土力學學術論文

　　隨著社會的高度現(xiàn)代化，土力學在工程上的應用范圍越來越廣，人類對土力學的研究也更加的深入。下面是小編精心推薦的土力學學術論文，希望你能有所感觸!

　　土力學學術論文篇一

　　巖土塑性力學

　　摘要：分析了經(jīng)典塑性力學用于巖土類材料的問題，它采用了3個不符合巖土材料變形機制的假設。從固體力學原理直接導出廣義塑性位勢理論，將經(jīng)典塑性力學改造為更一般的塑性力學―廣義塑性力學。廣義塑性力學采用了塑性力學中的分量理論，能反映應力路徑轉折的影響，并避免了采用正交流動法則所引起的過大剪脹等不合理現(xiàn)象，也不會產(chǎn)生當前非關聯(lián)流動法則中任意假定塑性勢面引起的誤差。給出了廣義塑性力學的屈服面理論、硬化定律和應力一應變關系，并建立了考慮應力主軸旋轉的廣義塑性位勢理論。屈服條件是狀態(tài)參數(shù)，也是試驗參數(shù)，只能由試驗給出。應用表明，廣義塑性力學可作為巖土材料的建模理論，還可應用于諸如極限分析等土力學的諸多領域，具有廣闊的應用前景。

　　關鍵詞：巖土塑性力學;廣義塑性力學

　　1、前言

　　多數(shù)巖土工程都處于彈塑性狀態(tài)，因而巖土塑 性在巖土工程的設計中至關重要。早在1773年 Coulomb提出了土體破壞條件，其后推廣為Mohr― Coulomb條件。1857年 Rankine研究了半無限體的 極限平衡，提出了滑移面概念。1903年 Kotter建立了滑移線方法。Felenius(1929)提出了極限平 衡法。以后 Terzaghi、Sokolovski又將其發(fā)展形成了較完善的巖土滑移線場方法與極限平衡法。1975 年，W.F.Chen在極限分析法的基礎上又發(fā)展了土的極限分析法，尤其是上限法。不過上述方法都是在采用正交流動法則的基礎上進行的?；凭€法與極限分析法只研究力的平衡，未涉及土體的變形與位移。[1]20世紀50年代開始，人們致力于巖土本構模型的研究，力求獲得巖土塑性的應力一應變關系，再結合平衡方程與連續(xù)方程，從而求解巖土塑性問題。由此，雙屈服面與多重屈服面模型l1-41、非正交流動法則在巖土本構模型中應運而生。真正的土力學必須建立在符合土本身特性的本構模型的基礎上，而本構模型的建立必須有符合巖土材料變形機制的建模理論。巖土塑性力學是一門新興學科，也是建立巖土本構模型的基礎。[2-4]

　　2、土木工程材料本構方程綜述

　　土木工程材料的本構行為一直工程技術界和力學學術界關注的焦點之一，其研究熱度之所以長盛不衰，一方面是由于它涉及工程的安全性，事關重大;另一方面是因其機理復雜、個性突出，極富挑戰(zhàn)性。[5]

　　土體本構關系比金屬材料更加復雜，在本構分析時，更加需要強化試驗測試和理論研究、科學的確定材料參數(shù)、合理的構建實用的本構模型，并通過現(xiàn)場測試的驗證使其不斷完善。土的非線性彈性本構模型有兩個具有代表性：一個是國內土工界常用的Duncan-Chang模型(1970.1980)，另一個是計入球張量和偏張量交叉效應的沈珠江模型(1986)。土的彈塑性本構分析和建模既要置于彈塑性理論框架之內，又要緊密結合土體工程實際，突出其主要特性，反映其個性特征。土的彈塑性本構模型最常用的是修正的劍橋模型。

　　3、巖土塑性力學原理綜述

　　經(jīng)典塑性力學是以金屬材料為研究主體，在建立金屬材料本構關系和分析金屬材料相關的工程問題等方面，已經(jīng)形成了一套較完善的理論和方法。同彈性力學一樣，塑性力學也是連續(xù)介質力學的一個分支，它的基本方程式：①描述物體平衡狀態(tài)的平衡方程;②描述物理變形的幾何方程;③刻畫材料物理狀態(tài)和力學性質的本構方程。前兩類方程與材料性質無關，因此普遍適用。塑性力學與彈性力學的主要區(qū)別在于第三類方程不同。經(jīng)典塑性力學只適應于金屬材料，當用于巖土類摩擦材料時就會出現(xiàn)一些不符合實際的情況，理論計算結果與土工試驗結果出現(xiàn)諸多矛盾。因而巖土塑性力學既要吸收經(jīng)典塑性力學中采用的基本解題方法，又需要對經(jīng)典塑性力學進行必要的改造，使之適應巖土材料的變形機制。

　　巖土材料進入塑性狀態(tài)后，應變不僅取決于應力狀態(tài)，而且還取決于應力歷史，因此，一般無法建立應變全量與應力全量的關系。增量理論將整個加載歷史看成 一系列的微小增量加載過程所組成，研究每個微小增量加載過程中應變增量與應力增量之間的關系，再沿加載路徑依次積分應變增量最終的應變。增量理論能夠反映應力歷史的相關性，但數(shù)學處理相對比較復雜。早期屬于這類理論的主要有：Levy-Mises理論和Prandtl-Reuss理論。[6]增量理論的本構方程通常采用應力與應變的時間率形式表達，其假定材料本構關系是率無關的，即不受時間的影響，因此采用應力與應變的增量形式表達。

　　4、有限元法綜述

　　有限單元法(FEM，簡稱有限元法)是將微分方程(組)簡化為線性代數(shù)方程組從而求解問題的一種數(shù)值分析方法。1909年Ritz提出了求解連續(xù)介質力學中場問題近似解得一個強有力的方法，這種方法利用未知量的試探函數(shù)將勢能泛函近似化來進行求解。1960年Clough把這種解決彈性力學問題的方法定義為有限元法，與此同時，中科院馮康教授提出了一個高效能的求解復雜偏微分方程組問題的計算方法，這種方法特別適用于解決大型復雜的結構工程和固體力學問題，在此時期，馮康教授的研究小組在完成幾個大型水壩應力計算中就應用了這一方法。20世紀60年代后，F(xiàn)EM應用于各種力學問題和非線性問題，并得到迅速發(fā)展。1970年后，F(xiàn)EM被引入我國，并很快地得到應用和發(fā)展。

　　有限元法已成為求解復雜巖土工程問題的有力工具，在求解彈塑性問題和流變、動力、非穩(wěn)態(tài)滲流等時間相關問題，以及溫度場、滲流場、應力場的耦合問題等復雜的非線性問題的效能使其成為巖土工程領域中應用最為廣發(fā)的數(shù)值分析手段。大多數(shù)巖土工程問題，如巖土邊坡、地下工程、結構-巖土相互作用等，都涉及無限域或者半無限域，處理這些問題通常是在有限的區(qū)域內進行離散。為了使離散不會產(chǎn)生大的誤差，必須取足夠大的計算范圍，并使假定的外邊界條件盡可能的接近真實狀態(tài)。理論分析和計算實踐表明，當由于結構或者工程巖土體某一部位開挖卸荷時，對周圍土體的應力及位移有明顯影響的范圍大約是開挖或者結構物與土體作用面得輪廓尺寸的2.5～3倍。在此范圍之外，影響甚小，可忽略其影響?？紤]到有限元離散誤差和計算誤差，為了保證必要的計算精度，計算范圍應取不小于3～4倍。在這種情況下，外邊界可以采取兩種方式處理，一是將在距離荷載作用部位足夠遠的外邊界位移設為0;另一種則假定外邊界為受力邊界。但無論哪種方式都同實際的無限域不完全一致，因而都存在誤差。這種誤差會隨著計算區(qū)域的減小而增大，并且在靠近外邊界處都比遠離外邊界的誤差大，此現(xiàn)象稱為邊界效應。在用有限元求解巖土工程問題時必須注意邊界效應的影響。

　　參考文獻：

　　[1]朱加銘.有限元法與邊界元法，哈爾濱工程大學出版社.2002年2月

　　[2]丁天彪.數(shù)值計算方法，黃河水利出版社.2003年1月

　　[3]周世良.無限元在巖土工程數(shù)值分析中的應用，重慶交通學院學報2004.12

　　[4]廖紅建，王鐵行.巖土工程數(shù)值分析.北京：機械工業(yè)出版社.2006.1

　　[5]盧廷浩.巖土數(shù)值分析.北京：中國水利水電出版社.2008

　　[6]陳慧發(fā).2001.土木工程材料的本構方程(第一、二卷)[M].余天慶等譯.武漢：華中科技大學出版社

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