[发明专利]一种岩土材料精确本构模型的数值建模与应用方法

说明书

本发明公开了一种岩土材料精确本构模型的数值建模方法，包括：A针对岩土试样，在给定应力路径下进行三轴试验，获取岩土试样在p‑q应力平面上一系列的塑性体应变值与和塑性剪应变值；对塑性体应变值与塑性剪应变值，采用样条函数沿p，q方向分别进行插值拟合插值拟合，获取描述塑性体应变和剪应变场的多项式表达式f₁(p，q)和f₂(p，q)；对f₁(p，q)和f₂(p，q)分别进行对p，q的偏微分，获取4个偏导数；基于四个偏导数，建立确定岩土材料在指定给定应力路径下的本构模型方程表达式。上述岩土材料本构方程可定量描述岩土材料塑性变形的基本特征：压力敏感性、剪胀性和应力路径的相关性，可尽量真实的描述出岩土材料的变形过程。

技术领域

本发明属于岩土工程的计算机仿真与建模技术领域，尤其是涉及一种岩土材料本构模型的确定方法装置、计算机设备及存储介质。

背景技术

上世纪60年代之前，由于缺少高速和大存储量的计算机，在岩土工程结构的应力分析中，只能采用比较简单的本构方程，例如，线弹性模型。上世纪60年代初期，由于大型高速计算机开始迅速发展和有限元法、边界元法等新数值技术的出现，为使用复杂、精确本构方程创造了条件，从而促进了岩土材料弹-塑本构模型的发展。当前，超级电子计算机已出现，为岩土工程计算机模拟和仿真提供了更为广阔的发展空间。

与金属不同，岩土的塑性变形中出现了体应变，致使他们的塑性变形行为相当复杂，目前，岩土材料塑性变形行为的真正机理还未得到满意的阐释，现有的岩土材料的本构模型还不能反映岩土材料塑性变形的一些重要特性，如应力路径相关性。

岩土材料本构模型一般包括两个部分，本构方程的数学表达式和本构方程中参数的试验确定方法。申请人王靖涛于2010年提出了岩土材料质量分布和变形之间的相互作用原理，该原理指出，质量分布-变形相互作用是岩土材料塑性变形行为基本特性产生的根源，它也表现为塑性体应变和剪应变之间的相互作用。基于这个原理，采用了塑性体应变和广义剪应变在应力空间中的等值线

分别为体积和剪切屈服的轨迹，其中和分别为塑性体积应变和广义剪应变，p和q分别是平均法应力和广义剪应力，f₁(p，q)和f₂(p，q)是应力空间中的两个非线性函数，这两组屈服轨迹分别描述了塑性体应变和剪应变场，利用这两个应变场的对称性，建立了岩土材料的本构方程：

或

其中，和分别为f₁和f₂的梯度矢量，ds是沿某一给定应力路径的应力增量矢量(d_p，d_q)，这组本构方程定量的反映了质量分布-变形的相互作用，从而可以描述岩土材料塑性变形的基本特性：压力敏感性、剪胀性和应力路径相关性，其中应力路径是在结构变形过程中，材料单元应力状态变化的过程，应力路径相关性是应力路径对材料塑性变形的影响。实验证明，应力路径相关性是压力敏感性和剪胀性的综合表现。但是对应本构方程，还缺乏对应的参数即本构方程四个系数的试验确定方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种岩土材料精确本构模型的数值建模及应用方法，以建立能够定量地描述岩土材料塑性变形基本特性的精确本构模型。

为解决上述问题，本发明的具体技术方案如下：

一种岩土材料精确本构模型的数值建模方法，包括如下步骤：

A针对岩土试样，在给定应力路径下进行三轴试验，获取岩土试样在p-q应力平面上一系列的塑性体应变值与和塑性剪应变值；