本构关系与试验

1.本构关系的研究
弹塑性模型： (1) Drucker-Prager 模型 , 考虑了中主应力对屈服与 破坏的影响，屈服曲面光滑没有棱角，有利于塑性应变 增量方向的确定和数值计算。特别适用于土体材料本构 模型的使用。 缺点：没有考虑单纯的静水压力可以引起岩土类材 料屈服的特点，同时没有考虑屈服与破坏的非线性特性 ；没有考虑土类材料在偏平面上拉压强度不同的特性。
材料接触面应力—应变关系，普遍采用的是 Clough 和 Duncan等人所提出的剪应力τ与相对错动位移ws之间关 系的双曲线模型。 缺点：没有考虑法向和切向变形的耦合问题。模型本身 无法得到张裂约束。
1.本构关系的研究
近些年来,国内外的许多研究人员提出了各种模拟土 与材料接触面应力—应变关系的本构模型。 1. Brandt简化的τ—ws模型 2. Boulon等人提出的接触面变形的弹塑性模型 3. 陈慧远的弹塑性模型 4. 钱家欢的粘弹性模型 这些模型都有一个共同的特点 ,就是切向变形都是依 据直剪试验的τ—ws关系曲线。
1.本构关系的研究
例子：丁金华，包承纲 《软基和吹填土上加筋堤的离心模型试验及有限元分析》
1.本构关系的研究
土体：采用非线性的双曲线模型。软基淤泥和砂垫层采用 E—υ模式，对堆石隔堤采用 E—B 模式，由三轴固结排水 试验得出计算参数。 接触面模型：土工织物与土体的接触面采用位 goodman 单 元，由于土工织物不能承受压力，接触面的法向刚度Kn取 大值。 土工织物：用二维实体单元来模拟。由于土工织物的厚度 很薄，为避免实际分析时奇异不可解，故而将织物单元的 厚度扩大为实际厚度的 100 倍，根据弹性原理，将由试验 所得的割线模量缩小 100 倍，其效果在线弹性阶段与原型 相同。另外，考虑到土工织物沿厚度方向的变形远远小于 其长度方向变形，因而可认为厚度不发生变化，泊松比， 取一很小值。
1.本构关系的研究
接触面单元 目前广泛采用的接触面单元是无厚度的Goodman单元 或者有厚度的Desai单元。 Goodman 单元能模拟接触面的滑裂与张裂。但对于受 压的情况,单元两侧材料会产生重叠。为了避免重叠, 法向劲度要取很大,但这又会带来一定误差。 Desai 等人提出的薄层四边形单元可以较好地反映法 向变形和切向变形以及应力的传递 , 但是没有从理论 上阐明为什么取剪切模量,弹性模量和泊松比未3个独 返回 立参数。
1.本构关系的研究
从土的微观结构考虑,建立其应力-应变关系是对土结 构研究的新方向。目前,国际上比较有影响的微观 结构模型主要有两类: 1. 由 Batdorf 和 Budianski 创 立 的 经 典 塑 性 滑 动 理 论 发展形成的重叠片和微滑面模型; 2. Cun-dall和Strack建立的颗粒模拟模型; 3. 基于扰动状态概念提出的，土体微结构复合体模型; 可以将其用于筋—土接触面的模拟。
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(2)剑桥模型是一种“帽子”型模型,在许多情况下 能较好地反映土的变形特性。它能反映减缩, 并且由 于其考虑了体积塑性应变,模型形式简单,计算参数少 ,因而得到较为广泛地应用。 缺点：不能反映剪胀。
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1.本构关系的研究
筋—土接触面研究 土与筋材界面上常有较大的剪应力，这是两种材料变 形不一致引起的。加筋土结构中，加筋材料的受力， 则完全是这种剪力传递在发挥作用。
接触面变形的研究，主要包含两个方面:一是接触面上 的本构关系，尤其是剪应力和剪切变形之间的关系;另 外一个是接触面单元，它是有限元计算中用以模拟接 触面变形的一种特殊单元。
1.本构关系的研究
筋—土接触面应力变形关系的本构模型,大多是线性的 或者非线性的弹性模型。这些模型以极限剪切应变为 准则,如:Mohr-Coulomb准则,来定义界面滑动变形。接 触面法向变形通常用经验定义为连结和非连结状态。
பைடு நூலகம்
1.本构关系的研究
一般将加筋体用一维线性单元或薄层矩形单元进行模 拟;也有学者(闫澍旺,1997)用梁单元模拟土工格栅。
总结
分离式分析方法应用较广泛 ,但对某些加筋结构物, 例如土钉墙,格栅加筋的结构等不适用,并且筋土之间界 面单元的参数的确定也较困难。另外 , 这种方法一般只 考虑了筋材的抗拉力作用 , 它能够提高土体在拉力作用 方向的刚度 , 但未考虑其在压力和扭转作用下对土体的 影响。
1.本构关系的研究
弹塑性模型： 有两种塑性理论能用来分析土的应力应变过程，建 立土的本构方程。这两种塑性理论，一种是塑性形变理 论，一种是塑性增量理论。土的本构模型主要是建立在 塑性增量理论基础上的。 根据弹塑性模型的形成，可分为两大类： ① 一类是从试验资料中直接确定屈服函数、加工硬化 定律等经验公式，如Drucker-Prager模型。 ② 另一类从能量公式出发，推出其屈服函数，并选取 加工硬化定律，从而建立应力一应变关系，如剑桥 模型。
土体 土体的本构模型
加筋土
接触面本构模型
筋材
筋材模型
1.本构关系的研究
土的模型主要有非线性模型、弹塑性模型、粘弹塑 性和结构性模型四类。其中常用的模型有：非线性 模型、弹塑性模型。 非线性弹性模型： Duncan-Chang 模型 , 假定土体非线性且服从简单的 双曲线应力-应变关系。此模型包含8个模型参数,每个 常数都有一定的物理和几何意义,而且可以通过三轴试 验得出。 Duncan-Chang 模型适用于正常固结及弱超固 结粘性土,也适用于砂土。 缺点：不能反映剪胀性;只考虑硬化,不能反映软化 ;不能反映土体的各向异性。
1.本构关系的研究
模型要求：在对加筋土结构的分析中,最重要的就是 能够尽可能地模拟加筋土这种复合结构的多种性能, 这就要求计算模型的选用要符合实际,并尽可能多地 反映材料的本质特性。 处理方法：目前对加筋土的计算分析方法主要分为 两类：
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第一种是分离式分析方法。将土与筋材分开考虑,分 别划分单元,用界面单元模拟筋—土之间的相互作用 。在建立模型时 , 要考虑土体,筋材,筋—土之间界 面3种本构关系。