冻土弹塑性各向异性损伤模型及其损伤分析VIP免费

第24卷第19期岩石力学与工程学报Vol.24No.192005年10月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringOct.，2005收稿日期：2004–07–23；修回日期：2004–10–25基金项目：中国科学院知识创新重大工程项目(KZCX1–SW–04)作者简介：孙星亮(1970–)，男，博士，1993毕业于石家庄铁道学院隧道及地下工程专业，现任副教授，主要从事隧道软弱围岩稳定性及特殊土力学方面的教学与研究工作。Email：sun.x.l@163.com。冻土弹塑性各向异性损伤模型及其损伤分析孙星亮1，2，汪稔2，胡明鉴2(1.石家庄铁道学院土木工程分院，河北石家庄050043；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉430071)摘要：基于不可逆热力学理论，通过引入能考虑冻土体积变形的塑性势函数，得到冻土弹塑性各向异性损伤本构方程，在与损伤张量对偶的广义力——应变能释放率空间中，构造了损伤累积势函数，并导出各向异性损伤演化方程。应用此模型分析冻土三轴试验资料，计算结果与试验吻合较好。计算结果表明：(1)冻土变形过程中的弹性损伤只占总损伤量的很小一部分，绝大部分损伤发生在塑性变形阶段；(2)围压的增大，有助于冻土结构的强化，从而减少冻土结构的总损伤量。关键词：土力学；冻土；弹塑性；各向异性损伤；损伤演化中图分类号：TU445文献标识码：A文章编号：1000–6915(2005)19–3517–05ANELASTOPLASTICANISOTROPICDAMAGEMODELFORFROZENSOILANDITSDAMAGEANALYSISSUNXing-liang1，2，WANGRen2，HUMing-jian2(1.SchoolofCivilEngineering，ShijiazhuangRailwayInstitute，Shijiazhuang050043，China；2.InstituteofRockandSoilMechanics，ChineseAcademyofSciences，Wuhan430071，China)Abstract：Onthebasisofirreversiblethermodynamictheory，anelastoplasticanisotropicdamageconstitutivemodelispresentedbyintroductionofaplasticpotentialfunctionconsideringthevolumechangeoffrozensoil.Theanisotropicdamageevolutionequationisderivedfromthedamageaccumulatedpotentialfunction,whichisconstructedinthespaceofthedamagestrainenergyreleaseratethatisconjugatedwithdamagetensor.Triaxialtestsarechosentoillustratetheapplicationofthismodel，andgoodagreementbetweenexperimentaldataandnumericallysimulatedonesisobtained.Thecalculatedresultsindicatethattheamountofelasticdamageonlyaccountsforasmallpercentageoftotalstructuraldamageoffrozensoil，andmostpartofdamagetakesplaceduringtheplasticdeformationphase.Theincreaseinconfiningstresscanstrengthenthestructureandreducetheamountoftotaldamageoffrozensoil.Keywords：soilmechanics；frozensoil；elastoplasticity；anisotropicdamage；damageevolution1引言冻土的变形和强度一直是冻土力学研究和工程设计、施工所关注的研究课题。冻土是由土矿物颗粒、胶结冰、未冻水、水汽及气所组成的典型的非均匀多相材料。由于各相之间的相互作用，导致冻土表现出的力学性能非常复杂。现有研究成果表明[1～3]，冻土的变形过程就是其微结构损伤的不可逆过程，用损伤力学的理论来研究这种材料在外荷载作用下力学性能不断劣化的现象是比较合适的[4，5]。Kachanov在1958年研究拉伸棒蠕变断裂时间问题时首先提出了损伤的概念，之后文[6～9]先后•3518•岩石力学与工程学报2005年发展和完善了损伤力学理论。文[10]引入含冰量、颗粒定向因子和面积损伤因子等3个损伤变量来描述冻土的蠕变损伤，建立了冻土蠕变损伤本构方程，但选取的损伤因子较多，所以，应用受到很大限制。文[11]利用各向同性损伤理论假定了冻土的损伤势函数，建立了冻土弹粘塑性各向同性损伤本构方程。在荷载作用下，冻土体内存在大量微裂纹的萌生和扩展及土颗粒的重新定向现象，前者使冻土有效面积减小，导致承载能力的降低；后者则导致冻土力学性能的各向异性。本文试图采用各向异性损伤理论来研究冻土的变形，建立冻土的各向异性损伤本构方程及其损伤演化方程。2连续损伤力学的耗散势假设冻土为连续介质，根据耗散材料的不可逆热力学理论[4，12，13]，在广义空间存...