[发明专利]一种砂土棘轮行为的预测方法

说明书

本发明提供了一种砂土棘轮行为的预测方法，基于循环稳定和棘轮行为的物理机制，对现有的广义各向同性硬化准则进行改进，并将其推广到偏应力比空间中。将加载记忆面“记忆”组构变化的思想与广义各向同性硬化准则的概念相结合，在偏应力比空间中建立适用于砂土的广义各向同性硬化准则。基于广义各向同性硬化准则，在偏应力比空间中建立能够描述砂土循环稳定和棘轮行为的边界面塑性模型。该模型仅需3个循环参数即可模拟砂土的循环稳定和棘轮行为。

技术领域

本发明属于岩土力学领域，特别是涉及一种砂土棘轮行为的预测方法，具体涉及一种预测长期循环荷载作用下砂土棘轮行为的理论方法。

背景技术

在长期循环荷载作用下，砂土的动力响应主要可归类为循环稳定和棘轮行为两种现象。循环稳定指的是土体在循环荷载作用下累积塑性变形不再增长，土体达到稳定状态，应力应变滞回圈完全闭合；棘轮行为则表示循环加载中土体处于塑性变形持续累积的状态，滞回圈不闭合并且沿着应变增长的方向移动。

迄今为止，模拟砂土循环动力响应的现有技术大多聚焦于不排水条件下砂土的应力应变响应，特别是地震荷载作用下液化和循环流动现象。地震荷载通常具有瞬时、剧烈且不规则等特点，荷载持续过程中产生的超孔隙水压力往往来不及消散，从而导致有效应力急剧减小，这类短期循环荷载引起的土颗粒间结构状态与联结强度的变化通常较为剧烈。然而，长期、低频的循环荷载作用下，砂土基本处于完全排水状态，此时土体刚度变化受内部颗粒组构演变的影响，且土颗粒间结构状态与联结强度的变化更为缓慢。土体组构在塑性变形累积过程中逐渐改变，使得土体刚度也随之变化，进而影响循环加载中的应变累积速率。现有技术对长期循环荷载作用下砂土的动力特性鲜有涉及，大多缺乏合理机制来追踪排水条件下循环荷载所引起的土体组构演变。因此，利用动力本构模型描述棘轮行为现象依然充满挑战。

发明内容

本发明旨在建立一种简洁且高效的理论预测方法以描述砂土在长期循环荷载作用下的棘轮行为，并合理反映围压、相对密度、荷载均值、循环幅值等因素对棘轮行为的影响。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种砂土棘轮行为的预测方法，通过边界面塑性模型预测砂土的棘轮行为；

所述边界面塑性模型基于偏应力比空间中的广义各向同性硬化准则建立。

所述边界面塑性模型是指在应力空间中以边界面代表材料的应力历史或极限物态，所有应力状态点均只能在边界面内或边界面上，当前应力点与其在边界面上的共轭像点的距离即表示材料当前状态与应力历史或极限物态的差距，边界面会随应力、应变的变化而发生位置与大小的改变，从而在应力空间中形成塑性硬化模量场，塑性变形通过应力点与其在边界面上的共轭像点的距离进行计算。

所述广义各向同性硬化准则是指将连续的循环加载分割成一系列独立的加载事件，以应力反向点作为每个加载事件的起点，通过应力反向点处离散的边界面运动硬化对逐个加载事件予以串联；而在每个加载事件中，以应力反向点作为边界面的硬化中心，通过各向同性硬化对土体的状态变化进行描述。

所述边界面的解析方程采用如下形式：

式中：为边界面上像点的偏应力比张量；α表示偏应力比空间中边界面的几何中心；m是控制边界面尺寸的内变量；运算符号“:”代表张量的双点积。

所述共轭像点通过以应力反向点为映射中心的径向映射得到，即应力反向点既是映射中心，也是硬化中心，以符号β标记；对于初始加载，硬化中心位于偏应力比空间的原点，此时选取原点作为映射中心；对于非初始加载，模型以最后一次发生应力反向的状态点作为映射中心和硬化中心，像应力点即为从β出发、经过应力点r的射线和边界面的交点，代表边界面外法线方向的单位矢量n可表示为：