本构关系及试验
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主要内容
第一部分
加筋土的本构关系的研究
第二部分
加筋土的应力应变的试验研究
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：
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 。
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个独立
1.本构关系的研究
(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。
返回
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
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。
参数。
返回
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. 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Leabharlann Baidu。
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
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.本构关系的研究
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。
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。
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
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。
加工硬化定律，从而建立应力一应变关系，如剑桥 模型。
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。
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
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:
第一部分
加筋土的本构关系的研究
第二部分
加筋土的应力应变的试验研究
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：
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 。
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个独立
1.本构关系的研究
(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。
返回
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
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。
参数。
返回
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. 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Leabharlann Baidu。
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
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.本构关系的研究
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。
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。
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
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。
加工硬化定律，从而建立应力一应变关系，如剑桥 模型。
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。
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
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: