土的本构模型研究现状及发展趋势_雷华阳
土结构性本构模型研究现状综述
J ournal o f E ngineering G eology 工程地质学报 1004-9665/2006/14(05) 0620 07土结构性本构模型研究现状综述*王国欣 肖树芳( 中国建筑第八工程局技术中心上海200135)(吉林大学建设工程学院长春130026)摘 要 土本构模型的建立是一个重要而又复杂的问题,到目前为止,国内外学者们已提出数以百计的土本构模型,诸多文献也对这些模型进行了评述和归纳。
然而这些土本构模型多是在扰动土或砂土的基础上发展和建立起来的,它们难以描述由于土结构性引起的各种非线性行为,其计算结果与实际情况相差甚远。
天然土体一般都具有一定的结构性,所以有必要建立考虑土结构性影响的土本构模型。
针对这个现实,目前有些学者已基于各种理论和方法,提出了一些可以考虑土结构性影响的土本构模型,并得了较好的应用。
但在目前的文献中还很少有对土的结构性本构模型研究进行归纳,基于此,本文简要介绍了一下目前土的结构性本构模型研究现状,并提出了这些本构模型在应用中所存在的问题。
关键词 土 本构模型 结构性中图分类号:P642.1 文献标识码:AREV IE W ON CURRENT SITUAT I ON OF S O I L STRUCTURAL CON S T ITU TIVE MODEL SWANG Guox in XI AO Shu fang( D epart men t of G eotechnical E ngineer i ng,T ongj i Un i ver sit y,Shangha i200092)(onstruction Engineer i ng Colle g e,J ili n University,Changchun130026)Abst ract It is an i m portant and co m p lex task to constr uct so il constit u ti v e m ode.l Up to no w,t h ere are hundreds of so il constituti v e mode ls wh ich have been pr ov i d ed by scho lars in China and abroad.These m ode ls have been re vie w ed and docum ented i n m any literatures.H o w ever,because they w ere constr ucted and developed m ainly on the basis of dist u rbed soils or sandy soils,these m ode ls are not ab le to descri b e the var i o us nonli n ear behav ior induced by structural property o f so i.l Subsequen tl y,t h e calcu lated resu lts can g reatl y d ifferentw ith the resu lts o f tests per f o r m ed i n situ.Genera ll y,natura l so ils have struct u ra l property.So it is necessary to construct so il constit u ti v e m ode ls wh ich can take account o f the so il structura l property.So m e scholars have proposed soil constitutive m odels t h at can take account o f struct u ra l property on the basis of a llk i n ds of theories and m ethods,and have ach ieved sat isfactory resu lts.But up to now,there are fe w literatures to g ive a state o f the art revie w on so il struct u ral constit u ti v e m odels.Therefore,the paper presents a rev ie w on thethe current situation of so il str uctural constitutive m ode ls, po i n ts out so m e issues i n use o f the so il structura l constit u ti v e m odelsK ey w ords Soi,l Constitutive m ode,l Structura l pr operty,So ilm echanics,Geotechn ica l engineeri n g*收稿日期:2005-12-12;收到修改稿日期:2006-05-17.基金项目:国家自然科学基金资助项目(40172092),国家博士后科学基金资助项目(2003034276).第一作者简介:王国欣(1976-),男,博士,主要从事地质工程.Ema i:l cyx w gx@126.co m1引 言近年来,土的结构性研究引起了人们的广泛关注。
土和冻土的动态力学性能及本构模型研究
土和冻土的动态力学性能及本构模型研究概述：土和冻土是地球表层最常见的材料之一，对于土地利用、地基工程和天然灾害等方面都具有重要意义。
土和冻土在动态加载下的力学性能对于结构的稳定性和工程设计具有极大的影响。
本文将从土和冻土的动态力学性能及本构模型研究进行阐述。
一、土和冻土的动态力学性能土和冻土的动态力学性能通常指材料在动力加载下的应力-应变响应，包括动态弹性模量、阻尼比、波速、破坏特性等。
土和冻土在动态加载下的力学性能与其物理和化学特性、孔隙结构、含水状况以及加载方式等有关。
具体来说，土和冻土的动力响应是由材料的颗粒间接触、颗粒对墙壁的撞击和孔隙介质内部的惯性作用引起的。
本构模型是研究物质在固体力学领域中的应力-应变关系的数学描述。
土和冻土的本构模型研究是为了揭示他们的力学行为，在工程设计和质量评价中有很大的应用价值。
常见的土和冻土本构模型包括弹性模量模型、黏塑模型和损伤模型等。
1.弹性模量模型：弹性模量模型是最简单的土和冻土本构模型之一，它假设土体和冻土具有线弹性行为。
常用的弹性模量模型有弹性模量常值模型和应力路径相关模型。
弹性模量常值模型即假设土和冻土的弹性模量是常数，适用于一些已知性质的土层或冻土。
而应力路径相关模型则将弹性模量与加载路径相关联，通过比例因子来反映材料的弹性响应。
2.黏塑模型：黏塑模型是一种描述土和冻土的非线性本构模型。
它考虑了土和冻土的黏聚力、内摩擦角、应变硬化、静动态强度比等因素。
常用的黏塑模型有Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型和Cam-Clay模型等。
这些模型通过引入一些参数来描述土和冻土的可压缩性、抗剪强度和应变软化等特性。
3.损伤模型：损伤模型用于描述土和冻土在动态加载下的强度破坏和变形性状。
损伤模型基于材料的微动和损伤累积过程，描述了土和冻土在破坏前后的力学特性。
常见的损伤模型有弹塑性损伤模型、连续损伤模型和非连续损伤模型等。
结论：土和冻土在动态加载下的力学性能及本构模型研究对于土地利用、地基工程和天然灾害等方面都具有重要意义。
正常固结黏土本构关系研究综述
正常固结黏土本构关系研究综述摘要:正常固结黏土是一种普遍存在于土工和岩土工程中的地质材料，在地基工程和地质灾害评估等领域具有重要作用。
本文通过文献综述的方式总结了已有研究中适用于正常固结黏土的本构模型：Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型、Cam-Clay模型、Bingham模型，并对其进行分类评述。
关键词：黏土；本构模型；综述在土壤力学领域中，对于黏土的研究一直是一个重要而又复杂的课题。
黏土是黏性土的典型代表，具强塑性、吸水性、膨胀性、收缩性、吸附性、冻胀性、烧结性、耐火性等特殊性质。
其性质和行为对于工程建设、地质灾害预测与调控等方面具有重要意义[1]。
本构关系指的是描述土体力学性质与其应力-应变关系之间联系的数学模型。
对于正常固结黏土的本构关系研究，旨在揭示黏土在径向和剪切方向上的变形特性。
本综述旨在回顾当前关于正常固结黏土本构关系的研究进展，并对其中涉及的主要观点、方法进行综合概述。
1.Mohr-Coulomb模型土塑性力学理论始于1773年法国科学家库伦提出的Coulomb屈服准则1776年库伦总结土的破坏现象和影响因素，提出土的破坏公式为：根据砂土实验结果得到：对于黏性土，可给出更为普遍的表达式：式中c为内聚力，为内摩擦角。
Mohr-Coulomb模型[2]是基于莫尔-库仑准则的一种用于描述土体和岩石的强度和变形行为的本构模型。
该模型假设土体或岩石在发生破坏时遵循弹塑性行为，其中包括两个主要参数：内聚力和内摩擦角。
内聚力越大，材料越难破坏；内摩擦角越大材料越抗剪切破坏。
应力状态：屈服准则：Mohr-Coulomb模型通过在应力空间中绘制Mohr圆来描述材料的破坏准则。
根据Mohr圆上某一点的位置，可以判断材料处于弹性区还是塑性区，以及是否达到破坏条件。
2．Drucker-Prager模型Drucker等提出在Mohr-Coulomb锥形屈服面上再加上一族强化帽形屈服面。
土的本构模型的通用性与实用性
土的本构模型的通用性与实用性近期思考了一下土的本构模型问题，感觉弹塑性模型比较活跃，很多研究是在剑桥模型上的发展，如改进剪胀方程，改进屈服函数，增加剪切屈服函数，发展双屈服函数模型，如硬化模型（HS模型），沈珠江的南水模型等，还有为避免确定塑性势函数和屈服函数的问题，发展广义塑性模型，即直接定义塑性流动方向和加载方向建立模型。
这些模型之间有联系吗？细想一下发现，这些模型其实也可以统一用广义位势理论来更方便直观的建立，并从中认识各模型的联系和假设，对于发展本构模型有启发，为此写下一点思考，供大家参考。
土的本构模型是现代土力学的核心，目前尚未很好解决，主要原因一方面是因为土的力学特性复杂，二是缺乏合适的本构理论，三是模型的参数多或者确定不方便，影响应用。
现有的建模方法多是在传统理论基础上的改进，像传统的弹塑性理论，是一种特殊理论，要想很好的用于表述复杂材料会使模型复杂化。
由广义位势理论可以建立普遍适用和通用的广义弹塑性模型，在此基础上，可以依据问题的不同引入假设，简化模型及参数确定方法，建立简便实用的本构模型，用于工程，解决本构模型的工程应用问题，提高岩土工程设计水平。
1 前言土的本构模型是现代土力学的核心，自从1963年发表剑桥弹塑性模型以来，已历经了近60年的研究，提出了众多的模型，但能用于工程设计的模型还是缺乏。
工程中用本构模型计算的结果主要还是参考，且不同的模型计算结果会不同，甚至还会相差大，说明研究还未成熟。
目前总体而言，研究的多，同行公认的模型少，说明还是没有找到共识的模型。
由于传统理论的局限性，研究者为适应岩土变形的特殊性，采用不同的扩展方法，以表述岩土不同的变形特性，因其基于的理论和假设不同，建立的本构模型之间难以比较。
以弹塑性模型为例，比较受追捧的典型模型有剑桥模型、硬化（HS）模型、广义塑性模型、双屈服面模型等，每一个模型依据的理论假设可能不很清楚或不同，如有用关联流动法则的，有用非关联流动法则的，也有直接定义流动方向的，有用一个屈服函数的，有用两个屈服函数的，甚至不同模型基于不同的理论基础，各自也都有试验验证，都表述了一定的变形特点，但难以互相比较。
土动本构模型研究现状综述
土动本构模型研究现状综述唐健强【摘要】Through the summary on the domestic and foreign research status of soil dynamic constitutive model,this paper analyzed the character-istics of existing rock and soil dynamic constitutive model,and put forward some problems to be solved,pointed out that the research on soil dy-namic constitutive relationship model had great theoretical significance and practical significance to correctly analysis on soil engineering prob-lems.%通过对国内外土动本构模型研究现状的归纳总结，分析了现有岩土动本构模型的特点，并提出了有待解决的问题，指出土动本构关系模型的研究对正确分析土的工程问题具有重大的理论意义和现实意义。
【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2014(000)035【总页数】2页(P95-96)【关键词】动本构模型;动弹性模量;合理性【作者】唐健强【作者单位】四川农业大学建筑与城乡规划学院，四川成都 611830【正文语种】中文【中图分类】TU435中国地处三大板块的交界处，地震灾害频频发生，地震灾害对我国的经济造成直接的影响。
资料表明，地震引起的次生灾害主要有砂土液化、滑坡等。
例如，2008年汶川地震所触发的滑坡、崩塌在5万余处以上，其中对城镇、乡村带来直接危害和间接威胁的达4 000余处，大型、特大型滑坡达数百处。
场地的地震破坏作用是由于地面强烈运动引起地面设施振动而产生的。
本构方程国内外研究现状
本构方程国内外研究现状本构方程是描述物质内部相互作用的数学模型，广泛应用于物理、化学、材料科学等领域的研究中。
国内外对于本构方程的研究已经取得了重要的进展，尤其是在材料科学领域，本构方程的研究对于材料的性能预测和设计具有重要意义。
在国外，本构方程的研究主要集中在材料力学、连续介质力学、计算力学等领域。
通过建立合适的本构方程，可以描述材料在不同应力、应变条件下的力学行为。
例如，针对金属材料的研究，常见的本构方程包括弹性本构方程、塑性本构方程、损伤本构方程等。
这些方程通过对金属材料的微观结构和变形机制进行建模，可以预测材料在不同加载条件下的力学行为。
在国内，本构方程的研究同样取得了重要进展。
随着国内材料科学研究的快速发展，本构方程在材料设计和性能预测中的应用越来越广泛。
例如，在高温合金领域，本构方程被用于描述材料的高温力学行为，以提高材料的耐高温性能。
在复合材料领域，本构方程被用于预测材料的强度、刚度等力学性能，以指导复合材料的设计和制备。
除了材料科学领域，本构方程在其他领域的研究也呈现出多样化的趋势。
在生物力学领域，本构方程被用于描述生物组织的力学行为，以解释生物组织的变形特性和机械响应。
在地质力学领域，本构方程被用于描述地球内部岩石的变形和断裂行为，以研究地壳运动和地震活动。
本构方程作为描述物质内部相互作用的数学模型，在国内外的研究中发挥着重要作用。
通过建立合适的本构方程，可以揭示材料的力学行为和变形机制，为材料的性能预测和设计提供理论基础。
随着科学技术的不断发展和研究方法的不断创新，本构方程的研究将进一步深入，为各个领域的科学研究和工程实践提供更加精确和可靠的模型和方法。
岩土工程中土体本构模型的研究与改进
岩土工程中土体本构模型的研究与改进导言：岩土工程是土壤和岩石力学的应用学科，涉及地质工程、地下工程、堤坝工程等方面。
在岩土工程中，研究土体力学特性是非常重要的。
土体本构模型作为描述土体力学特性的数学模型，对于岩土工程的设计和分析具有重要意义。
本文将研究和改进在岩土工程中常用的土体本构模型，以提高工程设计的准确性和可靠性。
一、传统土体本构模型的局限性传统的土体本构模型常采用线性弹性模型或塑性模型进行描述，但这些模型在实际工程应用中存在一定的局限性。
首先，线性弹性模型忽略了土体在较大应力下的非线性变形特性。
其次，塑性模型在描述土体的变形特性时，仅考虑土体的体积塑性，但忽略了土体的剪切塑性，与实际工程情况存在一定的差距。
因此，需要对传统土体本构模型进行研究和改进，以提高模型的适用性和准确性。
二、复杂土体本构模型的研究与改进为了更好地描述土体的力学特性，研究人员提出了一系列复杂的土体本构模型。
这些模型在考虑土体的非线性特性、各向异性特性和剪切塑性特性的同时，还能够模拟土体在不同应力路径下的力学行为。
例如，Cam-Clay模型以及其改进版本，综合考虑了土体的体积变形、剪切变形和各向异性，适用于模拟粘土和软土的力学行为。
Hardening Soil模型则引入了孔隙压力的影响，并考虑了土体的强度衰减效应，适用于模拟岩土体在变动应力下的力学行为。
这些复杂的土体本构模型在改进了传统模型的同时，也增加了模型的复杂性和计算难度，需要更多的实验数据和计算技术支持。
三、新型土体本构模型的发展趋势随着计算机技术和数值方法的快速发展，越来越多的新型土体本构模型得到了研究和应用。
这些模型不仅考虑了传统模型所忽略的土体力学特性，还能够模拟土体在较大应力下的非线性变形，并提供更为准确的力学参数。
例如，基于塑性势函数理论的非线性本构模型，能够更好地描述土体在应力路径变化下的力学行为。
另外，细观尺度下的离散元模拟方法也为岩土工程提供了新的研究思路，通过将土体划分为离散的颗粒，并考虑颗粒间的作用力，模拟土体的宏观力学行为。
岩土类材料本构模型研究现状及发展趋势
岩土类材料本构模型研究现状及发展趋势
岩土类材料本构模型的研究现状主要集中在以下几个方面：
1. 传统本构模型：目前岩土类材料常用的本构模型包括弹性模型、塑性模型和粘弹塑性模型等。
这些模型已经在岩土工程领域得到广泛应用，但仍存在一些不足之处，如无法精确描述材料的非线性行为、依赖于实验数据等。
2. 分子动力学模拟：近年来，随着计算机技术的发展，分子动力学模拟在岩土类材料本构模型研究中得到了广泛应用。
该方法基于分子尺度对材料的微观结构和性质进行研究，能够提供更准确的材料本构模型。
3. 非线性本构模型：针对岩土类材料的非线性行为，研究人员正在开发更精确的非线性本构模型。
这些模型能够考虑材料的强度、应变硬化、损伤以及温度等因素对材料行为的影响。
未来岩土类材料本构模型研究的发展趋势包括：
1. 多尺度本构模型：将不同尺度的模型进行耦合，从而提高模型的准确性和适用性。
例如，将分子动力学模拟结果与宏观本构模型相结合，以获得更准确的材料本构模型。
2. 数据驱动的本构模型：利用大数据和机器学习等技术，通过分析实验数据和观测数据来构建本构模型。
这种数据驱动的方法能够提高模型的预测能力和适用性。
3. 损伤模型：研究人员将更多注意力放在岩土材料的损伤行为研究上，以提高本构模型对材料失效的预测能力。
4. 特殊环境下的本构模型：考虑材料在特殊环境下的行为，如高温、低温、高压等条件下的应力应变关系。
总体来说，岩土类材料本构模型研究的发展趋势是朝着多尺度、数据驱动和考虑材料特殊环境影响的方向发展。
这将有助于提高模型的准确性和适用性，为岩土工程领域提供更科学、可靠的模型和方法。
基坑开挖土体的变形性状及本构模型试验研究的开题报告
基坑开挖土体的变形性状及本构模型试验研究的开
题报告
一、研究背景
在城市建设中，基坑工程的开挖是不可或缺的一部分。
然而，开挖
基坑后，土体的变形性状对于工程的稳定性和安全性具有重要的影响。
因此，对基坑开挖土体的变形性状及其本构模型进行深入研究具有重要
意义。
目前，国内外对基坑开挖土体的变形性状及本构模型的研究颇为丰富，但是不同类型的土体，在不同的开挖条件下，其变形行为差异较大，因此，需要进行更为详尽的研究。
二、研究目的
本文旨在通过实验研究，探讨基坑开挖后土体的变形性状，分析各
种影响因素对土体变形的影响，并建立相应的本构模型，为基坑工程的
设计和施工提供理论依据。
三、研究内容
（1）基坑开挖实验的设计与搭建
本实验将建立一个模拟基坑的实验模型，采用不同材质、不同厚度
的土层进行填充，然后进行开挖试验，观察土体的变形和破坏情况。
（2）土体变形性状的测试与分析
在进行开挖试验时，将通过位移传感器和应变计等设备，对土体的
变形和应力变化进行实时监测和记录，然后对土体的变形特征进行分析
和总结，以寻找规律。
（3）本构模型的建立与验证
在对土体的变形特征进行分析的基础上，将建立相应的本构模型，并将其与实验数据进行对比和验证，以检验模型的可行性和精度。
四、研究意义
通过本次研究，可以深入了解基坑开挖土体的变形特征，建立相应的本构模型，并为基坑工程设计和施工提供理论依据。
同时，研究结果也可以为相关学科领域提供参考和借鉴。
浅谈土的本构模型发展简介
浅谈土的本构模型发展简介【摘要】随着计算机广泛地用于土力学计算，土的本构模型也被大量的研究。
本文主要介绍现有的土的本构模型。
【关键词】土力学；本构模型土体是一种地质历史产物，具有非常复杂的非线性特征。
在外荷作用下，表现出的应力-应变关系通常具有弹性、塑性、粘性以及非线性、剪胀性、各向异性等性状[1]。
为了较好地描述土的真实性状，建立土的应力-应变-时间之间的关系式，有必要在试验的基础上提出某种数学模型，把特定条件下的试验结果推广到一般情况，这种数学模型称为本构模型[1，2]。
广义上说，本构关系是指自然界-作用与由该作用产生的效应两者之间的关系。
而土的本构关系则是以土为研究对象，以建立土体的应力-应变-时间关系为核心内容，以土体工程问题的模拟和预测为目标，以非线性理论和土质学为基础的一个课题[3]。
1.线弹性模型经典土力学将土体视为理想弹性体，在进行变形计算时采用基于广义虎克定律的线性弹性模型，假定土体的应力和应变关系成正比，通过测定土在不排水条件下的弹性模量E和泊松比μ，或者体积变形模量K和剪切模量G来描述其应力一应变关系。
土的线弹性模型简单，适用于不排水、安全系数较大、土体不发生屈服的情况，工程中可用：（a）计算地基中的垂直应力分布；（b）计算地基在不排水加荷情况下的位移和沉降；（c）基坑开挖问题计算，用于估计基坑在不排水条件下的侧向压力与侧向位移；（d）计算软粘上地基在加荷不排水条件下的沉降和孔隙水压力[5]。
2.非线性模型线弹性模型只适用于安全系数较大、土体不发生屈服的情况。
实际上土体要发生屈服，应力-应变关系是非线性的。
土体发生屈服后除了弹性变形之外还有不可恢复的塑性变形。
因此，实际土体在加荷与卸载时变形的特性是不同的。
土的变形不仅随着荷载的大小而异，而且还与加荷的应力路径有关。
土的这种非弹性的应力-应变关系用弹塑性模型模拟较好，但是弹塑性模型用于实际工程较为复杂，非线弹性模型是为了避免用弹塑性模型的一种方法。
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土的本构模型研究现状及发展趋势雷华阳(长春科技大学环境与建设工程学院,吉林长春 130026)摘要:从两方面总结了前人关于土体本构关系的研究成果以及目前的发展状况:一方面,从宏观现象学角度介绍了剑桥模型、弹性-硬化塑性模型以及为描述循环荷载条件下土的本构特性所建立的多重屈服面模型和边界面模型;另一方面,阐述了土的微观结构和土微结构力学模型的研究状况。
认为今后的土本构模型研究趋势必将与土的结构性研究紧密相联,成为21世纪土力学的核心。
关键词:土本构模型;宏观力学;微观结构中图分类号:P642.1 文献标识码:A 文章编号:1004-5589(2000)03-0271-06收稿日期:2000-01-04作者简介:雷华阳,女,1974年生,博士生,主要从事地质工程方面研究11 土本构模型的研究内容土体是一种地质历史产物,具有非常复杂的非线性特征。
在外荷作用下,表现出的应力-应变关系通常具有弹性、塑性、粘性以及非线性、剪胀性、各向异性等性状[1]。
为了较好地描述土的真实性状,建立土的应力-应变-时间之间的关系式,有必要在试验的基础上提出某种数学模型,把特定条件下的试验结果推广到一般情况,这种数学模型称为本构模型[1,2]。
广义上说,本构关系是指自然界一作用与由该作用产生的效应两者之间的关系。
而土的本构关系则是以土为研究对象,以建立土体的应力-应变-时间关系为核心内容,以土体工程问题的模拟和预测为目标,以非线性理论和土质学为基础的一个课题。
纵观土力学70余年的发展历史,人们常将岩土本构关系分为宏观本构关系和微观结构本构关系两个方面。
前者是建立在宏观现象学基础上的本构关系,而后者则是从土的微观结构角度来建立土的本构关系。
通过微观结构的研究,使得众多结构研究成果与其力学性状发生定量意义上的联系,对解释宏观力学现象具有重要意义。
2 研究现状早在1773年Coulomb 就提出Coulomb 屈服准则,用以模拟土的应力-应变性质。
之后,建立在弹性理论与塑性理论基础上的各种本构模型在岩土工程中获得了普遍的应用。
通过众多学者的努力,土的本构模型研究取得了丰硕的成果。
下面就宏观力学和微观结构两个方面,阐述土的本构模型的研究现状。
2.1 建立在宏观现象学基础上的本构模型研究现状土体应力-应变关系是土工计算中的一个关键问题。
国内外学者对土的变形规律作了较为广泛的研究,提出了众多的本构模型。
近30年来,由于工程实际的需求及计算机技术的发展,人们已不满足于经典的弹性模型的假定,纷纷探求符合土的客观实际的应力-应变-时间关系的数学模型。
第19卷 第3期 2000年9月 世 界 地 质WORLD GEOLO GY Vol.19 No.3Sep.2000272世 界 地 质 2000年建立在现代塑性理论[3]基础上的弹塑性本构模型是土本构模型中发展得最完善、应用最广泛的一类模型。
弹塑性应力应变关系来源于希尔等列出的塑性理论的概念。
1958～1963年间,英国剑桥大学的Roscoe和Burland等提出了卡姆(Cam,也即剑桥)粘土的本构模型,标志着人们在土体力学特性认识上的第一次飞跃。
他们将“帽子”屈服准则、正交流动准则和加工硬化规律系统地应用于Cam模型之中,并且提出了临界状态线CSL、状态边界面、弹性墙等一系列物理概念[4],构成了第一个比较完整的土塑性模型。
Burland对剑桥模型作了修正,认为剑桥模型的屈服面轨迹应为椭圆。
之后,Roscoe和Burland又进一步修正了剑桥模型,给出了现在众所周知的修正剑桥模型[4]。
Lade和Duncan根据砂土的真三轴试验结果,提出了一种适用于非凝土的弹性-硬化塑性模型。
后来,Lade又对屈服面函数作了修正,将该模型推广应用于正常固结的粘土中。
帽盖模型[2,3]是Dimaggio和Sandler在Drucker等人的研究以及在剑桥模型的基础上提出的。
帽盖模型最初被用来描述砂土的本构性状。
后来被延伸应用于粘土、岩石等其他地质材料。
由于帽盖模型能给出唯一、稳定的应力-应变关系,模型的材料参量可以方便地从几种标准试验资料中确定。
由于其明显的适应性和灵活性,近几年来获得了广泛的发展和应用。
为了更好地模拟地质材料在塑性屈服前的非线性性状,提出了变模量帽盖模型[3]。
该模型只是在公式中增加了与非线性弹性常数相关的项,并没有给计算增加多大的困难,但模型却具有了更广泛地适应性,因为该模型不仅能描述塑性屈服前的非线性、剪胀性等等特性,还能描述屈服后的各种破坏性状与塑性硬化性状。
这就使得本构模型在岩土工程实践中,特别是关于地下激波运动的计算中获得更加广泛的应用。
Lindholm用试验方法证实了当加载的应力率(或应变率)较高时,其应力应变的响应明显依赖于加载的应变率。
章根德[3]发展了Perzyna提出的动力帽盖模型对地质材料的动力响应给出了恰当的描述。
为了比较真实地描述循环荷载条件下土的本构特性,Iwan,Mroz 提出了多重屈服面弹塑性模型。
Prevost采用多重屈服面的概念提出了不排水条件下粘土的本构模型。
之后,又将此模型推广用于研究排水条件下土的性质。
边界面模型最早由Dafalias和Popov提出并应用于金属材料的循环加载。
Krieg等发展了较为简单的土的各向异性应变硬化塑性力学模型。
Dafalias和Herrmann采用边界面模型的公式来描述粘土在循环加载条件下的性状。
相比于多重屈服面模型,边界面模型无需记忆多个屈服面的位置和大小,相对地比较简单。
无论是塑性理论还是流变理论都难以全面反映土的客观性质。
Scibel和Pomp、Deutler 和Harding等分别采用各种材料进行试验证实了地质材料具有弹性、塑性和粘性性质。
为了全面反映土的本构关系,就必须同时考虑土的弹性、塑性和粘性性质。
Y in和Graham在研究次固结变形时推导出了弹-粘-塑性(EVP)本构模型[5],模拟粘土与时间相关的应力∃应变性状,并用于一维的固结分析。
M.M.Morsy和D.H.Chan等提出了描述粘土蠕变的具有双屈服面的有效应力模型[6],并应用于实际取得了较好的效果。
随着计算机和数值技术的迅猛发展,有限元、边界元等方法引入了土工计算。
非线性分析的数值方法也为复杂的工程问题提供了合理的资料,促使了土本构模型的研究愈来愈深入。
从简单加载条件下的一个屈服面本构模型,如:Drucker-Prager模型,Cam-Clay模型,到复杂荷载条件下双屈服面的本构模型。
如:Drucker模型、Prevost-Hoeg模型等。
模型的求解从解析解发展到数值解,模型参数的确定不仅可利用试验方法,还可通过反演分析技术等非线性理论来确定。
2.2 土微观结构力学模型方面的研究综观土结构研究的历史,20年代到50年代以手持放大镜为工具,50年代中期到60年代后期,出现了光学显微镜、偏光显微镜和X -射线衍射等技术开始注意到土结构的定量化指标[7]。
直至80年代,在广泛研究的基础上,出现了描述微结构形态诸要素的方法和反映结构性影响的力学模型,显示出将微观力学变量和宏观力学变量相结合起来,建立土本构模型的企图。
目前,在国际上,前苏联及东欧一些国家在微结构研究领域中作出了较为突出的贡献。
Mitchell 、K.Collins 和Mc G own 提出了许多微观结构的概念,分析了其工程意义。
与此同时,由于计算机技术的不断提高,计算机图象处理系统被引入到土结构的研究中,使土结构的定量化水平上了一个新的台阶。
Tovey 等首次对土结构的电子显微镜照片进行了定量分析尝试。
Mitchell 出版了《Fundamental of Soil Behavior 》一书。
书中对粘土类和岩石微观结构及其控制因素的定量分析进行了系统的阐述。
粘性土微观结构定量化研究中一个了不起的突破的标志是以Bazant 教授领导的研究小组。
他们相继对粘性土的变形、蠕变、岩石和混凝土断裂等方面建立了微观力学模型[8]。
虽然在粘性土微观结构参数选取方面还有许多欠缺,但是毕竟第一次在建立粘性土本构关系中考虑了微观结构因素,它标志着土结构研究进入到了一个更加辉煌的新时期。
我国开展土微观结构的工作要比国际上晚几十年,但研究的技术手段起点较高,取得的成绩也是另人欣喜的。
高国瑞、王永炎、腾志宏等对黄土的微观结构进行了观察和分类,并与黄土湿陷性的关系进行了探讨[9,10]。
胡瑞林等通过微结构要素定量分析,研究黄土在压力作用下的微结构要素变化规律,初步揭示了黄土宏观变形的微结构控制机理[11]。
谭罗荣、施斌、李生林等对膨胀土的微观结构与工程性质的关系进行了详细的研究,取得了一批很有价值的成果[12,13]。
李向全、胡瑞林、张莉从粘性土土体结构系统观点出发,建立了土体结构形态概念模型,对软土力学特性有了更深层次的认识[14]。
李生林、吴义祥分别成功地研制了冷冻真空升华干燥仪,填补了我国微观结构备样技术的空白。
谭罗荣、施斌利用X 光衍射仪对粘性土中扁平粘土矿物颗粒定向排列进行了定量测定。
吴义祥、施斌应用了计算机图像处理技术对微观结构形貌进行了定量研究,取得了重大进展。
从土的微观结构角度来建立土的本构关系,只是近十几年的事。
它的基本思路出自Taylor (1938)提出的材料中不同方向微滑面上的应力应变关系。
这些关系的建立有两个前提[15],即微滑面上的应力是宏观应力张量的分量(静态约束),微滑面上的变形是宏观应变张量的分量(动态约束)。
Zienkiewicz 和Pande 、Pande 和Sharma 、Pande 和Xiong 应用塑性理论描述了土的结构性状。
但他们只考虑了静态约束,未考虑土的应变软化性。
Bazant 和Oh 、Bazant 和G ombarova 发现土在静态约束下,当应变软化发生时,其微滑面是稳定的。
目前,国际上比较有影响的微观结构模型主要有二类:一类是由Batdorf 和Budiansky 创立的经典塑性滑动理论发展形成的重叠片和微滑面模型;另一类为Cundall 和Cundall 和Strack 建立的颗粒模拟模型,近年已应用到了水泥、纤维和砂等复合材料的本构关系模型中。
国内,施斌曾利用上述第一类微观力学模型建立了各向异性粘性土(软土)蠕变的微观力学模型[16],取得了较好的拟合效果。
考虑到天然粘土的结构性,有的建议使用两种模型[17],一种是复合体模型,另一种则是堆砌体模型。
前者是引入损伤力学概念以后得到的,该模型能较好反映结构破损过程,但不372 第3期 雷华阳:土的本构模型研究现状及发展趋势472世 界 地 质 2000年能模拟三轴试验中低围压下的剪张现象。
后者假定总的应力增量为两个部分,一部分由有效应力增加而引起,另一部分由于颗粒破损的结果,该模型可以反映低围压下的剪张性。