岩土本构理论的几个基本问题研究_刘元雪

岩土常见地质问题及勘察分析
岩土工程是建筑工程中的一个重要分支，它涉及到土壤和岩石的性质、行为和工程应用等方面。

岩土工程在建设项目中发挥着非常重要的作用，因此对岩土地质问题的勘察和分析显得尤为重要。

常见的岩土地质问题主要包括土壤和岩石的性质、地层情况、地下水位、地震活动、地质构造等。

在岩土工程设计和施工过程中，需要对这些问题进行详细的研究和分析，以确定合理的工程方案。

土壤和岩石的性质是岩土勘察的重要内容。

针对不同类型的土壤和岩石，需要对其物理性质、力学性质、渗透性、变形特性等进行详细的测试和分析，以确定其所能承受的荷载和变形性能。

地层情况也是岩土勘察的关键内容。

通过采用地质钻探、岩芯采样、地下水位监测等方法，可以获取地下地层的垂直分布和性质特征。

这对于工程基础设计、土方工程和基坑开挖等施工过程中的土壤和岩石的选择和处理非常重要。

地下水位也是岩土工程中需要重点关注的地质问题之一。

地下水位的高低对工程的稳定性和安全性都有很大的影响，因此需要通过地下水位的测量和监测，确定工程中水的渗流路径和水的变化规律，以便合理设计和施工。

地震活动是岩土工程设计中需要考虑的另一个地质问题。

地震活动对岩土工程的影响非常大，因此需要通过地震波传播特性、地震烈度评定等方法，对地震活动的影响进行评估和分析，以设计合理的抗震措施。

地质构造是岩土勘察的重要内容之一。

地质构造是指地壳中形成的各种断裂、褶皱、岩浆活动等地质现象。

地质构造对岩土工程的地震安全性和工程稳定性都有很大的影响，因此需要对地质构造进行详细的调查和分析。

!前言剪胀性是土的基本力学特性之一，也是它区别于其它材料的一个本质特征"!#$%。

自从土的剪胀性被发现以来，就引起了广大学者的浓厚兴趣，关于土的剪胀性的研究也不断深入，成果也不断涌现，提出了一系列的应力&剪胀方程"’#(%。

笔者的研究表明")#!*%：主应力轴旋转与应力洛德角变化对土体应力应变关系的影响可以归因于应力增量中广义剪分量引起的剪切变形与剪胀。

依据传统土体弹塑性理论的观点，将土体应变分为弹性应变与塑性应变两部分，弹性应变采用各向同性广义虎克定律计算，塑性变形依据各种塑性建模思想来计算。

塑性体应变增量+!,-一般可表示为+!,-.!+"/#+$式中!，#为塑性系数；+"，+$分别为球应力增量与广义剪应力增量。

上式中后一项#+$即是土体变形的剪胀部分，也就是过去人们一直认为剪胀全部都是不可恢复的。

然而012345与张建民"!!，!6%的砂土循环扭剪实验表明，砂土的剪胀有一部分是可以恢复的。

因而近来土的可恢复剪胀现象受到人们的关注。

沈珠江"!$%从土体剪胀的微观机理出发，将土的剪胀区分为两种不同的胀缩机制：一种与等向硬化和最小势能原理相联系的普遍剪缩机制，与能量的不断耗散有关，是不可恢复的；而另一种是与不等向硬化有关的剪胀机制，这一过程中能量是不断积累的，是可以恢复的，并将一般应力&剪胀方程式改写为!***&(78)&（6**6）*$&*$*’&*7土的可恢复剪胀的一种解释刘元雪!，6，施建勇!（!9河海大学岩土工程研究所，江苏南京6!**8)；69后勒工程学院土木工程系，重庆’***’!）从土的各向异性角度对土的可恢复剪胀现像进行了解释。

基于各向异性情况下的土体弹性本构关系理论分析，认为土的可恢复剪胀现象可部分归因于土的各向异性引起的弹性剪胀。

借助有关土体弹性参数实验结果，研究了应力诱导各向异性对土体弹性剪胀的影响，结果表明：随土体应力诱导各向异性的增大，土体的弹性剪胀也增大。

岩土工程 , 学报年 , 上虽然是塑性应变 , 但具有弹性应变的一些特性 , 即应变增量方向决定于应力增量方向 , 。

而余下部分的塑性应变增量方向则决定于应力总量方向即符合塑性流动理论或正交法则弹性模量可以按前述滞回圈平均斜率定义或甚至采用更低一些的值对于这样的说 , 。

似来的就会出现弹塑性祸合问题 , , 。

还可以是平均应力的函数。

如果真弹性模量 , 。

尹是函数则在一个位于屈服面以下的荷载循环刀如果没有卸荷问题 , 中将产生能量的耗散图之 , 从而违反 , 原来的弹性定义反之在反方向循环中图之忿将违反热力学第二定律” “’ 应用于实际计当然没有必要区分似弹性和真弹性应变“, ‘ , 。

算 , 但根据我们的经验把似弹性模量用于卸荷计算将会得出过大的回弹变形、九一非线性模式与弹塑性模式 , 非线性弹性模式也叫塑性形变理论。

弹塑性模式也叫塑性流动理论 , 。

现代土力学中发 , 展的非线性模式与经典塑性理论中的形变理论有很大不同量刁。

乡。

〕刀。

一般都用增量形式表达 , 而且还一引人了加荷卸荷判别准则不过仍保持着与流动理论的根本区别即以下式计算塑性应变增式中 , 〔〕而流动理论则用下式计算。

, 。

, —塑性柔度矩阵器的函数 , 式中才久由于塑性势应力状态 , —是应力总量只。

比例系数。

故按流动理论得出的塑性应变方向只决定于现有的 , 而与将来应力状态如何改变无关但按前一理论 , 则塑性应变方向只与应力状态 , , , 的改变刁有关前面曾经把这样的塑性应变叫做似弹性应变加上真弹性应变〔〕才口可得总应变增量刁。

〔」刁 , 式中的先固结〕两种理论中那一个更符合实际、—。

柔度矩阵〔」〔」 , 。

, 〔〕。

只有通过应力路线转折试验才能验证 , 。

前面图。

中提到后剪切的简单应力路线转折试验并不表明塑性流动理论更符合实际应变增量的方向既与应力现状有关 , 国外在二平也与应力改。

面上进行的几个应力路线转折试验也表明变有关’‘ ‘ , , “, , 因此 , 把塑性应变划分成与应力改变有关的似弹性应变和与应力现状有关的 , 完全塑性应变两部分变计算 , 即把两种理论结合起来。

岩土工程中的疑难问题及技术解决方案一、引言岩土工程是一门涉及岩石、土壤和地下水的复杂学科，涵盖了从地质勘察、土力学、岩石力学到地下水工程等多个领域。

在实际工程中，岩土工程面临着诸多疑难问题，如地质勘察中的不确定性、岩土性质的复杂性和地下水的影响等。

本文将针对这些问题进行探讨，并提出相应的技术解决方案。

二、地质勘察中的不确定性地质勘察是岩土工程的基础，但勘察结果的不确定性是岩土工程中一个重要的问题。

这主要是由于地质条件的复杂性和自然变异性。

为了解决这一问题，地质勘察应采用综合手段，包括地球物理勘探、钻探、原位测试和室内试验等。

同时，应重视勘察数据的处理和分析，以揭示地质条件的规律和特点。

此外，可以采用数值模拟技术对地质勘察结果进行模拟和分析，以提高勘察结果的可信度和精度。

三、岩土性质的复杂性岩土性质具有复杂性和多变性，这给岩土工程设计和施工带来了很大的困难。

为了解决这一问题，应重视岩土性质的研究和测试。

在设计和施工前，应对岩土性质进行详细调查和测试，包括土的分类、含水量、密度、压缩性、强度等指标。

同时，应采用先进的原位测试和室内试验方法，如旁压试验、十字板剪切试验等，以获取更准确的岩土性质参数。

此外，应考虑岩土性质随时间和环境条件的变化情况，以便及时调整设计方案和施工方案。

四、地下水的影响地下水对岩土工程的稳定性和安全性具有重要影响。

在设计和施工过程中，应充分考虑地下水的作用。

首先，应进行详细的水文地质勘察，了解地下水的类型、水位、流速等参数。

其次，应采用适当的防水和排水措施，如截水墙、排水沟、井点降水等，以降低地下水对工程的影响。

此外，在设计和施工过程中，应考虑地下水的动态变化情况，以便及时调整设计方案和施工方案。

五、数值模拟技术的应用数值模拟技术是解决岩土工程疑难问题的重要手段之一。

通过数值模拟，可以模拟岩土工程的施工过程和运行过程，预测可能出现的地质灾害和工程问题。

这有助于优化设计方案、提高施工质量和降低工程成本。

岩土塑性力学的理论基础——广义塑性力学原理郑颖人刘元雪(解放军后勤工程学院，重庆 400041)Theoretical Bases of Geotechnical Plastic Mechanics——Principle ofGeneralized Plastic MechanicsZheng Yingren,Liu Yuanxue(Logistical Engieering University of PLA, Chongqing 400041)摘要实验表明，经典塑性力学难以反映岩土材料的变形机制，究其原因在于经典塑性力学作了传统塑性势假设、关联流动法则假设与不考虑应力主轴旋转的假设。

广义塑性力学就是放弃这些假设，由固体力学原理直接导出塑性公式，它既适用于岩土材料，也适用于金属。

关键词塑性力学塑性势屈服面应力主轴旋转Abstract Experiments show, the classic plastic mechanics is difficult to reflect the real deformation mechanism of geometerials, the reason is that the classic plastic mechanics is based on the hypothesis of the traditional potential theory, the hypothesis of the associated flow rule and the hypothesis of not considering rotation of stress principal axes. The generalized plastic mechanics gives up all these hypothesises and gets all its plastic formulas from solid mechanics directly, so it can be used for both geomaterials and metal.Key words plastic mechanics plastic potential yield surface rotation of stress principal axes1 经典塑性力学与岩土变形机制的矛盾岩土属于摩擦材料，与金属有很大不同，除有塑性剪应变外，还有塑性体应变。

浅议岩土工程勘察基础技术问题探讨1．重视规、范规程学习规范、规程是进行岩土工程勘察工作的依据，对勘察工作的目的任务、评价等均提出了详细的、可操作的要求。

岩土工程技术人员要重视对规划、规程的学习，充分了解其要求，这样在岩土工程勘察的过程中，就不至于出现诸如工作量布置不足、原状土样或原位测试数据不足、未划分抗震地段等问题了。

另外规范、规程中的条文说明，技术人员也要认真研读，条文说明中有丰富的信息，对于提高我们的理论水平及正确理解规范、规程具有重要作用。

2．与设计沟通的重要性《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）要求房屋建筑工程在进行详勘察之前，应收集所有坐标和地形的建筑总平面图。

场区的地面整平标高。

建筑物的性质、规模、荷载、结构特点、基础形式、埋置深度、地基允许变形等资料，强调勘察前与设计沟通的重要性，因为勘察成果的直接使用者就是设计人，在进行勘察前，勘察人应充分了解设计意图，弄清楚拟建物工程特性，这样勘察工作就能做到有的放矢，提供给设计人最直接、最有用的勘察成果，如：现在很多高层建筑都带有裙房，这种项目在勘察前，必须要弄清楚设计拟采用的基础形式及链接方式，还有一些主体不高但跨度很大的建筑，采用柱基布置的勘探孔深度与采用筏基布置的勘探深度有很大差别，所以必须重视勘察前与设计的沟通。

3．注意各种等级划分在进行岩土勘察工作量布置时，应按相应的分级标准，确定项目的相关等级。

如勘察等级、地基复杂程度等级、拟建物安全等级、重要性等级等因为这些等。

级划分直接决定了勘察工作量的布置，只有充分了解各种等级，布置工作量时才能做到安全、经济、合理。

4．理论与实际经验的相互关系岩土工程勘察所涉及的基本理论主要包括土力学的理论、工程地质理论等，这些工程理论都是一种对科学经验的理解，很多理论是建立在经验的基础上的，如很多共识都是经验公式。

岩土工程问题的解决工程实际上是在理论的指导下，岩土工程技术人员利用自己的工程经验，结合工程的实际情况，建立相应的模型、运用合理的参数，加上良好的判断力，解决问题的过程，对岩土工程技术人员来讲，扎实的基础理论同丰富的经验、良好的工程判断力是同等重要的，在学习和运用理论的过程中，一定要注意隐藏在公式和规律背后的背景知识和真正实际内涵及其假定边界条件，而积累经验的过程可分为分析、预测、现场观测。

岩土塑性力学的理论基础——广义塑性力学原理郑颖人刘元雪( 解放军后勤工程学院，重庆400041)Theoretical Bases of Geotechnical Plastic Mechanic—s—Principle ofGeneralized Plastic MechanicsZheng Yingren,Liu Yuanxue(Logistical Engieering University of PLA, Chongqing 400041)摘要实验表明，经典塑性力学难以反映岩土材料的变形机制，究其原因在于经典塑性力学作了传统塑性势假设、关联流动法则假设与不考虑应力主轴旋转的假设。

广义塑性力学就是放弃这些假设，由固体力学原理直接导出塑性公式，它既适用于岩土材料，也适用于金属。

关键词塑性力学塑性势屈服面应力主轴旋转Abstract Experiments show, the classic plastic mechanics is difficult to reflect the real deformation mechanism of geometerials, the reason is that the classic plastic mechanics is based on the hypothesis of the traditional potential theory, the hypothesis of the associated flow rule and the hypothesis of not considering rotation of stress principal axes. The generalized plastic mechanics gives up all these hypothesises and gets all its plastic formulas from solid mechanics directly, so it can be used for both geomaterials and metal.Key words plastic mechanics plastic potential yield surface rotation of stress principal axes1 经典塑性力学与岩土变形机制的矛盾岩土属于摩擦材料，与金属有很大不同，除有塑性剪应变外，还有塑性体应变。

岩土工程中土体本构模型的研究与改进导言：岩土工程是土壤和岩石力学的应用学科，涉及地质工程、地下工程、堤坝工程等方面。

在岩土工程中，研究土体力学特性是非常重要的。

土体本构模型作为描述土体力学特性的数学模型，对于岩土工程的设计和分析具有重要意义。

本文将研究和改进在岩土工程中常用的土体本构模型，以提高工程设计的准确性和可靠性。

一、传统土体本构模型的局限性传统的土体本构模型常采用线性弹性模型或塑性模型进行描述，但这些模型在实际工程应用中存在一定的局限性。

首先，线性弹性模型忽略了土体在较大应力下的非线性变形特性。

其次，塑性模型在描述土体的变形特性时，仅考虑土体的体积塑性，但忽略了土体的剪切塑性，与实际工程情况存在一定的差距。

因此，需要对传统土体本构模型进行研究和改进，以提高模型的适用性和准确性。

二、复杂土体本构模型的研究与改进为了更好地描述土体的力学特性，研究人员提出了一系列复杂的土体本构模型。

这些模型在考虑土体的非线性特性、各向异性特性和剪切塑性特性的同时，还能够模拟土体在不同应力路径下的力学行为。

例如，Cam-Clay模型以及其改进版本，综合考虑了土体的体积变形、剪切变形和各向异性，适用于模拟粘土和软土的力学行为。

Hardening Soil模型则引入了孔隙压力的影响，并考虑了土体的强度衰减效应，适用于模拟岩土体在变动应力下的力学行为。

这些复杂的土体本构模型在改进了传统模型的同时，也增加了模型的复杂性和计算难度，需要更多的实验数据和计算技术支持。

三、新型土体本构模型的发展趋势随着计算机技术和数值方法的快速发展，越来越多的新型土体本构模型得到了研究和应用。

这些模型不仅考虑了传统模型所忽略的土体力学特性，还能够模拟土体在较大应力下的非线性变形，并提供更为准确的力学参数。

例如，基于塑性势函数理论的非线性本构模型，能够更好地描述土体在应力路径变化下的力学行为。

另外，细观尺度下的离散元模拟方法也为岩土工程提供了新的研究思路，通过将土体划分为离散的颗粒，并考虑颗粒间的作用力，模拟土体的宏观力学行为。

常用岩土本构模型及其研究现状学生：彭敏班级：水工一班学号：2014141482159 授课教师： 肖明砾 成绩摘要： 在土木及水利工程中岩体分析成功性很大程度取决于采用的本构模型的正确性，常用的岩土本构模型：传统的弹性模型和弹塑性模型,新型的广义塑性力学理论、微观结构性模型、分级模型等。

关键词：本构模型 弹性 弹塑性 损伤力学 微观1.传统岩土本构模型现代岩石力学研究岩石全程应力应变曲线（如图1）可分为压密阶段、弹性工作阶段、塑性变形阶段和破坏阶段，采用经典连续介质力学理论计算的岩石力学模型有： 1.1 弹性模型对于弹性材料, 应力和应变存在一一对应的关系, 当施加的外力全部卸除时 ,材料将恢复原来的形状和体积。

弹性模型分为线弹性模型和非线性弹性模型两类。

这类模型用于荷载单调加载时可以得到较为精确的结果，但用于解决复杂加载问题时, 精确性往往不能满足工程需要。

1.2弹塑性模型弹塑性模型的特点是在应力作用下, 除了弹性应变外,还存在不可恢复的塑性应变。

应变增量分为弹性和塑性两部分, 弹性应变增量用广义虎克定律计算, 塑性应变增量根据塑性增量理论计算。

错误!图1：应力应变曲线图2 弹塑性模型2. 新型岩土本构模型2.1 广义塑性力学理论广义塑性力学认为, 传统塑性理论的 3 个假设都不符合岩土材料的变形机制，广义塑性力学从寻找和消除这些假设入手, 提出了一些新的观点。

2.2 微观结构性模型将土体的变形过程看作由原状土经损伤向扰动土逐渐转化的过程, 可以采用损伤力学理论建立弹塑性损伤模型。

通过微观结构的研究, 使得众多结构研究成果与其力学性状发生定量意义上的联系, 对解释宏观力学现象具有重要意义。

2.3 分级模型该方法以服从关联流动法则的简单各向异性强化模型开始, 模型级数逐渐递增, 较高等级的模型则是通过引入非关联流动法则、各向异性强化法则和应变强化或软化法则得到的。

3.结论（1）传统岩土本构模型虽然简单，但是存在一些缺点。

收稿日期:2005-06-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(50378069)。

作者简介:杨林德(1939-),男,江苏无锡人,教授,博士生导师,从事地下工程的设计理论及工程应用技术的研究。

文章编号:1007-6743(2005)04-0026-06岩土本构模型研究的回顾和讨论杨林德,张向霞(同济大学地下建筑与工程系,上海　200092)摘要:对岩土本构模型建模理论研究的发展和演化作了综述,并对几种经典本构模型进行了研究分析,以此为基础对建立岩土本构模型的方法提出了一些建议,并对当前岩土本构模型研究的发展趋势作了讨论,同时指出了建立各向异性和渗流-应力耦合作用的岩土本构模型的迫切性及其研究方向。

关键词:岩土;本构模型;各向异性;渗流;耦合中图分类号:T U431 文献标识码:A 岩土材料的本构理论是现代岩土力学的基础。

采用数值方法分析岩土工程问题时,关键技术就是模拟岩土介质的本构响应。

作为天然材料的岩土是由固体颗粒、水、空气组成的三相介质,具有弹性、塑性、粘性以及非线性、剪胀性、磁滞性、各向异性等性状,其应力-应变关系非常复杂[1]。

自R oscoe [2,3]等创建Cam -clay 模型至今,已出现数百个本构模型,得到工程界普遍认可的却极少,严格地说还没有。

事实上,试图建立能反映各类岩土工程问题的理想本构模型是困难的,甚至是不可能的。

另一方面,岩土介质具有各向异性特征早已为人们熟知,但对其开展深入研究却很少。

同时,随着人类工程活动范围和规模的扩大,对岩土的渗透特性与水力耦合作用的研究显得尤为紧迫。

因此开展考虑各向异性和渗流-应力耦合作用的岩土本构模型的研究具有重要的理论价值和实际工程应用背景。

本文结合岩土本构模型发展的历史,讨论岩土介质的建模理论以及岩土本构模型研究的进展,通过对几种应用比较广泛的本构模型进行评述,对岩土介质的建模原则进行分析讨论,并提出建立考虑各向异性和渗流-应力耦合作用的岩土本构模型研究方法的建议。

土木工程建筑结构设计中的问题探讨发表时间：2017-07-12T16:33:31.713Z 来源：《基层建设》2017年第7期作者：刘元元[导读] 摘要：土木工程建筑结构设计是否的科学合理，直接影响整个施工的质量和进展，更影响着人们的生命财产和社会秩序。

身份证号码：45020419801228xxxx 530001 摘要：土木工程建筑结构设计是否的科学合理，直接影响整个施工的质量和进展，更影响着人们的生命财产和社会秩序。

本文首先对我国土木工程的发展进行论述，进而针对存在的问题进行研究分析，提出建设性创新建议，希望能为相关企业或政府部门提供参考，以此来促进我国土木工程的良性发展和可持续发展。

关键词：土木工程；建筑结构；设计引言：改革开放以来，我国的经济一直在飞速地向前发展，经济发展的模式和种类也以多样化的格局在不断的发展，在这样的经济发展大背景下，我国的土木工程建设事业也在不断的发展和完善。

随着人们对建筑的要求越来越高，传统的结构设计已经很难满足更多消费者的需求，所以，在土木工程设计方面就出现了越来越多的问题和越来越多的新要求。

一、确保土木工程安全结构设计如果不合理，选型不正确，会对建筑物的安全产生严重的不利影响。

由于结构设计不恰当，可能会导致将来的建筑物承载能力不足，引起建筑物的不均匀沉降，导致建筑物出现开裂现象，给整个工程的安全性带来严重的不利影响。

（2）缩短建筑施工工期恰当的结构设计有利于合理组织施工，确保施工顺利进行，避免施工中出现返工现象，也有利于对人力、物力进行合理安排，缩短建筑工程施工工期，保障施工任务按时完成。

（3）提高建筑施工效益结构基础在整个工程造价中所占的比例约为25%，如果建筑物结构较为复杂，结构基础所占的比例将会更大。

所以，合理选择建筑结构基础，不仅能够促进施工顺利进行，还能够节约施工成本，降低工程造价，有利于提高土木工程施工效益。

二、地基承载力深度修正的问题设计不超过 20 层的高层、多层建筑时，我们经常直接选择桩基的基础形式，其实在非软弱土地区，应首先探讨采用天然地基的可行性，以利于降低基础造价，合理地确定地基承载力值就显得尤其重要，《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）规定：地基承载力特征值应按下式进行修正：fa=fak+ ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5），而在地基承载力值的组成中，深度修正部分占有较大的比重。

岩土勘察工程中常见的问题及解决对策刘学摘要：不同类型、不同规模的工程活动都会给地质环境带来不同程度的影响，不同的地质条件又会给工程建设带来不同的效应，岩土工程就是要查明工程质地条件，分析地质问题，评价建筑地区的工程地质。

关键词：岩土工程；勘查；问题分析；解决对策一、岩土勘察工程概述岩土勘察工程是指利用专业技术、设备及方法，对工程项目的地质类型、岩土构成、施工环境等资料信息进行采集、分析，将其编织成工程文件，然后根据工程建设标准和要求，利用所得工程资料信息，对工程施工过程中可能地质问题进行分析，在经过技术论证和评估之后，制定科学的施工方案和施工计划。

岩土勘察工程服务于整个工程项目建设，其主要作用是为工程设计及施工决策提供指导性意见，岩土勘察结果会直接影响到工程施工方案的科学性，所以就必须针对岩土勘察工程中的常见问题，制定有效的解决策略，确保岩土勘察工程作用的充分发挥。

二、岩土勘查工程中存在的问题1、准备工作不足在进行岩土勘察工作之前，需要进行大量的准备工作，若准备的不够成分，将影响勘查工作的进展，如没有合理确定勘查范围、没有进行正确的地质预判、相关器械准备不足等，都会影响勘查工程的准确性，严重时甚至会导致勘查工作的终止。

如，某勘查队在进行岩体勘察时并未做出全面的准备工作，只配备了常规使用的勘查器械，而当其翻过高山对水下地质进行勘察时，却因设备不足导致难以水下作业，勘查工作难以继续。

进一步影响了岩体勘察工作的进展时间增加了岩体勘察的经费，由此可见，事前准备充分在岩体勘察工程中显得尤为重要。

2、设计方案与勘查工程不吻合任何一项行业的发展都是理论领导并指引实践，在岩体勘察工程中也不例外。

对于勘查工作的经验积累和不断发展的技术原理，实际勘查总是略显滞后性。

即经常会出现设计方案查过勘查施工可实际操作的能力范围。

在这种情况下，勘查人员往往会根据经验选择合适的勘察方案，但是这就与设计方案不符，并且勘查人员与设计人员缺少沟通，导致勘查人员认为的简单的改变，却会影响整个勘查计划，进而使得勘查时间、勘查结构都受到很大的影响，制约了岩土勘察的有效性，使得勘查数据的精准性降低。

岩土类资料的弹塑性力学模型及本构方程之南宫帮珍创作摘要：本文主要结合岩土类资料的特性, 开展研究其在受力变形过程中的弹性及塑性变形的特点, 描述简化的力学模型特征及对应的适用条件, 同时在分析研究其弹塑性力学模型的基础上, 探究了关于岩土类介质资料的各种本构模型, 如MC、DP、Cam、DC、LD及节理资料模型等, 分析对应使用条件, 特点及公式, 从而推广到分歧的资料本构模型的研究, 为弹塑性理论更好的延伸发展做一定的参考性.关键词：岩土类资料, 弹塑性力学模型, 本构方程分歧的固体资料, 力学性质各不相同.即即是同一种固体资料, 在分歧的物理环境和受力状态中, 所测得的反映其力学性质的应力应变曲线也各不相同.尽管资料力学性质复杂多变, 但仍是有规律可循的, 也就是说可将各种反映资料力学性质的应力应变曲线, 进行分析归类并加以总结, 从而提出相应的变形体力学模型.第一章岩土类资料地质工程或采掘工程中的岩土、煤炭、土壤, 结构工程中的混凝土、石料, 以及工业陶瓷等, 将这些资料统称为岩土资料.岩土塑性力学与传统塑性力学的区别在于岩土类资料和金属资料具有分歧的力学特性.岩土类资料是颗粒组成的多相体, 而金属资料是人工形成的晶体资料.正是由于分歧的资料特性决定了岩土类资料和金属资料的分歧性质.归纳起来, 岩土资料有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.岩土资料的等压屈服特性与剪胀性, 3.岩土资料的硬化与软化特性.4.土体的塑性变形依赖于应力路径.对岩土类等固体资料往往在受力变形的过程中, 发生的弹性及塑性变形具备相应的特点, 物体自己的结构以及所加外力的荷载、环境和温度等因素作用, 常使得固体物体在变形过程中具备如下的特点.固体资料弹性变形具有以下特点：(1)弹性变形是可逆的.物体在变形过程中, 外力所做的功以能量（应变能)的形式贮存在物体内, 当卸载时, 弹性应变能将全部释放出来, 物体的变形得以完全恢复；(2)无论资料是处于单向应力状态, 还是复杂应力状态, 在线弹性变形阶段, 应力和应酿成线性比例关系；(3)对资料加载或卸载, 其应力应变曲线路径相同.因此, 应力与应变是一一对应的关系.固体资料的塑性变形具有以下特点：(l)塑性变形不成恢复, 所以外力功不成逆.塑性变形的发生过程, 肯定要消耗能量(称耗散能或形变功)；(2)在塑性变形阶段, 应力和应变关系是非线性的.因此, 不能应用叠加原理.又因为加载与卸载的规律分歧, 应力与应变也不再存在一一对应的关系, 也即应力与相应的应变不能唯一地确定, 而应当考虑到加载的路径(即加载历史)；(3)当受力固体发生塑性变形时, 将同时存在有发生弹性变形的弹性区域和发生塑性变形的塑性区域.而且随着载荷的变动, 两区域的分界面也会发生变动.第二章弹塑性力学中经常使用的简化力学模型对分歧的资料, 分歧的应用领域, 可以采纳分歧的变形体模型.在确定力学模型时, 要特别注意使所选取的力学模型必需符合资料的实际情况, 这是非常重要的, 因为只有这样才华使计算结果反映结构或构件中的真实应力及应力状态.另一方面要注意所选取的力学模型的数学表达式应足够简单, 以便在求解具体问题时, 不呈现过年夜的数学上的困难.岩上资料的力学特性不外乎由室内试验、现场试验取得.一般说来,室内试验所获得的力学特性不能完全反映现场实际情况,要获得真实的本构关系必需根据现场试验直接量测荷载—变形—时间之关系.但该方法不单花费年夜而且难以实现,目前年夜量的还是根据室内试验来决定.岩土资料的力学性质颇为复杂,这是因为它们是由固相(土粒子)、液相(空隙中的水)、气相(空隙中的空气)组成,易受密度、空隙率、温度、时间、水等因素影响.岩土资料从微观上应视为非连续体, 但从工程角度, 宏观上可视为连续体.2.1 理想弹塑性力学模型当资料进行塑性状态后, 具有明显的屈服流动阶段, 而强化水平较小.若不考虑资料的强化性质, 则可获得如图21所示理想弹塑性模型, 又称为弹性完全塑性模型.在图21中, 线段OA 暗示资料处于弹性阶段, 线段AB 暗示资料处于塑性阶段, 应力可用如下公式求出：sE σσεσ== （当时;s s εεεε≥≤） （21） 由公式（21）中只包括了资料常数E 和εs, 故不能描述应力应变曲线的全部特征, 又由于在ε=εs 处解析式有变动, 故给具体计算带来一定困难.这一力学模型抓住了韧性资料的主要特征, 因而与实际情况符合得较好.2.2 理想线性强化弹塑性力学模型当资料有显著强化率, 而屈服流动不明显时, 可不考虑资料的塑性流动, 而采纳如图44所示线性强化弹塑性力学模型.图中有两条直线, 其解析表达式为）-（1s s E E εεσσεσ+== （当时;s s εεεε≥≤） （22） 式中E 及E1分别暗示线段OA 及AB 的斜率.具有这种应力应变关系的资料, 称为弹塑性线性强化资料.由于OA 和AB 是两条直线, 故有时也称之为双线性强化模型.显然, 这种模型和理想弹塑性力学模型虽然相差不年夜, 但具体计算却要复杂很多.在许多实际工程问题中, 弹性应变比塑性应变小很多, 因而可以忽略弹性应变.于是上述两种力学模型又可简化为理想刚塑性力学模型.2.3 理想刚塑性力学模型如图21所示, 应力应变关系的数学表达式为:εσE = （当时0≥ε） （23）上式标明在应力达到屈服极限之前, 应酿成零, 这种模型又称为刚性完全塑性力学模型, 它特别适宜于塑性极限载荷的分析.2.4 理想线性强化刚塑性力学模型如图21所示, 其应力应变关系的数学表达式为:εσσ1E s += （当时0≥ε） （24）2.5 幂强化力学模型为了防止在ε=εs 处的变动, 有时可以采纳幂强化力学模型, 即取：n A εσ= （25）式中n 为幕强化系数, 介于0与1之间.式(25)所代表的曲线(如图21所示)在ε=0处与ζ轴相切, 而且有：AA ==σεσ （当时0;1==n n ） （26） 式（26)的第一式代表理想弹性模型, 若将式中 的A 用弹性模量E 取代, 则为虎克定律式； 第二式若将A 用ζs 取代, 则为理想塑性(或称理想 刚塑性)力学模型.通过求解式(26)则可得ε=1, 即 两条直线在ε=1处相交.由于幂强化模型也只有两 个参数A 和n, 因而也不成能准确地暗示资料的 所有特征.但由于它的解析式比力简单, 而且n 可以 在较年夜范围内变动, 所以也经常被采纳.第三章岩土类介质本构模型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；二是针对分歧岩土分歧工况发展了许多新型的本构模型.国内学者作了年夜量的工作, 新发展的广义塑性力学既适应岩土类摩擦资料, 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.本章主要探究岩土体资料的MohrCoulomb(MC)理想弹塑性模型、DruckerPrager(DP)模型、Camclay（Cam）模型、DuncanChang（DC）模型、LadeDuncan （LD）模型、修正的帽子模型、与蠕变耦合的帽子塑性模型、节理资料模型等.3.1 MohrCoulomb(MC)理想弹塑性模型Coulomb 在土的摩擦试验、压剪试验和三轴试验的基础上, 于1773年提出了库仑破坏准则, 即剪应力屈服准则, 它认为当土体某平面上剪应力达到某一特定值时, 就进入屈服.MohrCoulomb 塑性模型主要适用于在单调荷载下以颗粒结构为特征的资料, 如土壤, 它与率变动无关.其准则方程形式一般为：),,(n n c f σϑτ=.其中, c 为土的粘聚力；ϑ为土的内摩擦角；n σ为屈服面上的正应力.这个函数关系式通过试验确定.MC 条件为：ϑστtan n n c +=.在π平面上的屈服曲线为一封闭的非正六边形.现在, MC 准则仍被广泛应用, 该准则在π平面上的拉、压轴相等时即为广义Tresca 准则.MC 准则比力符合试验, 可是它的缺点在于三维应力空间中的屈服面存在角点奇异性, 且没有考虑中间主应力2σ的影响.3.2 DruckerPrager(DP)模型1952年Drucker 和Prager 首先把不考虑中间主应力2σ影响的Coulomb 屈服准则与不考虑净水压力P 影响的Mises 准则联系在一起, 提出广义Mises 理想塑性模型, 即DP 模型.DP 模型的屈服面方程为：0-12=-=K I J F α.DP 屈服函数所暗示的屈服面在π平面上是一个圆, 更适合数值计算.可是作为近似计算, DP 模型仍被广泛应用, 它的主要缺点也是没有考虑中间主应力2σ的影响.该系列的模型适用于实质上是单调加载的场所, 如土基的极限荷载分析.它最适合用于仿真有内摩擦力的资料.该模型具备如下几个特点：1. 应力空间中存在弹性区域与塑性区以及它们的分界面2. 资料是初始各向同性的.3. 屈服行为取决于静水压力的年夜小.静水压力越年夜, 资料的强度越高, 而且资料在软化或硬化时是各向同性的, 因此可以用引入与静水压力的相关关系的方式来体现模型在各种情况下的变动.4. 非弹性变形与体积变形同时发生, 流动法则中可考虑剪胀行为, 所以提供了两种分歧的流动准则.5. 屈服行为受第二主应力2 σ年夜小的影响.6. 资料可以与应变率有关.7. 资料参数可以与温度有关.8. 模型的弹性部份可以是线弹性或非线性的孔隙资料弹性.9. 提供了三种分歧的屈服准则供选择.其区别基于三种分歧的屈服面子午线：线性、双曲线或一般的指数函数.10. 模型选择的合理性在很年夜水平上取决于资料的类型和标定模型参数时试验数据的有效性, 还取决于压应力值序列是否与资料性质合拍.3.3 Camclay （Cam ）模型Cam 模型由英国剑桥年夜学Roscoe 等人于1963年提出, 适用范围为粘土或者正常固结土, 模型可应用于土石坝、地基和桩基础等, 其屈服面方程为：0ln ''0'=-p p M p q （31） 1965年, Roscoe, Burland 分别研究了Cam 模型屈服面与临界状态线及正常固结线的关系, 根据能量方程对Cam 模型屈服面的形状进行了修正, 提出了修正Cam 模型.在q p -'平面上修正Cam 模型的屈服面是通过原点的椭圆形曲线.屈服面函数为：0222'''P M M p q p =⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛（32） Cam 模型只有3个参数, 且易于测定, 因此是以后应用最广的模型之一.模型的主要缺点是受到传统塑性理论的限制, 且没有充沛考虑剪切变形.3.4DuncanChang （DC ）模型1970年Duncan 和Chang 根据Kondner(1963年)的研究功效, 将三轴试验获得的土体131)(εσσ--（轴向应变）曲线用下述双曲线方程来暗示：1131)(εεσσb a +=-.其中, a,b 均为试验常数.由试验最终得出DC 模型的切线模量方程为：233131sin 2cos 2))(sin 1(1⎥⎦⎤⎢⎣⎡+---⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ϕσϑσσϕσc R P KP E f n a a （33）1980年, Duncan 根据试验结果提出改用体积变形模量K 作为计算参数, 将EV 模型修正为EK 模型.D –C 模型能反映土体的主要变形特性, 且采纳加载模量和卸载模量来部份反映土的非线性性质, 所采纳的参数少, 具有比力明确的物理意义, 且可由惯例的三轴剪切试验确定, 因而在实际工程中获得了广泛应用.但该模型的主要缺点是不能反映土的剪胀性, 也不能反映中间主应力2对模量的影响, 其实际应用受到了一定的限制.针对许多土体存在剪胀性的真实性状, 沈珠江(1986年)等提出了考虑球张量和偏张量相互交叉影响的非线性弹性模型, 是一种可以考虑土体剪胀性的非线性应力—应变模型.3.5 LadeDuncan （LD ）模型LadeDuncan(1975年)根据对砂土的真三轴试验结果, 提出了一种适用于砂土类的真三轴弹塑性模型.该模型的屈服函数由试验资料拟合获得, 它把土视作加工硬化资料, 服从不相关联流动法则, 并采纳塑性功硬化规律.在应力空间中屈服面形状是开口三角锥面.屈服面方程为：0331=-=K I I F （34）LD模型是以塑性功为硬化参量, 其优点是较好地考虑了剪切屈服和应力Lode角的影响.缺点是需要9个计算参数, 而没有充沛考虑体积变形, 难以考虑静水压力作用下的屈服特性, 即使采纳非相关联流动法则也会发生过年夜的剪胀现象, 且不能考虑体缩.3.6.1 适用范围这个模型是在子午线为线性的DruckerPrager模型上增加一个帽子状的屈服面而构成的, 其目的有两个：一是对静水压力给出一个上限二是在资料因剪切而屈服时控制体积膨胀.这个模型适用于粘性岩土介质.3.6.2 特点1、考虑了弹、塑性变形, 弹性应变可以是线性弹性或孔隙介质的非线性弹性.2、屈服行为与静水压力有关, 所以应力空间中的屈服行为有两种情况：屈服面上所对应的是理想塑性, 帽子曲面对应的却是硬化塑性.硬化/软化行为是体积塑性应变的函数.3、塑性变形与体积变形相关：在屈服面上暗示为膨胀, 在帽子曲面上暗示为压缩,在两者的交界线上, 为无体积变形的常剪应力状态.4、中间主应力2 σ对屈服有影响5、在载荷循环时, 帽子曲面可给出相应响应, 屈服面只能对应单向加载.6、资料是初始各向同性的.7、资料性质可以随温度而改变.模型由两个屈服面组成, 一个是子午线为线性的DruckerPrager 屈服面, 它体现为与静水压力有关的剪切破坏, 另一个是帽子曲面, 它体现了受压破坏.帽子模型中DruckerPrager 破坏曲面自己是理想塑性的, 可是它存在一个发生体积膨胀的塑性流动, 使帽子软化, 屈服面方程为：0tan =--=d P t F S β （35）其中β为摩擦角, d 为粘聚力.t 为偏应力的怀抱, 可以用分歧的应力状态（如受拉或受压）来调整t.在许多情况下, 岩土介质需考虑蠕变造成的影响, 一旦加载时段与蠕变发生时段的标准是同一个数量级时, 需考虑蠕变与塑性的耦合求解, 与蠕变耦合的帽子塑性模型适合于这类情况.1、耦合求解帽子塑性方程与蠕变方程；2、帽子塑性模型的弹性阶段为各向同性线弹性, 塑性阶段为K=1（π平面上是圆）的屈服面, DP屈服面与帽子屈服面之间无过渡区, 即α=0 ；3、蠕变模型中有两类蠕变行为：①粘性蠕变, 它同时发生于剪切破坏区与帽子区.②固结蠕变, 它只发生于帽子区.图3.7.1 帽子蠕变模型的蠕变等值面3.8 节理资料模型节理资料模型为在分歧方向上存在分布度很高的平行节理的岩土介质提供一种简明的, 连续介质本构关系, 它要求某一方向上各节理层的间距很小, 从而使连续介质假定得以成立, 这个模型也可以用于存在年夜量断层的岩石中.1、考虑弹, 塑性变形.2、节理层之间有三种关系：①有摩擦的滑动；②闭合；③分开.一旦节理层分开, 资料立即酿成正交各向异性体.3、考虑了基于Druckerprager模型的体积变形招致的破坏.4、节理所组成的整体资料的力学机理既包括了塑性滑移, 也包括了膨胀.5、模型提供了合理的应力循环, 包括节理的开合和剪力循环.6、资料可以与温度有关.第四章土的本构模型研究趋势为了较好的描述土的真实性状, 建立土的应力应变时间之间的关系, 已经发展了年夜量土的本构模型, 而且有些模型的应用相当广泛, 对这些传统模型进行改进和修正, 使之适用于更广泛的工程问题, 比建立一个新的土的模型更具有实际意义.随着土本构研究的深入, 可从以下几个方面开展工作：1)为了准确反映上的非线性、非弹性、软化、剪胀与剪缩性等特性, 需要建立和发展复杂应力状态与加卸载序列条件下土的本构模型.2)重视模型参数的测定和选用, 重视本构模型验证以及推广应用研究, 通过分歧类型仪器、分歧应力路径的土工试验及工程现场测试等形式, 客观地评价和论证已建模型的正确性与可靠性, 全面系统地讨论与比力模型的实用性、局限性及其适用范围, 使之更好地为工程建设和科学研究服务.3)开展非饱和土的本构模型研究, 建立非饱和土的本构模型时应充沛考虑土中含水量的影响及颗粒骨架、孔隙水与气体三相之间的界面相互作用及相互交换问题.4)注重土体的微观结构和宏观结构研究, 揭示土结构性及其变动的力学效果.5)土的本构模型中有许多假设条件与实际情况不符, 影响了工程计算的精度和适用性, 今后应加以改进和提高, 建立用于解决实际工程问题的实用性模型, 反映土体的真实特性, 服务于各类工程建设.参考文献[1]施泽华, 岩土资料的经常使用力学模型及其弹性、弹塑性矩阵, 第一届全国岩石力学数值计算及模型试验讨论会论文集.[2]徐干成,谢界说,郑颖人.岩土资料弹塑性动本构模型研究概况[J].岩土力学,1993,03:8193.[3]周安楠,姚仰平.经典弹塑性力学体系下岩土资料的本构方程[J].力学与实践,,06:5457+8.[4]李同林, 殷绥域, 弹塑性力学, 中国地质年夜学出书社, 9月.[5]李同林, 应用弹塑性力学, 中国地质年夜学出书社, 1月.[6]刘元雪.岩土本构理论的几个基本问题研究[J].岩土工程学报,,01:4548.[7]施泽华.岩土资料的经常使用力学模型及其弹性、弹塑性矩阵[A].中国岩石力学与工程学会.第一届全国岩石力学数值计算及模型试验讨论会论文集[C].中国岩石力学与工程学会:,1986:9.[8]高红,郑颖人,郑璐石.岩土资料弹性力学模型与计算方法[J].岩石力学与工程学报,,09:18451851.[9]王运霞.基于状态参量的饱和砂土弹塑性本构模型研究[D].北京交通年夜学,.[10]刘晓丽,王思敬,王恩志,薛强.单轴作用下岩土资料的双重介质本构模型[J].应用数学和力学,,10:11931201.[11]杨光华.21世纪应建立岩土资料的本构理论[J].岩土工程学报,1997,03:119120.[12]李海波.岩土力学连续介质本构模型研究[D].哈尔滨工程年夜学,.[13]姚捷.基于广义位势理论的土的本构模型的研究[D].武汉年夜学,.[14]王菲.基于三轴压缩试验的岩石统计损伤本构模型研究[D].清华年夜学,.。

文章编号:10012831X (2001)0520349205岩土小应变问题研究进展Ξ刘元雪1,2,　施建勇1(1.河海大学岩土工程研究所,南京210098;2.后勤工程学院土木工程系,重庆400041) 摘　要:岩土小应变情况下表现出许多与一般中大应变实验不同的特性。

现场测试表明岩土工程中应变一般都比较小。

因而近年来岩土小应变问题受到重视。

本文对当前岩土小应变力学行为实验研究与本构模型研究进展进行了较为系统的描述。

提出了合理描述岩土小应变力学特性需要进一步研究的几个问题。

关键词:小应变;本构模型;岩土材料中图法分类号:TU 441 文献标识号A1　前　言近年来岩土体的小应变问题引起了许多研究机构的重视。

当前大量的岩土工程现场测试揭示了研究小应变问题的重要性。

大量的工程实践[124]表明:一般的岩土工程(如隧道、基坑开挖,地基变形...)中的岩土体变形都很小,岩土体小应变情况下的力学特性很难用传统的本构模型来描述。

J B B u rland [1]很早在伦敦的高层建筑的深基坑开挖所致的软土侧向移动以及大型水塔所致的软石灰石基础的沉降测试中发现,岩土体的应变都非常小,一般都小于0.03%。

前东德的高层旅馆地基(中密度砂土)沉降测试[15]表明:地基绝大部分的应变都小于0.1%,最大值也只有0.3%。

随着施工技术的发展,各类规范的要求也越来越严格,地下工程的岩土体应变也会越来越小。

文献[16]介绍了北京地铁天安门西站工程采用的“暗挖逆筑法”施工技术,并对隧道施工过程中地表沉降进行了测试,从文中可以看出,地表的最终沉降量很小,地面只有6mm ,地表沉降所致土体应变最大值在地面下9m 处,最大应变值也只有约0.45%。

当前在分析岩土工程的应力与变形分析一般采用有限元法,其中描述岩土体应力应变行为的本构模型就是核心,模型参数一般是采用常规三轴实验,将岩土体加载直至破坏(对于土体轴向应变为15%)时的实验结果拟合而得的。

岩土常见地质问题及勘察分析岩土工程是土木工程、建筑工程、矿业工程等工程领域中最基础的分支领域之一。

岩土工程主要涉及地质条件、地质构造、土层性质等方面的研究。

在岩土常见地质问题及其勘查分析方面，我们需要掌握以下内容。

1.地质构造问题。

岩土工程中对于地质构造的问题主要涉及到断层、褶皱、岩体裂隙等地质问题。

这些地质构造的存在极易对工程施工、建筑设计等产生不利影响。

2.不同岩土属性问题。

不同岩土属性如强度、稳定性等因素，会造成工程建设和施工中的很多问题，如地下水位的变化、土壤松散度等会影响建筑的安全性。

3.地质灾害问题。

地质灾害是一类常见的地质问题，如山体滑坡、地基沉降等，都会影响建筑的稳定性，严重时甚至造成人员伤亡。

4.地质水文问题。

地下水文问题是岩土工程中最重要的问题之一，如地下水分层、介质渗透性、水位变化等问题，对建筑物的地基稳定性和地下结构设计都会产生影响。

二、岩土勘察分析1.全面调查和分析。

岩土工程中的勘察分析应该全面、系统地对土地进行调查和分析，了解地质构造及层位基础（如断层、地下水位等）等重要信息。

2.场地勘测实验及资料收集。

对于岩土地质问题，需要通过地质、地球物理勘探、样品室、化验室等多种手段进行详细、准确地勘测分析，同时还需对场地周边环境资料进行收集及评估。

3.数据分析及评估。

岩土勘察分析最终需要依靠数据分析及评估来确定各种岩土属性，以便制定更有效的工程建设策略。

在此基础上，还需要对不同的岩土地质问题进行系统的分析，以期提出合理的解决方案和措施。