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初始应力各向异性土的弹塑性模型

期刊:岩土力学DOI:10.16285/j.rsm.2000.03.008

本文是一篇关于岩土力学领域的学术论文,主要研究初始应力各向异性土的弹塑性模型。以下是对该论文的详细报告:

主要作者及研究机构

本文的主要作者包括孙德安(名古屋工业大学)、姚仰平(北京航空航天大学土木系)和殷宗泽(河海大学岩土工程所)。论文发表于《岩土力学》(Rock and Soil Mechanics)期刊,2000年9月,第21卷第3期。

学术背景

本文的研究背景基于岩土力学中的经典弹塑性模型——剑桥模型(Cam-clay model)和在日本广泛使用的关口—太田模型(Sekiguchi-Ohta model)。剑桥模型假设土体沿球应力轴(p轴)等向塑性体变硬化,而关口—太田模型则假设土体沿初始固结线(k0线)不等向塑性体变硬化。然而,这两种模型在实际应用中存在一定的局限性,尤其是在预测初始应力各向异性土的变形和强度特性时,计算结果与实测数据存在偏差。因此,本文旨在提出一种新的弹塑性模型,以弥补这两种模型的不足,并更好地反映土体的实际力学行为。

研究目标

本文的主要目标是提出一种介于剑桥模型和关口—太田模型之间的弹塑性模型,该模型能够更好地描述初始应力各向异性土的变形和强度特性。具体来说,作者希望通过引入基于SMP准则(Spatially Mobilized Plane criterion)的变换应力方法,使模型在三维应力状态下更加合理,并能够准确预测不同应力路径下的土体变形。

研究方法与流程

本文的研究方法主要包括以下几个步骤:

  1. 模型构建:作者提出了一种新的弹塑性模型,其屈服函数基于SMP准则。该模型的核心思想是通过变换应力张量(transformed stress tensor)来实现模型的三维化。变换应力张量的引入使得模型能够更好地反映土体在三维应力状态下的强度和变形特性。

  2. 模型参数:模型的土性参数与剑桥模型相同,包括压缩指数(λ)、回弹指数(κ)、临界状态应力比(m)和初始孔隙比(e0)。这些参数通过实验数据确定,并用于模型的预测计算。

  3. 实验验证:为了验证模型的准确性,作者使用了日本藤森粘土的排水三轴试验数据。试验中,土样在k0状态下固结后,沿不同的应力路径进行剪切试验。通过对比模型预测结果与实测数据,作者评估了模型的性能。

  4. 数据分析:作者通过对比剑桥模型、关口—太田模型和本文提出的模型在不同应力路径下的预测结果,分析了各模型的优缺点。结果表明,本文提出的模型在预测初始应力各向异性土的变形和强度特性时,具有更高的准确性。

主要结果

本文的主要结果包括:

  1. 模型预测与实验数据的对比:通过对比模型预测结果与藤森粘土的排水三轴试验数据,作者发现,本文提出的模型在预测初始应力各向异性土的变形和强度特性时,表现出较高的准确性。尤其是在从k0状态向伸长方向剪切时,本文模型的预测结果明显优于剑桥模型和关口—太田模型。

  2. 模型的三维化:通过引入基于SMP准则的变换应力方法,本文提出的模型能够更好地反映土体在三维应力状态下的强度和变形特性。这一改进使得模型在实际工程应用中具有更高的适用性。

  3. 模型参数的简化:本文提出的模型所需的土性参数与剑桥模型相同,这使得模型在实际应用中更加简便易行。

结论与意义

本文提出了一种新的弹塑性模型,该模型能够更好地描述初始应力各向异性土的变形和强度特性。与剑桥模型和关口—太田模型相比,本文模型在预测土体变形和强度时表现出更高的准确性,尤其是在从k0状态向伸长方向剪切时。此外,通过引入基于SMP准则的变换应力方法,本文模型在三维应力状态下更加合理,具有较高的工程应用价值。

本文的研究成果对于岩土工程领域具有重要意义,尤其是在软土地基的变形预测和工程设计中,本文提出的模型可以为工程师提供更加准确的计算工具。此外,本文的研究方法也为其他类似问题的研究提供了新的思路。

研究亮点

  1. 新颖的模型构建:本文提出的弹塑性模型介于剑桥模型和关口—太田模型之间,能够更好地描述初始应力各向异性土的变形和强度特性。
  2. 三维化改进:通过引入基于SMP准则的变换应力方法,本文模型在三维应力状态下更加合理,具有较高的工程应用价值。
  3. 实验验证:通过对比模型预测结果与实测数据,本文模型在预测土体变形和强度时表现出较高的准确性,尤其是在从k0状态向伸长方向剪切时。

其他有价值的内容

本文还详细讨论了模型的屈服函数、变换应力张量的计算方法以及模型的弹性应变增量计算等内容,为读者提供了全面的理论支持。此外,作者还引用了大量相关文献,进一步丰富了本文的学术背景和研究基础。

总之,本文提出的弹塑性模型在岩土力学领域具有重要的理论和应用价值,为初始应力各向异性土的变形和强度预测提供了新的解决方案。

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