[发明专利]周期性正弦振荡荷载下粘性土体粘弹塑性本构模型的构建方法

说明书

本发明公开了一种周期性正弦振荡荷载下粘性土体粘弹塑性本构模型的构建方法，包括步骤为：首先绘制土样应力‑应变和土样应力‑应变率关系曲线；将所得的土样应力‑应变和土样应力‑应变率关系曲线分别进行分解，并获取应力‑应变骨干曲线和应力‑应变率骨干曲线；将获取的应力‑应变骨干曲线和应力‑应变率骨干曲线进行线性叠加，得到周期性正弦振荡荷载下粘性土体粘弹塑性本构模型；最后，利用多元非线性回归方法，拟合四个模型参数，并分别建立模型参数和荷载周期与荷载角振幅间的函数关系。本发明能够逼真地再现实际海岸地区底床淤泥的动力响应特性，能模拟粘性土体在波浪振荡荷载下的流变特性，模型参数较少，具有广泛的适用性和扩展性。

技术领域

本发明涉及海岸工程和材料力学中土体流变特性领域，特别是一种周期性正弦振荡荷载下粘性土体粘弹塑性本构模型的构建方法。

背景技术

淤泥质河口或淤泥质海岸广泛分布于世界各地。在淤泥质河口海岸，海床上存在一层高含水率、高流动性的软泥层。由于软泥层的存在，泥床与水体间将发生剧烈的相互作用并产生两个显著的现象，即表层波浪衰减与软泥层质量输移。研究建立波浪作用下淤泥质粘土的流变特性模型，对揭示波浪与淤泥质海床相互作用现象及其运动规律起到关键的作用，对研究伴随床面淤泥运动的污染物输送、规划设计海岸工程建筑物、以及分析海岸带地质变化具有重要意义。

迄今，为研究波浪与泥床的相互作用，已提出各种描述粘性土体力学特性的本构模型，如粘性模型、粘弹性模型、多孔介质模型及Bingham模型等。其主要区别在于对淤泥流变特性的假设不同。其中大多数模型的建立是基于单向旋转流变仪的实验结果。

在实际的淤泥质河口海岸，泥床所受到的外力和泥床的运动十分复杂。在河口附近，河流的径流和外海潮流起主导作用，泥床主要受到单向流或者长周期的往复潮流作用，可将泥层视为单向运动。而在沿海海岸区域，与海流引起的软泥层单向运动相比，波浪引起的泥层振荡运动占主导地位。采用单向旋转流变仪对土体进行单向静态流变实验得出的本构模型不适于淤泥层在波浪作用下的往复运动。因此，有必要研究淤泥在波浪动态荷载下的流变特性，建立周期性波浪振荡荷载作用下的粘性土(包括淤泥)的力学本构模型。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种周期性正弦振荡荷载下粘性土体粘弹塑性本构模型的构建方法，该周期性正弦振荡荷载下粘性土体粘弹塑性本构模型的构建方法在大量动态剪切实验数据的基础上，通过分析土体的应力-应变及应力-应变率之间的关系，进行构建，从而能够逼真地再现实际海岸地区底床淤泥的动力响应特性，能够模拟粘性土体在波浪振荡荷载下的流变特性，模型参数较少，具有广泛的适用性和扩展性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种周期性正弦振荡荷载下粘性土体粘弹塑性本构模型的构建方法，包括如下步骤。

步骤1，绘制土样应力-应变和土样应力-应变率关系曲线：采用正弦振荡剪切流变仪对粘土试样进行动态剪切试验；通过改变荷载周期T和荷载角振幅A的大小进行多组实验，得到粘土试样在不同荷载强度组合下的应力、应变及应变率实验数据；然后，根据得到的实验数据，绘制土样应力-应变和土样应力-应变率关系曲线。

步骤2，构建粘弹塑性力学本构模型：将步骤1绘制的土样应力-应变和土样应力-应变率关系曲线分别进行分解，并获取应力-应变骨干曲线和应力-应变率骨干曲线；接着，将获取的应力-应变骨干曲线和应力-应变率骨干曲线进行线性叠加，得到周期性正弦振荡荷载下粘性土体粘弹塑性本构模型；构建后的粘弹塑性力学本构模型由如下方程表示：

其中：τ为粘土试样受到的剪切应力，ε为剪切应变，γ为剪切应变率；G₀、μ₀、α、β为模型参数，其中模型参数G₀、μ₀分别为初始剪切模量和初始粘性系数。