土的力学特性及其描述

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土是一种古老的天然材料,由土颗粒、孔隙水和气体三相组成,其力学特性极其复杂,不仅取决于自身材料的性质,而且与外力作用密切相关,表现为一系列重要的力学特性。压硬性剪胀性是岩土材料的基本力学特性。压硬性指土的强度和刚度随着约束压力的增大而增大。剪胀性指在剪切时产生体积膨胀或收缩的特性,并受约束压力的影响,是本构模型研究的难点之一。由于土的力学特性的复杂性,试图建立一个能描述土的所有特性的本构模型是不可能的,模型应抓住变形的主要特征,根据需要略去次要因素,力求简单实用,模型参数尽可能少,并且应具有明确的物理意义,可以用较为简单的试验方法确定。本文在作者以建立土的应力路径本构模型的基础上,通过定义两个应力状态的参量,给出了一个新的加卸载准则,进而建立了循环加载条件下土的应力路径本构模型,并利用基于广义非线性强度理论的变换应力张量将模型三维化。通过与实验结果的比较表明,本文所建立的循环加载模型可较好地描述土的应力路径相关性,尤其是真三轴路经,并且模型非常简单,只有5个材料参数,每个参数均具有明确的物理意义,可通过常规试验确定。 朗肯土压力理论计算结果与实测结果往往出现偏差,且在很多工况下偏于保守的不足,本文第二部分基于平面应变条件下的强度准则,提出了新的土压力计算方法。该方法的优点在于,一方面理论严密,结论简单,便于应用,通过简单的计算即可得到分析结果;另一方面分析结果不仅能充分发挥材料的强度潜能,产生一定的经济效益,并且对于实际工程分析结果仍然是偏于安全的。理论分析表明,朗肯土压力理论的计算误差随着土的摩擦角的增大而增大。通过与试验结果的比较表明,本文的土压力计算方法更接近实测数据,从而可更好地指导挡土结构的设计计算。 在平面应变条件下将土体的变形和强度特性简化为二维问题处理时,其关键就在于如何简单、合理地确定平面应变方向上的主应力大小。基于弹塑性理论及土的试验规律,在平面应变的简单加载条件下,假定主应力之间的关系为双线性函数,并利用一维固结和破坏时的主应力状态,确定双线性函数的系数。建议的主应力关系体现了土体在平面应变条件下的变形机制,在b-R坐标内通过3个关键点:初始点(1,1),一维固结应力状态点(bc,Rc),破坏应力状态点(bPS,Rps)。通过与试验数据的比较表明,所提双线性主应力函数的合理性。
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