[发明专利]一种循环双曲线弹塑性土体本构模型及其应用方法

说明书

本发明公开了一种循环双曲线弹塑性土体本构模型及其应用方法，它解决了现有本构模型中仅能反映土体在静力荷载作用下的力学性状而不能反映在动力循环荷载作用的力学性状的问题，具有能合理反映土体在动态循环荷载作用下的非线性特性和循环特性的有益效果，其方案如下：一种循环双曲线弹塑性土体本构模型，土体的屈服面由摩尔库伦模型进行定义，屈服面以下的弹性阶段采用双曲线弹性模型描述土体的应力应变状态。

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，特别是涉及一种在动态循环荷载作用下循环双曲线弹塑性土体本构模型及其应用方法。

背景技术

岩土是一种复杂的材料，在外力作用下，常常有很复杂的应力应变特性，如非线性、弹性、塑性、粘性以及剪胀性、应变硬化(软化)、各向异性等，同时又会受到应力路径、应力水平、应力历史以及岩土的状态、组成、结构和温度不同程度的影响。为了更加准确地描绘出土体的变形以及力学特征，反映出土体真实的力学性状，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。

自Roscoe创建剑桥模型至今，各国学者已发展了数百个本构模型，但大体可以分为以下几类：土的弹性模型、土的超弹性模型、土的次弹性模型、土的粘弹性模型、土的弹塑性模型、土的粘弹塑性模型等。

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。但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更合理，但弹塑性模型用于实际工程相对复杂，非线弹性模型是为了避免使用弹塑性模型的一种方法。然而土的线弹性和非线弹性模型都只能在一定荷载条件下才适用，在应力水平较高时，土体中除了产生弹性变形外，还产生不可恢复的塑性变形，弹塑性模型能较好地反映这种非弹性应力应变关系。土的弹塑性模型研究早期是借用金属材料的经典理想弹塑性模型，逐渐发展并建立了加工硬化弹塑性理论和临界土力学。随后人们根据不同的屈服准则、硬化及软化定律和流动法则假设，提出了许多弹塑性模型。但现有的本构模型如剑桥模型、修改剑桥模型等仅能反映土体在静力荷载作用下的力学性状，而在动力荷载如地震荷载，波浪荷载，风力荷载作用下，土体的非线性特征，循环特性以及滞回曲线并不能被很好的反映。

综上所述，合理的本构模型能更准确的反应土体应力应变关系及各种力学性状。因此为了能更准确反映弹塑性土体在动态循环荷载作用下真实的力学特征，需要选用合理的本构模型对土体进行模拟。

发明内容

为了能准确描述土体在动力循环荷载作用下的力学性状，本发明提供了一种循环双曲线弹塑性土体本构模型，该模型不仅能合理反映土体在动态循环荷载作用下的应力应变循环路径，还能合理反映土体在动态循环荷载作用下的非线性特征，循环特性和滞回性。

一种循环双曲线弹塑性土体本构模型的具体方案如下：

一种循环双曲线弹塑性土体本构模型，土体的屈服面部分由摩尔库伦模型进行定义，非屈服面部分采用双曲线弹性模型描述土体的应力应变状态。因为，在经受动态循环荷载作用下土体形态有很强的非线性、循环性和滞后性。土体在经受动态循环荷载作用时，在小的应变水平下，可以假定土体的行为是非线性的，但仍然有很大的弹性；在中等到大应变水平下，土体越来越呈现非线性和塑性；在循环载荷下，土体会产生永久变形。通过这种循环双曲线弹塑性土体本构模型，能合理反映土体在动态循环荷载作用下力学特性及应力应变循环路径。

本发明还提供了一种循环双曲线弹塑性土体本构模型的应用方法，包括如下步骤：