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堆石料的静力本构模型

时间:2023-07-01 理论教育 版权反馈
【摘要】:1980 年,Duncan提出了修正模型,用切线体积模量Bt替换E ~μ模型中的切线泊松比μt,由下式计算切线体积模量Bt式 与式和式一起构成DuncanE~B 模型,该模型共有c、Φ、K、Kur、n、nur、Rf、Kb和m 9 个材料参数。将式代替式可得适用于堆石料等粗颗粒土的修正的Duncan模型。采用上述修正方法用于面板堆石坝的结构计算中,取得了良好的效果。其中,f1max为屈服函数f1历史上的最大值;f2max为屈服函数f2历史上的最大值。

堆石料的静力本构模型

1.弹性非线性模型

(1)Duncan模型及修正模型。

1963 年,Konder在大量土体常规三轴试验基础上指出偏应力σ1—σ3与轴向应变εa近似呈双曲线关系,即

Kulhawy和Duncan进一步假定轴向应变εa与体积应变εv之间的关系仍用双曲线拟合。

1970 年,Duncan和Chang在这两个假定的基础上,推导了切线弹性模量和切线泊松比的表达式,即为著名的Dunca n ChangE~μ模型,即

式中 c——凝聚力;

Φ——内摩擦角

卸荷或重复加载时的回弹模量采用下式

Duncan ChangE~μ模型共有c、Φ、K、Kur、n、nur、Rf、G、F 和D 10 个材料参数。

1980 年,Duncan提出了修正模型,用切线体积模量Bt替换E ~μ模型中的切线泊松比μt,由下式计算切线体积模量Bt

式 (7.101)与式(7.97)和式(7.100)一起构成DuncanE~B 模型,该模型共有c、Φ、K、Kur、n、nur、Rf、Kb和m 9 个材料参数。

式中 σ3——小主应力

pa——大气压力

A、m——拟合参数。将式(7.102)代替式(7.99)可得适用于堆石料等粗颗粒土的修正的Duncan模型。

1974 年Daniel D.E.在紧密土试验基础上提出的轴向应变与径向应变呈折线变化的假定,建议用下式表示切线泊松比

式中 μt——切线泊松比;

μi——初始泊松比,是折线前枝斜率的倒数;

μtf——破坏泊松比,是折线后枝斜率的倒数。

张启岳等对粗颗粒土的试验证实符合Daniel 建议的公式。当σ3=0.1 ~0.5MPa 时,μtf=0.5~0.6;当σ3=0.5~4.5MPa时,μtf=0.48~0.54。

由于Duncan双曲线模型是在常规三轴试验的基础提出来的,没有考虑中主应力σ2对弹性模量的影响。为了推广到三维问题,顾淦臣 (1991)建议用广义剪应力q 代替σ1—σ3,用平均主应力p 代替σ3,以粗略考虑中主应力σ2的影响。当用常规大型三轴试验测计算参数时,建议按p=const应力路径进行试验,得到一族q~εa关系曲线,一族εa~εr关系曲线。这两族曲线的p =100kPa,200kPa,300kPa,…采用上述修正方法用于面板堆石坝的结构计算中,取得了良好的效果。这一修正的DuncanE ~B 模型的计算公式如下

(2)K—G 模型。

K—G 模型是用体积变形模量K 和剪切模量G 建立的非线性弹性模型。Naylor(1978)认为体积变形模量随平均正应力增加而增加,剪切模量亦随平均正应力增加而增加,随广义剪应力增加而减小。Naylor K—G 模型的表达式为

式中 Ki、Gi、αK、αG、βG——试验参数;

p——平均正应力;

q——广义剪应力。(www.xing528.com)

清华大学高莲士等(1993)在土体三轴试验的基础上提出了清华非线性解耦K—G 模型 (简称清华K—G 模型),该模型能够反映土体的剪缩性,并且对不同应力路径具有较好的适应性。

2.弹塑性模型

弹塑性模型从理论上较非线性弹性模型更能反映土体的非线性和非弹性变形特性,而且还能考虑土体的剪胀性(剪缩性)。目前,国内土石坝工程界常用的弹塑性模型当属沈珠江模型和殷宗泽模型,向大润等根据试验建议的 “空间准滑面”弹塑性模型 (SMP 模型)也有一定的应用。

(1)沈珠江模型。

沈珠江模型(1990)的双屈服面由椭圆函数和幂函数组成,如下

式中 [D]——弹性矩阵

[D]ep——弹塑性矩阵;

A1、A2——塑性系数,是非负数。

沈珠江假定体积应变εv与轴向应变ε1抛物线关系。定义体积泊松比

式中 Ei——初始模量,同邓肯模型;

Rf——破坏比;

S——应力水平;

cd——σ3等于1 个大气压时的最大收缩体应变;

nd——收缩体应变随σ3增加而增加的幂次;

Rd——发生最大收缩时的σ1—σ3与偏应力的渐进值(σ1—σ3ult之比。

加卸荷状态由下述准则确定:

当f1>f1max且f2>f2max时,A1>0 和A2>0,为全加载;

当f1≤f1max且f2≤f2max时,A1=0 和A2=0,为全卸载;

当f1≤f1max或f2≤f2max时,A1=0 或A2=0,为部分加载。

其中,f1max为屈服函数f1历史上的最大值;f2max为屈服函数f2历史上的最大值。

沈珠江模型有c、Φ、Rf、K、n、cd、nd、Rd共8 个材料参数。

(2)殷宗泽模型。

殷宗泽(1988)在修正剑桥模型的基础上提出一个椭圆—抛物双曲屈面模型。

殷宗泽模型有pr、M1、M2、h、m、a、KG、n 共8 个材料参数。

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