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关于岩土塑性力学的几点认识

多数工程岩土都处于弹塑性状态因而岩土塑性在岩土工程的设计中

至关重要。早在1773年Coulobm就提出了土体破坏条件,其后推广为

Mohr-Coulobm条件。1857年研究了半无限体的极限平衡,提出了滑移面

概念。1903年Kotter建立了滑移线方法。Fellenius(1929)提出了极限

平衡法。以后TerzaghiSokolovskii又将其发展形成了较完善的岩土滑

移线场方法与极限平衡法。1975年W.F.Chen在极限分析法的基础上又发

展了土的极限分析法,尤其是上限法。国内学者沈珠江也在上述领域作

过不少工作。不过上述方法都是在采用正交流动法则的基础上进行的。

1957年,Drucker等人首先指出了平均应力与体应变会导致岩土材料的

体积屈服,需在莫尔-库仑锥形空间屈服面上再加上一簇帽子屈服面,此

后剑桥大学Roscoe等人提出了剑桥粘土的弹塑性本构模型开创了岩土

实用计算模型。自上世纪60年代至今,岩土本构模型始终处于百家争鸣、

百花齐放的阶段没有统一的理论、屈服条件与计算方法。上世纪70年代

就发现采用一个塑性势面和屈服面很难使计算结果与实际吻合;采用正

交流动法既不符合岩土实际情况还会产生过大的体胀。由此双屈服面与

多重屈服面模型非正交流动法则在岩土本构模型中应运而生。但由于没

有从塑性理论上搞清问题,澄清认识,导致年来的这种混乱状态延续至

今。

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:二是针对不同岩土不同工况发展

了许多新型的本构模型。国内学者作了大量的工作,新发展的广义塑性

力学既适应岩土类摩擦材料,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。软

化损伤模型、非饱和土模型、结构性土模型、细观模型也在不断地发展

与完善。

1.岩土塑性基本理论的一些进展

岩土塑性计算不同于弹性力学与传统塑性力学，主要在于理论不

统一，屈服条件取决于建模者经验而不是完全由试验确定，由此导致计

算结果不惟一。因而如何统一理论，如何客观确定屈服条件，是研究岩

土塑性的关键问题。

自上世纪70年代以来，人们已逐渐认识到单屈服面理论不能反映

应力增量对塑性应变增量方向的影；响关联流动法则不适用岩土，采用

关联流动法则会出现过大的剪胀。但由于没有弄清内在力学关系提出的

非关联法则，仍然具有随意假设势面的缺点。

近年来，作者与我国学者沈珠江、杨光华等人在剖析经典塑性力

学假设条件基础上建立了广义塑性理论【1,2】，从理论上较好地解决

了上述问题。

经典塑性力学的假设之一是采用了传统塑性势，也就是弹性势理

论。按此，各塑性应变增量的分量互成比例，而岩土材料各塑性应变增

量分量不成比例，在双届服面与多重屈服面理论中对传统塑性位势理论

作了修正，尤其是杨光华应用张量定律导出了广义塑性位势公式【3】:

由上可见,广义塑性力学是分量理论,此时塑性应变增量的方向不仅与

应力有关,还与应力增量有关。

经典塑性力学的假设之二是采用关联流动法则,而岩土材料不适

合关联流动法则,即塑性势面与屈服面不同。其实塑性应变增量矢量的

方向由塑性势面确定,而大小由屈服面确定。可见塑性势面与屈服面必

然相关,但相关只要求塑性势面与屈服面两者相应,并不要求两者一定

相等。例如求塑性应变增量分量，其塑性势面的法线必为方向(即

p应力方向);与此相应的屈服面的硬化参量必为,屈服面可写成

,按屈服面定义,它就是的等值面,即方向的分量屈服面,

一般称作体积屈服面。同理,相应塑性势q方向的屈服面为q方向的剪切

屈服面,相应塑性势方向的剪切屈服面为.

经典塑性力学假设之三是没有考虑主轴旋转所产生的塑性应变,

对于动力问题更应考虑主轴旋转所产生的塑性变形。国外在这方面作了

较多工作尤其是日本Masouka作了不少试验与计算。国内刘元雪及作者

通过应力分解把应力增量分解为共轴应力分量与旋转应力分量(即应力

主轴