從工程應(yīng)用角度淺談土本構(gòu)關(guān)系doc

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從工程應(yīng)用的角度淺談土的本構(gòu)關(guān)系

1.引言

從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，研究問(wèn)題的精度就需要進(jìn)行合理的操縱，另外，任何理論、方法都應(yīng)以實(shí)踐應(yīng)用為目的，這樣才具有價(jià)值。綜合上述兩點(diǎn)，從工程應(yīng)用的角度去分析各種土的本構(gòu)關(guān)系是十分有必要的。

本構(gòu)關(guān)系是反映材料的力學(xué)性狀的數(shù)學(xué)表達(dá)式，表示形式一般為應(yīng)力-應(yīng)變-強(qiáng)度-時(shí)間的關(guān)系[1]。土的本構(gòu)關(guān)系十分繁雜，除受時(shí)間因素影響外，還受溫度、濕度等因素影響。同時(shí)，強(qiáng)度可以視為土體應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展的一個(gè)特別階段，因此本文主要探討土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

2.本構(gòu)關(guān)系的發(fā)展

對(duì)于一般的巖土工程問(wèn)題，穩(wěn)定問(wèn)題是主要問(wèn)題，如地基穩(wěn)定問(wèn)題、斜坡穩(wěn)定問(wèn)題等，一般采用極限平衡法對(duì)土體進(jìn)行分析。這種分析不考慮土體破壞前的變形過(guò)程及變形量，只關(guān)心土體處于最終整體滑動(dòng)時(shí)的狀態(tài)及條件，實(shí)際上是剛塑性或理想塑性的理論。此外，隨著計(jì)算手段、試驗(yàn)手段的提高，也極大地促進(jìn)了本構(gòu)關(guān)系的發(fā)展[1]。

2.1.彈性本構(gòu)關(guān)系

彈性本構(gòu)關(guān)系主要分為線彈性模型與非線性彈模型性兩種。基于廣義虎克定律的線彈性理論形式簡(jiǎn)單，參數(shù)少，物理意義明確，已有廣泛的工程應(yīng)用基礎(chǔ)。

2.1.1.線彈性模型

線彈性模型將土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系視為線性關(guān)系，顧只需要確定土的2個(gè)材料常數(shù)：E（彈性模量），（泊松比）或基于這兩個(gè)材料參數(shù)所導(dǎo)出的其他形式的兩個(gè)參數(shù)，便可確定這種土的本構(gòu)關(guān)系。

2.1.2.非線性彈性模型

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的非線性是土的基本變形特征之一，所建立的非線性彈性模型有割線模型和切線模型。割線模型是一種計(jì)算材料應(yīng)力應(yīng)變?nèi)筷P(guān)系的模型，而切線模型是立在增量應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基礎(chǔ)上的彈性模型。具有代表性的非線性彈性模型有：鄧肯-張雙曲線模型、沈珠江模型等。

2.1.3.高階非線彈性理論模型

這種模型可表示為全量應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，也可以表現(xiàn)為增量應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；可以存在變形能函數(shù)，也可以不存在，依照不同建模條件出現(xiàn)不同的理論模型。

2.2.彈塑性本構(gòu)關(guān)系

隨著土本構(gòu)關(guān)系模型的發(fā)展，增量彈塑性理論模型在現(xiàn)代土力學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。在這類模型中，土的彈性階段和塑性階段是相互耦合的，而土體的破壞只是這種應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系發(fā)展的最終階段。具有代表性的模型有：劍橋模型、萊特-鄧肯模型等。

3.本構(gòu)模型中的計(jì)算參數(shù)及對(duì)比

由于土性的繁雜及土本身的不可重復(fù)性，在土力學(xué)中可以有通用的本構(gòu)模型，但不會(huì)有通用的模型參數(shù)。使用任何模型時(shí)必需針對(duì)具體的土進(jìn)行試驗(yàn)，確定其參數(shù)[2]。

3.1.部分本構(gòu)模型的參數(shù)

綜合上述模型，各模型的計(jì)算參數(shù)各不一致，其計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表1：

從表1中可以看出，各種本構(gòu)模型所需要的計(jì)算參數(shù)的數(shù)量各不一致。

3.2.部分本構(gòu)模型參數(shù)的確定

本構(gòu)模型需要參數(shù)才能進(jìn)行計(jì)算，而獲得相關(guān)參數(shù)的方法主要依靠相關(guān)土工試驗(yàn)，只有少數(shù)參數(shù)能夠依靠相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇。常見(jiàn)的試驗(yàn)方法如表2所示，從下表可以看出，獲取K-G模型參數(shù)需要做十分規(guī)的真三軸等p試驗(yàn)，由于該試驗(yàn)環(huán)境特別且每組真三軸試驗(yàn)所需要的試樣均多余常規(guī)三軸試驗(yàn)，故試驗(yàn)量較大，因此難進(jìn)行。相比之下，其余模型中需要的參數(shù)均可以通過(guò)常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)得到，具有較好的實(shí)用性。

3.3.參數(shù)比較

從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，假如計(jì)算模型所需要的參數(shù)越少，獲取越簡(jiǎn)單，則能夠得到廣泛應(yīng)用。反之，隨著應(yīng)用的增加，必將反作用于理論，使之能夠得到改良，從而實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。從參數(shù)數(shù)量和獲取難度的比較上而言，K―G模型實(shí)用性較差，而鄧肯-張雙曲線模型經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，其中n、F、D對(duì)其結(jié)果影響較小[3]，在適當(dāng)?shù)臓顩r下可退化為5參數(shù)模型；劍橋模型的參數(shù)只有3個(gè)，因而兩者得到了較為廣泛的應(yīng)用。

4.結(jié)語(yǔ)

從工程實(shí)用的角度出發(fā)，本構(gòu)關(guān)系應(yīng)力求公式簡(jiǎn)單，參數(shù)物理意義明確且簡(jiǎn)單通過(guò)常規(guī)試驗(yàn)獲取。

本構(gòu)關(guān)系可以唯一，但針對(duì)不同的土，參數(shù)必定是不同的。因此，本構(gòu)關(guān)系的發(fā)展不能一味追求"創(chuàng)興'，也需要對(duì)如何能夠更為便利、確切地獲取計(jì)算參數(shù)而多做研究。