土力學(xué)學(xué)術(shù)論文

　　隨著社會(huì)的高度現(xiàn)代化，土力學(xué)在工程上的應(yīng)用范圍越來越廣，人類對(duì)土力學(xué)的研究也更加的深入。下面是小編精心推薦的土力學(xué)學(xué)術(shù)論文，希望你能有所感觸!

　　土力學(xué)學(xué)術(shù)論文篇一

　　巖土塑性力學(xué)

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

　　關(guān)鍵詞：巖土塑性力學(xué);廣義塑性力學(xué)

　　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(shè)計(jì)中至關(guān)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(chǎng)方法與極限平衡法。1975 年，W.F.Chen在極限分析法的基礎(chǔ)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(dòng)法則的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。滑移線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(jì)50年代開始，人們致力于巖土本構(gòu)模型的研究，力求獲得巖土塑性的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，再結(jié)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(dòng)法則在巖土本構(gòu)模型中應(yīng)運(yùn)而生。真正的土力學(xué)必須建立在符合土本身特性的本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，而本構(gòu)模型的建立必須有符合巖土材料變形機(jī)制的建模理論。巖土塑性力學(xué)是一門新興學(xué)科，也是建立巖土本構(gòu)模型的基礎(chǔ)。[2-4]

　　2、土木工程材料本構(gòu)方程綜述

　　土木工程材料的本構(gòu)行為一直工程技術(shù)界和力學(xué)學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一，其研究熱度之所以長(zhǎng)盛不衰，一方面是由于它涉及工程的安全性，事關(guān)重大;另一方面是因其機(jī)理復(fù)雜、個(gè)性突出，極富挑戰(zhàn)性。[5]

　　土體本構(gòu)關(guān)系比金屬材料更加復(fù)雜，在本構(gòu)分析時(shí)，更加需要強(qiáng)化試驗(yàn)測(cè)試和理論研究、科學(xué)的確定材料參數(shù)、合理的構(gòu)建實(shí)用的本構(gòu)模型，并通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的驗(yàn)證使其不斷完善。土的非線性彈性本構(gòu)模型有兩個(gè)具有代表性：一個(gè)是國內(nèi)土工界常用的Duncan-Chang模型(1970.1980)，另一個(gè)是計(jì)入球張量和偏張量交叉效應(yīng)的沈珠江模型(1986)。土的彈塑性本構(gòu)分析和建模既要置于彈塑性理論框架之內(nèi)，又要緊密結(jié)合土體工程實(shí)際，突出其主要特性，反映其個(gè)性特征。土的彈塑性本構(gòu)模型最常用的是修正的劍橋模型。

　　3、巖土塑性力學(xué)原理綜述

　　經(jīng)典塑性力學(xué)是以金屬材料為研究主體，在建立金屬材料本構(gòu)關(guān)系和分析金屬材料相關(guān)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(xué)一樣，塑性力學(xué)也是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一個(gè)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(xué)性質(zhì)的本構(gòu)方程。前兩類方程與材料性質(zhì)無關(guān)，因此普遍適用。塑性力學(xué)與彈性力學(xué)的主要區(qū)別在于第三類方程不同。經(jīng)典塑性力學(xué)只適應(yīng)于金屬材料，當(dāng)用于巖土類摩擦材料時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一些不符合實(shí)際的情況，理論計(jì)算結(jié)果與土工試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)諸多矛盾。因而巖土塑性力學(xué)既要吸收經(jīng)典塑性力學(xué)中采用的基本解題方法，又需要對(duì)經(jīng)典塑性力學(xué)進(jìn)行必要的改造，使之適應(yīng)巖土材料的變形機(jī)制。

　　巖土材料進(jìn)入塑性狀態(tài)后，應(yīng)變不僅取決于應(yīng)力狀態(tài)，而且還取決于應(yīng)力歷史，因此，一般無法建立應(yīng)變?nèi)颗c應(yīng)力全量的關(guān)系。增量理論將整個(gè)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(gè)微小增量加載過程中應(yīng)變?cè)隽颗c應(yīng)力增量之間的關(guān)系，再沿加載路徑依次積分應(yīng)變?cè)隽孔罱K的應(yīng)變。增量理論能夠反映應(yīng)力歷史的相關(guān)性，但數(shù)學(xué)處理相對(duì)比較復(fù)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(gòu)方程通常采用應(yīng)力與應(yīng)變的時(shí)間率形式表達(dá)，其假定材料本構(gòu)關(guān)系是率無關(guān)的，即不受時(shí)間的影響，因此采用應(yīng)力與應(yīng)變的增量形式表達(dá)。

　　4、有限元法綜述

　　有限單元法(FEM，簡(jiǎn)稱有限元法)是將微分方程(組)簡(jiǎn)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(zhì)力學(xué)中場(chǎng)問題近似解得一個(gè)強(qiáng)有力的方法，這種方法利用未知量的試探函數(shù)將勢(shì)能泛函近似化來進(jìn)行求解。1960年Clough把這種解決彈性力學(xué)問題的方法定義為有限元法，與此同時(shí)，中科院馮康教授提出了一個(gè)高效能的求解復(fù)雜偏微分方程組問題的計(jì)算方法，這種方法特別適用于解決大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)工程和固體力學(xué)問題，在此時(shí)期，馮康教授的研究小組在完成幾個(gè)大型水壩應(yīng)力計(jì)算中就應(yīng)用了這一方法。20世紀(jì)60年代后，F(xiàn)EM應(yīng)用于各種力學(xué)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(yīng)用和發(fā)展。

　　有限元法已成為求解復(fù)雜巖土工程問題的有力工具，在求解彈塑性問題和流變、動(dòng)力、非穩(wěn)態(tài)滲流等時(shí)間相關(guān)問題，以及溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的耦合問題等復(fù)雜的非線性問題的效能使其成為巖土工程領(lǐng)域中應(yīng)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(jié)構(gòu)-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(nèi)進(jìn)行離散。為了使離散不會(huì)產(chǎn)生大的誤差，必須取足夠大的計(jì)算范圍，并使假定的外邊界條件盡可能的接近真實(shí)狀態(tài)。理論分析和計(jì)算實(shí)踐表明，當(dāng)由于結(jié)構(gòu)或者工程巖土體某一部位開挖卸荷時(shí)，對(duì)周圍土體的應(yīng)力及位移有明顯影響的范圍大約是開挖或者結(jié)構(gòu)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。考慮到有限元離散誤差和計(jì)算誤差，為了保證必要的計(jì)算精度，計(jì)算范圍應(yīng)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(yuǎn)的外邊界位移設(shè)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(shí)際的無限域不完全一致，因而都存在誤差。這種誤差會(huì)隨著計(jì)算區(qū)域的減小而增大，并且在靠近外邊界處都比遠(yuǎn)離外邊界的誤差大，此現(xiàn)象稱為邊界效應(yīng)。在用有限元求解巖土工程問題時(shí)必須注意邊界效應(yīng)的影響。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]朱加銘.有限元法與邊界元法，哈爾濱工程大學(xué)出版社.2002年2月

　　[2]丁天彪.數(shù)值計(jì)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(yīng)用，重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)2004.12

　　[4]廖紅建，王鐵行.巖土工程數(shù)值分析.北京：機(jī)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(gòu)方程(第一、二卷)[M].余天慶等譯.武漢：華中科技大學(xué)出版社

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