-应变服从广义虎克定律,建立了基于旁压试验的土体弹塑性本构模型。编制了相应的计算程序,将文中模型计算结果与实际旁压试验曲线进行对比,初步验证了模型的正确性。将本构模型编译为ABAQUS自定义材料子程序UMAT,通过有限元对比分析,文中模型计算变形较弹性模型小,较摩尔-库仑模型大,与模型建立的假设一致。基于旁压试验的土体弹塑性本构模型参数少,且易于获取,便于在实际工程中应用。     

抛物线型屈服面人工冻土蠕变本构模型研究

利用自行研制的W3Z-200型冻土三轴压缩蠕变仪,对淮南地区深表土冻土进行了三轴蠕变试验。根据试验结果,提出以标准黏弹塑性模型为基础,并耦合温度自由度,应用抛物线型屈服准则对模型中的黏塑性项进行改进,建立了新的本构模型来描述高围压复杂应力状态下冻土的蠕变变形特征。基于ADINA有限元软件平台,开发了冻土本构子程序。对淮南某冻结井筒开挖过程进行了数值模拟,计算结果验证了冻土抛物线型黏弹塑本构模型的正确性和合理性。     

邓肯-张模型和沈珠江双屈服面模型的改进

邓肯-张非线性弹性模型和沈珠江双屈服面弹塑性模型已经被广泛地应用于高土石坝等土工建筑物应力位移分析中，但是邓肯-张模型存在不能反映土剪胀性的缺陷，沈珠江模型在高围压或较大剪应变条件下也存在模拟土剪胀性偏大的不足。笔者提出了一个能够统一模拟低围压到高围压条件下土剪胀特性的数学表达式，对上述两个模型进行了改进。采用粗粒土的大型三轴试验结果的初步验证分析表明，改进模型能较好地拟合粗粒土在低围压条件下剪胀以及高围压条件下剪缩的应-应变特性。     

基于SFG模型的统一屈服面本构模型与试验研究

将SFG模型中的加载湿陷屈服面(LC屈服面)与BBM模型中提出的吸力增加屈服面(SI屈服面)统一成为单独光滑的屈服面,基于弹塑性理论框架,推导出相应的弹塑性本构模型。通过非饱和固结直剪试验对江西红土的模型计算参数的应力-应变曲线与试验结果进行对比。结果表明:模型对多种应力路径下非饱和三轴试验的计算结果与相应试验的测定结果较为吻合,验证了模型能较好地模拟非饱和土在多种应力路径下的体应变行为。统一屈服面简化了加载湿陷屈服面与吸力增加屈服面之间的耦合分析,解决了因双屈服面的不连续而造成计算不便问题,拓宽了SFG模型的适用性。     

土的弹塑性应力-应变模型理论

一、导言土是最古老的工程材料,可是设计现代最新式的大建筑物,如一两百米高或更高的土坝和形形式式建筑在土基上的大型核电站,火电站,冶金工厂,石化工厂等等都依旧离不了要和它打交道.虽然土力学成为一门技术科学已有五十多年的历史,但是对于土的工程特性的研究,过去只注意了它的抗剪强度,对于土的弹塑性应力～应变特性的认识是非常肤浅的.其它如对于土的流变性和动力特性方面的研究,也是不够普遍和深入的     

对一些角隅模型的认识

基于花岗岩的真三轴强度试验结果和双剪强度理论,考虑岩石在三轴压缩状态下和在三轴伸长状态下不同的强度特性,导出了花岗岩在三轴压缩状态下的 函数关系式和在三轴伸长状态下的 函数关系式,并分别将目前常用的 Gudehus-Arygris、William-Warnke、郑颖人、俞茂宏-刘风羽等角隅模型的屈服强度计算结果与花岗岩的真三轴强度试验结果进行了对比,得出了这些角隅模型能较为准确地预测屈服强度等一些有益的认识。     

偏平面上屈服曲线的实验拟合

在土体本构理论中，多重屈服面的引入为合理描述土体剪应变与体应变提供了可能，尽管如此，现有多重本构关系仍不能很好的反映π平面上剪应力增量矢量dq对应应变增量矢量dγ^p的影响。现以广义塑性力学为理论基础，对重庆粘土的真三轴试验资料进行了分析，拟合出了偏转角α与剪应力q的关系式，同时提出了一个新的γq^p，γθ^p屈服面表达式，经过已有试验数据的验证，证明了其合理性。     

天津滨海新区软黏土的蠕变特性及无屈服面模型研究

天津滨海新区大部分为围海造陆形成的陆域,主要为吹填土经真空预压加固的软黏土地基,具有鲜明的地域特征。其蠕变特性对该地区的建筑物和构筑物地基的变形和长期稳定性有很大影响。采用大直径原状试样进行了三轴不固结不排水蠕变试验,研究了滨海新区软黏土的蠕变变形的规律性。在此基础上建立天津滨海新区软黏土的无屈服面蠕变模型,该模型只有5个参数,各参数物理意义明确,且可以通过试验确定。采用建立的模型对试验结果进行对比分析,理论模型计算结果与试验数据的拟合曲线吻合较好。该模型可用来对软黏土地基上结构物的长期蠕变变形的发展趋势和地基稳定性进行预测。     

冻结黏土卸载状态下双屈服面流变本构关系研究

卸载状态下冻土三轴蠕变试验结果表明,冻土具有明显的剪胀性,且体积应变不能忽略。为了全面反映冻土在卸载状态下的蠕变变形规律,以简单的黏弹塑模型为基本流变元件,提出了冻土服从椭圆-DP双屈服面流变本构力学模型。通过有限元程序的二次开发,将该模型嵌入到ADINA有限元程序中。对冻土三轴蠕变试验过程进行了数值模拟表明,椭圆-DP型双屈服面本构力学模型能够较好地反映冻土的剪胀性和体积应变等变形性质,数值模拟和试验结果吻合良好,可为冻土工程数值计算提供参考。     

基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的试验研究

土体硬化模型已成为基坑数值分析中最常用的本构模型之一,其应用的关键是计算参数的确定。首先采用薄壁取土器现场取得土样,通过基于GDS的三轴固结排水剪切试验、三轴固结排水卸载-再加载试验及标准固结试验获得了上海典型土层土体的三轴试验应力-应变曲线和固结试验荷载-应变关系曲线。然后根据曲线确定了各土层的HS模型参数,建立了各土层HS模型参数中切线模量 、割线模量 、加载模量 的比例关系,并探讨了这些模量与压缩模量 之间的比例关系。最后将各层的模型参数与模量间的比例关系与国内外其他软土地区的结果进行了比较。试验结果可作为上海地区及其他软土地区基坑工程数值分析中确定HS模型参数时的参考。