[发明专利]一种弹塑性本构模型的构建方法及系统

说明书

本发明公开了一种弹塑性本构模型的构建方法及系统，考虑湿度改变引起的膨胀力效应，包括以下步骤：采用D‑P模型定义的广义应力应变向量、屈服准则和流动法则作为本构模型的基本框架；通过无荷试验，求得并改进膨胀土膨胀系数的表达式；对扩展D‑P模型的应力应变向量、屈服准则、流动法则进行修正；推导出应力应变向量、流动法则的增量形式和改进屈服准则；根据试验建立增湿条件下膨胀土强度参数和变形参数随含水率变化数学表达式；用表达式代替应力应变向量、流动法则增量形式和屈服准则中的对应参数，即可得到浅表层裂隙膨胀土材料湿度应力场弹塑性本构模型。

技术领域

本发明涉及土木工程领域，特别是一种弹塑性本构模型的构建方法及系统。

背景技术

膨胀土是自然地质过程中形成的一种地质体，在世界范围内分布十分广泛。我国是世界上膨胀土分布最为广泛的国家之一，先后有20多个省区发现有膨胀土，且多为多为海相或湖相沉积膨胀土。由于地壳的长期运动，这些海相或湖相膨胀土往往会隆起在地球表面。

近地表的浅层膨胀土是一种典型的非均匀三相介质，不仅裂隙发育，而且具有吸水膨胀软化和失水收缩开裂等与正常固结粘土不相同的工程性质。近地表的浅层膨胀土受大气影响显著，土中的含水量波动(干湿循环)和胀缩现象反复发生，导致了裂隙的扩展并向深部土层发展，使该部分土体的完整性降低，强度下降，为强风化带，属于大气显著影响区，厚度一般为2.0-3.0m。该部分土呈疏松、碎散状态，具有强渗透性，由于其裂隙发育，且在雨季时吸水膨胀软化，土体强度往往较低，文献[1]《模拟干湿循环和含低围压条件的膨胀土三轴试验》(肖杰，杨和平，林京松，陈冠一，常锦，倪啸.模拟干湿循环和含低围压条件的膨胀土三轴试验[J].中国公路学报,2019,32(1):21-28.)改进以往对于浅表层土采用高围压三轴试验不当之处，采用低围压条件的三轴试验，得到近地表的浅层裂隙膨胀土干湿循环后，其内摩擦角Φ往往比较小，小于22⁰，如若遇水则内摩擦角Φ会更小。根据文献[2]《中国西部公路建设中膨胀土工程地质问题的初步研究》(杨和平，曲永新，郑健龙，刘龙武.中国西部公路建设中膨胀土工程地质问题的初步研究[J].长沙交通学院学报,2003,19(1):19-24.)，由于近地表的浅层膨胀土裂隙性和显著的胀缩特性，使得膨胀土地区修筑的轻型工程在降雨条件下多有破坏，成为全球性的技术难题。

在膨胀土地区修建大型岩土工程、进行能源及原材料开采以及地质现象分析研究等都需对其在降雨条件下的力学特性开展深入研究。浅表层裂隙膨胀土湿度应力场本构模型的构建是对膨胀土力学特性的深入探索，对分析降雨条件下膨胀土浅表层轻型工程破坏机理具有重要意义。

现有的膨胀土的本构模型有几十种，其构建大多从非饱和土的角度出发进行研究，其本构关系包含多方面内容：两相流体的运动和变形、土骨架的变形和强度等。并大致可分为4类：线性模型、弹塑性模型、弹塑性损伤模型(或结构性模型)及多因素耦合模型。从非饱和膨胀土本构模型发展历程的回顾可知：虽然各国学者已经发展了数十个非饱和膨胀岩土本构模型，但得到工程界普遍认可的极少，并且大多数应用起来比较困难，且均存在一定的局限性，这些膨胀性非饱和土的弹塑性模型的研究并没有直接考虑含水率或饱和度对膨胀土力学特的影响，而是用吸力来表示非饱和的状态，工程应用难度较大，并且大多数本构模型对于低内摩擦角的裂隙膨胀土是否合适值得商榷。

根据文献[3]《基于ABAQUS软件的大直径桩承载力-变形分析》(贺嘉，陈国兴.基于ABAQUS软件的大直径桩承载力-变形分析[J].地下空间与工程学报,2007,3(2):306-310.)可知:(1)M-C模型存在有不能反映中主应力σ₂对土体屈服和破坏的影响以及屈服面有棱角,塑性应变增量计算较难收敛的弊端；扩展D-P模型同时考虑了中主应力σ₂及静水压力对屈服与破坏的影响，且屈服面相对于M-C屈服面光滑没有棱角，有利于塑性应变增量方向的确定和数值计算。(2)虽然大多数文献认为，在模拟岩土材料时，M-C模型较D-P模型更加适合，但是，当摩擦角Φ≦22⁰时，扩展D-P模型模拟土体相对于M-C模型能得到较好的计算结果。