岩土塑性力学读书报告

岩土塑性力学读书报告

本学期我们学习了弹塑性力学这一课程，在刘老师的讲解和自学的过程中学习到了不少弹塑性力学的基础知识。我们是岩土工程专业的学生，弹塑性力学知识相当重要，是后续课程的基础，由于专业的实用性，我们阅读了郑颖人、孔亮编著的《岩土塑性力学》一书。这本书将不少弹塑性力学的基础知识运用到岩土工程中，从弹塑性力学的角度来理解岩土这种特殊介质的力学性质，阅读之后让我受益匪浅。以下是我阅读本书后的一些总结。 一、岩土材料的特点

岩土塑性力学与传统塑性力学的区别在于岩土类材料和金属材料具有不同的力学特性。岩土类材料是颗粒组成的多相体，而金属材料是人工形成的晶体材料。正是由于不同的材料特性决定了岩土类材料和金属材料的不同性质。归纳起来，岩土材料有3点基本特性：1.摩擦特性。2.多相特性。3.双强度特性。另外岩土还有其特殊的力学性质：1.岩土的压硬性，2.岩土材料的等压屈服特性与剪胀性，3.岩土材料的硬化与软化特性。4.土体的塑性变形依赖于应力路径。 二、岩土塑性力学的基本假设

由于塑性变形十分复杂，因此无论传统塑性力学还是岩土塑性力学都要做一些基本假设，只不过岩土塑性力学所做的假设条件比传统塑性力学少些，这是因为影响岩土材料塑性变形的因素较多，而且这些因素不能被忽视和简化。下列两点假设不论是传统塑性力学还是广义塑性力学都必须服从：（1）忽略温度与实践影响及率相关影响的假

设。（2）连续性假设。岩土塑性力学与传统塑性力学不同点：（1）岩土材料的压硬性决定了岩土的剪切屈服与破坏必须考虑平均应力和岩土材料的内摩擦。（2）传统塑性力学只考虑剪切屈服，而岩土塑性力学不仅要考虑剪切屈服，还要考虑体积屈服。（3）根据岩土的剪胀性，不仅静水压力可能引起塑性体积变化，而且偏应力也可能引起体积变化；反之，平均应力也可能引起塑性剪切变形。（4）传统塑性力学中屈服面是对称的，而岩土材料的拉压不等，而使屈服面不对称，如岩土的三轴拉伸和三轴压缩不对称。（5）传统塑性力学的基础是传统塑性势理论，它具有一个塑性势面，服从塑性应变增量方向与应力的唯一假设。（6）传统塑性力学中势函数确定了塑性应变增量总量的方向，屈服面确定了总量的大小。（7）传统塑性力学中，塑性势函数与屈服函数相同，称为关联流动法则，而岩土塑性力学中，塑性势函数与屈服函数不同，属于非关联流动法则。（8）岩土塑性力学中应力路径的影响较传统塑性力学中更为复杂，塑性变形和应力路径的相关性更为明显。（9）传统塑性力学中，只考虑稳定材料，不允许出现软化现象。岩土塑性力学中可以是稳定材料，也可以是不稳定材料。（10）传统塑性理论中，材料弹性系数与塑性变形无关，称为弹塑性不耦合，而岩土塑性理论中，有时考虑弹塑性耦合，即弹性系数随塑性变形发展而减少。由上可见，对岩土材料不能完全套用传统塑性力学，反之，针对岩土材料建立起来的广义塑性力学，即适用于岩土材料，又适用于金属材料。

三、广义塑性力学和传统塑性力学

经典塑性力学的假设之一是采用了传统塑性势，也就是弹性势理论。按此，各塑性应变增量的分量互成比例，而岩土材料各塑性应变增量分量不成比例，在双届服面与多重屈服面理论中对传统塑性位势理论作了修正，尤其是杨光华应用张量定律导出了广义塑性位势公式：

由上可见,广义塑性力学是分量理论,此时塑性应变增量的方向不仅与应力有关,还与应力增量有关。

经典塑性力学的假设之二是采用关联流动法则,而岩土材料不适合关联流动法则,即塑性势面与屈服面不同。其实塑性应变增量矢量的方向由塑性势面确定,而大小由屈服面确定。可见塑性势面与屈服面必然相关,但相关只要求塑性势面与屈服面两者相应,并不要求两者一定相等。例如求塑性应变增量分量为

，其塑性势面的法线必

,屈方

方向(即p应力方向);与此相应的屈服面的硬化参量必为

, 按屈服面定义,它就是的

等值面,即

服面可写成

向的分量屈服面,一般称作体积屈服面。同理,相应塑性势q方向的屈服面为q方向的剪切屈服面面为

.

经典塑性力学假设之三是没有考虑主轴旋转所产生的塑性应变,对于动力问题更应考虑主轴旋转所产生的塑性变形。国外在这方面作

,相应塑性势

方向的剪切屈服

了较多工作尤其是日本Masouka作了不少试验与计算。国内刘元雪及作者通过应力分解把应力增量分解为共轴应力分量与旋转应力分量(即应力主轴旋转产生的应力分量),并导出了旋转应力增量与绕主应力轴旋转的旋转角增量

之间的关系:

然后按广义塑性位势理论建立能考虑应力主轴旋转的广义塑性位势公式。把塑性应变分为共轴部分与旋转部分旋转部分需采用6个应力分量作塑性势。

式中:

是塑性因子,

一般需通过试验拟合,或试验得到的

经验公式来确定这方面还缺少深入的研究。

岩土塑性力学基本理论方面国内学者作了不少工作,但还需继续完善和验证,尤其是不断普及与推广,为岩土界所接受。 四、岩土本构模型的建立

岩土塑性与本构模型的发展,主要是围绕着两个方面:一是对经典塑性理论的修正与静力本构模型的完善:二是针对不同岩土不同工况发展了许多新型的本构模型。国内学者作了大量的工作,新发展的广义塑性力学既适应岩土类摩擦材料,也适应金属,可以作为岩土塑性力学的理论基础。新型模型中动力模型、复杂路径模型等正在逐渐走向实用。软化损伤模型、非饱和土模型、结构性土模型、细观模型也在

不断地发展与完善。 五、关于屈服条件的研究

塑性力学中的屈服条件决定着塑性应变增量的大小,相当于弹性力学中的力学参数。由于岩土本构模型中常依据建模者的经验来确定屈服条件,有较大人为性,因而对岩土屈服条件需作进一步的研究与改造。

1．用试验拟合方法客观地确定土体屈服条件

由分析可知,屈服条件是应力水平、硬化参量、材料性质的函数,客观的屈服条件应通过试验获得。一般情况下,只需通过土的常规三轴试验就能得到,但由于人们对此缺乏认识,没有充分利用这种条件。

具体的试验拟合过程是先按上述所得的屈服曲线假设为几种屈服曲线表达式,并将表达式中的系数表述为塑性应变分量或硬化参量的函数,通过

试验数据拟合,求得屈服条件的具体表达式最后绘出求得的屈服曲线,并与试验点相比。如求得的屈服曲线十分靠近试验点,即可认为此为实际屈服曲线,反之,再重新假设,重新拟合。 2．压缩剪胀型土的体积屈服条件

对于中密、紧密砂、超固结土体其体变先是压缩后是体胀。以往能反映压缩剪胀型土的屈服条件不多。近年来,国内外在这方面都有所进展。段建立与作者依据中密砂的试验,拟合得出形的屈服曲线[6]图(3)。

图中有一条来自试验的状态变化线,在状态线下方为体积压缩,其体积屈服条件一般为类似剑桥模型的椭圆形屈服曲线。在状态线上方只产生体胀,由试验获得的屈服条件近似为一条直线。由此得出由两段屈服曲线组成的S形屈服曲线。在低剪应力状态下产生体缩,高剪应力状态下产生体胀,两段屈服曲线具有相反的法线方向。 3．偏平面上塑性应变增量方向的便离及方向上的剪切屈服曲线 在广义塑性力学提出之前,很少有人研究过方向上的剪切屈服条件。但国外早就指出塑性应变增量方向与应力增量方向会发生偏离,国内李广信的试验也指出了这点。这表明土体存在方向的塑性应变。

图中有一条来自试验的状态变化线,在状态线下方为体积压缩,其体积屈服条件一般为类似剑桥模型的椭圆形屈服曲线。在状态线上方只产生体胀,由试验获得的屈服条件近似为一条直线。由此得出由两段屈服曲线组成的S形屈服曲线。在低剪应力状态下产生体缩,高剪应力状态下产生体胀,两段屈服曲线具有相反的法线方向。 3．偏平面上塑性应变增量方向的便离及方向上的剪切屈服曲线 在广义塑性力学提出之前,很少有人研究过方向上的剪切屈服条件。但国外早就指出塑性应变增量方向与应力增量方向会发生偏离,国内李广信的试验也指出了这点。这表明土体存在方向的塑性应变。

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