土體熱力學(xué)模型的改進(jìn)與驗(yàn)證.pdf

1、巖土材料的強(qiáng)度和本構(gòu)關(guān)系是現(xiàn)代士力學(xué)的核心，也是計(jì)算土力學(xué)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的建立土體彈塑性本構(gòu)模型的方法是分別給出具體的彈性定律、屈服條件、塑性勢(shì)函數(shù)和硬化規(guī)律，但這些函數(shù)及其參數(shù)往往獨(dú)立選擇，理論上不夠嚴(yán)謹(jǐn)，也沒(méi)有嚴(yán)格討論是否滿足熱力學(xué)定律。雖然大多數(shù)巖土工程問(wèn)題可視為等溫過(guò)程，但任何材料的變形與失效都涉及熵的改變，涉及到能量的平衡與耗散，所以熱力學(xué)定律是普遍適用的基本物理規(guī)律之一。模擬巖土材料本構(gòu)特性的熱力學(xué)方法從兩個(gè)熱力學(xué)勢(shì)函數(shù)，即自

2、由能函數(shù)與耗散增量函數(shù)出發(fā)，利用Legendre變換，就足以導(dǎo)出彈塑性理論必須的屈服條件，流動(dòng)法則，硬化定律和彈性定律。該方法不僅具有緊湊的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，而且消除了傳統(tǒng)方法中的許多人為的任意假設(shè)，并自動(dòng)滿足熱力學(xué)定律，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。Collins教授為該方法的發(fā)展與完善作出了重要貢獻(xiàn)，并提出了一個(gè)土體的熱力學(xué)模型，通過(guò)模型參數(shù)的不同取值，可得到包括修正劍橋模型在內(nèi)的不同屈服面的形式，具有較大的適應(yīng)性。但該模型以塑性體積應(yīng)變?yōu)橛?/p>

3、化參量，采用與修正劍橋模型相同的硬化定律，導(dǎo)致該模型具有修正劍橋模型的一些缺點(diǎn)，如不能反映剪脹，不能較好反映超固結(jié)土與中密砂的變形特性等。為此，本文在對(duì)土體熱力學(xué)建模進(jìn)行詳細(xì)介紹與探討的基礎(chǔ)上，引入姚仰平教授提出的統(tǒng)一硬化參數(shù)對(duì)Collins的熱力學(xué)士體模型進(jìn)行改進(jìn)，將其擴(kuò)展為既適用于黏土也適用與砂土的統(tǒng)一熱力學(xué)模型，編制了相應(yīng)的模型驗(yàn)證程序，通過(guò)預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證了模型的合理性與有效性。本文的主要內(nèi)容包括以下幾方面：<

4、br>　　 (1)在簡(jiǎn)要評(píng)述土體本構(gòu)模型國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與綜述土體熱力學(xué)本構(gòu)模型的最新研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，介紹了本文的選題背景與意義，提煉出論文研究的目標(biāo)、主要內(nèi)容與方法。
　　 (2)簡(jiǎn)要介紹了不可逆熱力學(xué)的基本原理，詳細(xì)給出了適用于巖土材料的能量平衡方程的推導(dǎo)過(guò)程，詳細(xì)介紹了建立土體本構(gòu)模型的熱力學(xué)方法的框架與步驟，分析了幾個(gè)具體的實(shí)例。
　　 (3)討論了Collins提出的土體熱力學(xué)各向同性本構(gòu)模型簇，指出了該模型