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常用土体本构模型及其特点小结


常用土体本构模型及其特点小 常用土体本构模型及其特点小结
------- 山中一草

线弹性模型 线弹性模型遵从虎克定律,只有 2 个参数,即弹性模量 E 和泊松比 v,它是 最简单的应力-应变关系,但无法描述土的很多特征,主要应用于早期的有限元 分析及解析方法中,可用来近似模拟较硬的材料如岩土。 Duncan-Chang(DC)模型 ( ) DC 模型是一种非线性弹性模型,它用双曲线来模拟土的三轴排水试验的应 力-应变关系(图 1) 。它侧重于刻画土体应力-应变曲线非线性的简单特征,通过 弹性参数的调整来近似地考虑土体的塑性变形。 但所用的理论仍然是弹性理论而 没有涉及到任何塑性理论,故仍不能反映如应力路径对变形的影响、土体的剪胀 特性和球应力对剪应变的影响等土体的很多重要性质。由于 DC 模型是在 为常 数的常规三轴试验基础上提出的,比较适用于围压不变或变化不大、轴压增大的 情况,如模拟土石坝和路堤的填筑。

Mohr-Coulomb(MC)模型 ( ) MC 模型是一种弹-理想塑性模型,它综合了胡克定律和 Coulomb 破坏准则。 有 5 个参数,即控制弹性行为的 2 个参数:弹性模量 E 和泊松比 v 及控制塑性行 为的 3 个参数:有效黏聚力 c、有效内摩擦角 和剪胀角 。MC 模型采用了弹塑 性理论, 能较好地描述土体的破坏行为但却认为土体在达到抗剪强度之前的应力 -应变关系符合胡克定律,因而并不能较好地描述土体在破坏之前的变形行为, 且不能考虑应力历史的影响及区分加荷和卸荷。 MC 模型能较好地模拟土体的 故 强度问题,MC 模型的六凌锥形屈服面(图 2)与土样真三轴试验的应力组合形 成的屈服面吻合得较好,因此 MC 模型适合于低坝、边坡等稳定性问题的分析。

Drucker -Prager(DP)模型 ( ) DP 模型对 MC 模型的屈服面函数作了适当的修改, 采用圆锥形屈服面 (图 3) 来代替 MC 模型的六凌锥屈服面,易于程序的编制和进行数值计算。它存在与 MC 模型同样地缺点,相对而言,在模拟岩土材料时,MC 模型较 DP 模型更加适 合。 修正剑桥模型( 修正剑桥模型(MCC) ) MCC 模型为等向硬化的弹塑性模型,它修正了剑桥模型的弹头形屈服面, 采用帽子屈服面(椭圆形) (图 4) ,以塑性体应变为硬化参数,能较好地描述黏 性土在破坏之前的非线性和依赖于应力水平或应力路径的变形行为,MCC 模型 从理论上和试验上都较好地阐明了土体的弹塑性变形特征, 是应用最为广泛的软 、回弹 土本构模型之一。它需要 4 个模型参数,即原始压缩曲线的斜率 (图 5) 曲线斜率 、CSL 线的斜率 、弹性参数泊松比 v。此外,还需 2 个状态参数,即 初始孔隙比 和前期固结压力 。

参考文献 [1] 徐中华,王卫东.敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择,2010,1 (31) :258-264.


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