结构性粘土的微观变形机理和弹粘塑损伤模型研究本文调查了天然粘土中存在的结构性，应用大变形有限元法模拟了土颗粒骨架在内部分子吸力和电荷斥力以及外部荷载作用下的变形和蠕变机理，在此基础上建立了考虑天然粘土变形过程中结构性不断受损的弹粘塑损伤模型，并进行了室内和现场试验，论证了模型的有效性。天然沉积粘土都具有一定的结构性（组构和胶结）和结构强度。
大多数天然粘土的沉积压缩曲线位于重塑土固有压缩曲线的上方，其位置取决于沉积条件和沉积后的作用。天然粘土的沉积压缩曲线、重塑土的压缩曲线可以用孔隙指数来归一化，它清晰地显示出结构性土和重塑土的内在差别。
重塑土反映了土体与自然状态无关的“固有特性”，它提供了一个评估原位自然沉积粘土特性的参考构架。从固结仪压缩曲线更可反映土体受荷后结构性的渐进破坏过程。
考虑小变形分析法在吹填土、软土地基和大位移问题上的局限性，从非线性连续介质力学出发，采用Jaumann应力率和Boit平面固结理论，推导了大变形本构方程。编制了大变形有限元分析程序，比较了大变形Lagrange法（TL 和UL法）与小变形法的差异。
结果表明：当应变小于7％时两者差异很小，只有在应变大于10％时才显示出愈来愈大的差异，这时用小变形法分析会大大高估地基的沉降值；大、小变形法的孔降水压力在应变较小时同步，在应变较大时并不同步，特别是TL法，故大小变形计算法的最终沉降比较应针对完全排水情况才有意义。大变形控制方程是高度非线性方程，经过线性化后，必须使用很小的时间步长，才能取得合理的计算精度和沉降结果。
为了解决大变形条件下多个物体间任意接触、滑移和旋转的模拟问题，提出了点面接触单元。将其与更新的Lagrange大变形有限元法相结合，可以很好的模拟微观土颗粒接触面的胶结、滑动、脱开，新接触的形成和老接触的转向。
然后，用大变形有限元这个工具，研究了土颗粒骨架在双电层的物理化学力和外加荷载作用下的变形过程，揭示了结构性土体发生变形、破坏和蠕变的微观内在机理，为建立结构性土的本构模型提供微观基础。针对过去用重塑土试验建立的本构模型，没能考虑天然土体中存在的结构性，没有描述结构性土从天然原状到加荷破坏的这一过程，建立了一个描述结构性土的弹粘塑损伤模型和参数确定方法。
通过对室内试验的数值模拟表明，提出的弹粘塑损伤本构模型能模拟结构性粘土的拟超固结现象，加荷过程中的变形和孔压，排水蠕变和不排水蠕变，计算结果与试验值符合较好，初步验证了模型的有效性。对长江下游河漫滩深厚软土地基进行了堆土预压试验。
预压前在地基中埋设了沉降标、深层沉降管、测斜管、孔隙水压力计等土工观测仪器，堆土预压过程中对地基的变形和孔隙水压力进行全面观测，以及预压后长达3年的流变观测，为模型的工程验证提供了实测资料。堆土预压试验还表明，对26m厚淤泥质粘土用30m深的塑料排水板是可行的。
编制了结构性粘土的弹粘塑损伤模型有限元程序，对深厚软土地基堆土预压工程进行了数值模拟验证。通过现场钻孔取土和室内外试验，确定了淤泥质粘土层的弹粘塑性损伤模型参数；计算结果与观测结果的一致性表明，建立的弹粘塑损伤模型能很好反映结构性粘上的加荷变形、固结变形和蠕变变形，可用于结构性粘土的工程设计、计算和流变预测。
本项研究由国家自然科学基金资助（批准号：19772019）。
土和冻土的动态力学性能及本构模型研究 概述： 土和冻土是地球表层最常见的材料之一，对于土地利用、地基工程和 天然灾害等方面都具有重要意义。土和冻土在动态加载下的力学性能对于 结构的稳定性和工程设计具有极大的影响。本文将从土和冻土的动态力学 性能及本构模型研究进行阐述。 一、土和冻土的动态力学性能 土和冻土的动态力学性能通常指材料在动力加载下的应力-应变响应，包括动态弹性模量、阻尼比、波速、破坏特性等。土和冻土在动态加载下 的力学性能与其物理和化学特性、孔隙结构、含水状况以及加载方式等有关。具体来说，土和冻土的动力响应是由材料的颗粒间接触、颗粒对墙壁 的撞击和孔隙介质内部的惯性作用引起的。 本构模型是研究物质在固体力学领域中的应力-应变关系的数学描述。土和冻土的本构模型研究是为了揭示他们的力学行为，在工程设计和质量 评价中有很大的应用价值。常见的土和冻土本构模型包括弹性模量模型、 黏塑模型和损伤模型等。 1.弹性模量模型： 弹性模量模型是最简单的土和冻土本构模型之一，它假设土体和冻土 具有线弹性行为。常用的弹性模量模型有弹性模量常值模型和应力路径相 关模型。弹性模量常值模型即假设土和冻土的弹性模量是常数，适用于一 些已知性质的土层或冻土。而应力路径相关模型则将弹性模量与加载路径 相关联，通过比例因子来反映材料的弹性响应。
2.黏塑模型： 黏塑模型是一种描述土和冻土的非线性本构模型。它考虑了土和冻土的黏聚力、内摩擦角、应变硬化、静动态强度比等因素。常用的黏塑模型有Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型和Cam-Clay模型等。这些模型通过引入一些参数来描述土和冻土的可压缩性、抗剪强度和应变软化等特性。 3.损伤模型： 损伤模型用于描述土和冻土在动态加载下的强度破坏和变形性状。损伤模型基于材料的微动和损伤累积过程，描述了土和冻土在破坏前后的力学特性。常见的损伤模型有弹塑性损伤模型、连续损伤模型和非连续损伤模型等。 结论： 土和冻土在动态加载下的力学性能及本构模型研究对于土地利用、地基工程和天然灾害等方面都具有重要意义。研究者通过制定合适的本构模型来描述土和冻土的动态力学性能，为工程设计和质量评价提供了理论支持。未来的研究将继续深化对土和冻土动态力学性能及本构模型的认识，以提高工程设计的准确性和可靠性。
混凝土损伤演化模型研究 一、研究背景及意义 混凝土结构在使用过程中会受到各种外力的作用，从而出现不同程度的损伤。因此，混凝土损伤演化模型的研究对于工程实践具有重要意义。混凝土损伤演化模型是指通过建立数学模型来描述混凝土在受力过程中的物理本质和损伤演化规律。混凝土损伤演化模型的研究可以为混凝土结构的设计、施工、养护和维修提供理论依据，也可以为混凝土结构的健康监测和评估提供技术支持。 二、混凝土损伤演化模型的分类 混凝土损伤演化模型可以分为宏观模型和微观模型两大类。宏观模型是基于连续介质力学原理建立的模型，主要研究混凝土结构的整体力学性能和损伤演化规律。宏观模型可以分为本构模型和损伤本构模型两种。微观模型是基于混凝土微观结构和材料力学原理建立的模型，主要研究混凝土结构的微观力学性能和损伤演化规律。 三、本构模型 本构模型是指在宏观层次上建立的反映混凝土力学性能的数学模型。
本构模型是建立混凝土损伤演化模型的基础。本构模型可以分为线性本构模型和非线性本构模型两种。 1. 线性本构模型 线性本构模型是指混凝土在受力过程中，应力与应变之间的关系是线性的数学关系。线性本构模型适用于混凝土在小应变范围内的力学性能研究。线性本构模型的基本假设是混凝土的弹性模量是恒定的，混凝土的应力应变关系是线性的。 2. 非线性本构模型 非线性本构模型是指混凝土在受力过程中，应力与应变之间的关系是非线性的数学关系。非线性本构模型适用于混凝土在大应变范围内的力学性能研究。非线性本构模型的建立需要考虑混凝土的各种非线性因素，如弯曲、剪切、扭转、压缩、拉伸等。非线性本构模型可以进一步分为弹塑性本构模型和本构模型两种。 四、损伤本构模型 损伤本构模型是指在宏观层次上建立的反映混凝土损伤演化规律的数学模型。损伤本构模型是建立混凝土损伤演化模型的关键。损伤本构模型可以分为线性损伤本构模型和非线性损伤本构模型两种。
第四章土的弹性模型 4.1引言 除渗流问题外，土力学问题可分为两大类，变形问题和稳定问题。经典土力学在变形计算中本构模型采用线性弹性模型，即广义虎克定律，在稳定分析中采用刚塑性模型。计算机，计算方法和土工测试技术的发展，为运用较复杂的应力应变关系分析工程问题提供了可能性。在工程实践的推动下，土的本构理论研究近二十余年来得到了迅速的发展。 实际工程中土的应力-应变关系是很复杂的，具有非线性，弹塑性，粘塑性，剪胀性，各向异性等性状，同时应力路径，强度发挥度以及土的组成、结构、状态和温度等均对其有影响。事实上，没有任何一种模型能考虑所有这些影响因素，也没有任何一种模型能够适用于所有土类和加载情况。土的本构理论研究目前有两种倾向，一种是为了建立用于解决实际工程问题的实用模型，另一种是为了进一步揭示土体某些应力应变特性的内在规律比较精细的理论模型。 众所周知，在测定土的参数的室内外试验中，取土和运输过程中对土样的扰动，试验边界条件和实际工程中的差异，以及取样的代表性等造成的误差使得通过试验难以测定精细模型的所需测定的参数。另外，应用精细模型的计算方法还有待进一步研究。鉴于上述两方面原因，比较实用的方法是结合具体工程选用既能考虑影响应力应变关系的主要因素，又能在参数的确定和计算方法的处理上均不太复杂的简化模型。对不同类别的土，对不同类型的岩土工程问题，分别建立不同的工程实用模型。 土的本构模型大体上可分为弹性模型、弹塑性模型、粘弹塑性模型、内时塑性模型以及损伤模型等几类。本章简要介绍弹性模型，其它类型的本构模型在以后几章中陆续加以介绍。 弹性模型中最简单的是线性弹性模型。为了考虑土体变形性状的非线性、各向异性以及非均质性，人们采用拟合试验曲线法，例如用双曲线函数、样条函数等拟合实验曲线，应用变模量的概念对线性模型进行修正。提出的各种弹性模型相互间关系如图4-1所示。非线性弹性模型也可以分为三类；Cauchy弹性模型、超弹性模型（hy-perelastic model）和次弹性模型（hypoelastic model）。
土体的结构性，是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式(或称组构)及颗粒之间的相互作用。绝大多数天然土都有一定的结构性，软土由于特定的历史条件和矿物成分，同样具有结构性，其结构类型有着自身的特点。这种结构性对土的工程性质有强烈的影响。结构性软土具有结构强度。因此，它呈脆性破坏，其破坏应变较小。在工程中，结构性土地基往往会在缺乏预兆情况下，产生突然性破坏。研究软土的结构性，从而对软土地区的结构物的设计、地基加固设计有着重要意义。沈珠江认为土的结构性是影响土力学特性诸要素中一个最为重要的要素，被认为是“21世纪土力学的核心问题”。本文主要从宏观力学试验出发，制作SEM 图像并对其进行分析、研究。研究结构性原状软土变化特性，其主要研究成果有如下几点：（1）收集了珠江三角洲地区158个原状软土的物理力学指标数据，对指标的变化范围、变异性、指标间的相互关系和各指标的统计分布规律进行研究。研究的结果表明：不同地方的软土的物理力学性质差异较大；各参数与含水量w、孔隙比e存在一定的关系；天然密度ρ、干密度ρd、液限wL、塑限wp、塑性指数Ip、无侧限抗压强度qu和灵敏度St服从正态分布；含水量、孔隙比和粘聚力C服从近似正态分布；饱和度Sr、比重Gs、渗透系数Kv、压缩系数a v1-2、压缩模量Es1-2和内摩擦角ф为非正态分布。研究的结果对在软土工程有着重要意义。（2）通过固结压缩试验，采用3种不同的方式对结构性原状土和重塑土的结构性参数、压缩特性进行研究。结果显示结构性对软土压缩特性影响较大；结构性参数mp>1，当荷载较大时，mp≈1；原状土和重塑土的压缩系数在加载初期有较大的区别，随着荷载的增加，原状土的压缩系数逐渐趋于重塑土的压缩系数。由SEM图片显示了土样压缩的变化过程。（3）针对同一地段的50个原状土样的试验数据进行统计分析，得出孔隙比、含水量、密度、干密度是影响软土压缩特性的重要因素。通过原状土和重塑土一维固结压缩试验，对固结系数、压缩系数、压缩模量进行分析，得出结构性对软土压缩特性有较大的影响。给出了压缩特性的微观行为，提出了作者自己的一些观点。（4）通过三轴的固结不排水和不固结不排水试验，研究了结构性软土在不同的围压下的应力－应变关系，应力路径对结构性软土的影响以及孔隙水压力的变化规律。（5）论文分别从制备土样、制备拍照样品、SEM图像的拍摄、数字图像处理等方面介绍了软粘土微观分析操作步骤。运用MATLAB对SEM图像的灰度直方图、图像阈值分割和边缘检测进行分析。探讨阈值分割和边缘检测算子对SEM图像的影响。介绍了IPP专业图像分析软件对SEM图像进行测量方法与技巧。（6）采用IPP软件分别对颗粒的面积、颗粒的平均形状系数和孔隙的面积、孔隙的平均形状系数、孔隙的个数、孔隙的等效直径、面孔隙比、面孔隙度、孔隙的圆度、孔隙的定向频率等方面分析了随荷载的变化规律。（7）考虑软土的结构性，引入损伤比概念，对邓肯－张模型进行修正。修正后的模型能够更好的反映结构性软土的应力－应变关系。探讨了结构性软土的应变软化和应变硬化的变化规律，从而得出不同的阶段有着不同的初始弹性模量和K、n值。（8）鉴于土结构的不确定性及其力学性状的非线性表现，采用BP神经网络模型建立结构性参数的非线性模型是一种可行的办法。研究了结构性参数与结构特征参数间的关系。结果表明孔隙总面积、孔隙平均孔径、孔隙圆度与结构性参数有较强的相关性，而孔隙分维数、颗粒总面积、颗粒平均孔径与之则较差。
混凝土材料的弹粘塑性损伤本构模型研究 本文研究了混凝土材料的弹粘塑性损伤本构模型，以下是本文的主要内容： 一、损伤概念及损伤本构模型 1、什么是损伤？ 损伤是指材料由于受力产生的本征变化，使材料的力学性能出现不可逆的变化从而造成的本性问题。 2、损伤本构模型是什么？ 损伤本构模型是指通过根据材料受力的变形情况，以及数学方法，把材料的损伤进行建模，以及计算材料的力学性能随着损伤而变化的过程。 二、混凝土材料的弹粘塑性损伤本构模型 1、弹粘塑性损伤本构模型基本原理 弹粘塑性损伤本构模型是损伤本构模型的一种，它建立在指数型损伤守恒定律的基础上，指数型损伤守恒定律表明，材料受到的拉伸或压缩应力在非稳态加载或复杂荷载下是不断变化的，在一定的应力范围内材料的延性一定，超出这个应力范围材料的延性随着应力的增加而逐渐减少，当应力达到一定值时材料的损伤不可逆，且其开始脱粘，从而形成断裂。
2、混凝土材料的弹粘塑性损伤本构模型 混凝土材料是一种具有较高粘度的凝固体，其刚度和弹性属中等，也 是结构材料中应用最广泛的材料，其特有的弹粘塑性对它的损伤本构 模型来说非常重要。通常混凝土损伤本构模型采用的是弹粘塑性模型，它把混凝土的损伤行为分成三个阶段：弹性阶段，粘性阶段和损伤阶段。在弹性阶段，当受力大于某一阈值时，混凝土开始失去它的原始 弹性，进入粘性阶段。在这个阶段，应力逐渐增长，但变形率保持不变，直到进入损伤阶段，受力过大，导致材料发生断裂。 三、结论 混凝土材料的弹粘塑性损伤本构模型是混凝土材料从数理模型的角度 去深入分析混凝土的损伤行为，计算得出材料的损伤模量，从而研究 材料的力学行为，为了让混凝土结构物更加安全可靠。
第九章损伤模型 9 . 1 引言 1958 年Kachanov 在研究金属蠕变破坏时，首次用“连续性因子”和“实际应力”（在损伤力学中常称为有效应力，在土塑性力学中为避免与有效应力原理中的有效应力相混淆，故改称为实际应力）的概念反映材料的损伤，标志着损伤力学研究的开始。后米Rabotnov 引人了“损伤因子”的概念。20 世纪70 年代中后期，各国学者相继采用连续介质力学的方法，把损伤因子作为种场变量，并称为损伤变量，逐步形成了损伤理论的框架和基础。损伤理论可分为能量损伤理论和几何损伤理论。能量损伤理论是以连续介质力学和热力学为基础，将损伤过程视为不可逆的能量转换过程，由自由能和耗散势导出损伤本构方程和损伤演变过程。几何损伤理论认为材料的损伤是由材料的微缺陷所造成的，材料损伤程度的大小和损伤的演变与材料中的微缺陷的性状有关。将材料损伤的几何描述和等价应力的概念相结合，可以发展本构方程和损伤演变方程。 采用损伤理论分析一般可分为下述四个阶段： （1）选择合适的损伤变量； （2）建立损伤演变方程； （3）建立考虑材料损伤的本构方程； （4）根据初始条件和边界条件求解。 材料损伤与材料变形密切相关。材料损伤按材料变形的性质和形态可分为下述几类： （1）弹性损伤； （2）弹塑性损伤； （3）蠕变损伤； （4）疲劳损伤； （5）剥落损伤或称动力损伤； （6）其它类型的损伤。 最近几年，国内外学者开展了大量研究工作，将损伤理论应用于金属材料、钢筋混凝卜材料、复合材料和岩土材料的分析。在土力学领域，沈珠江和章为民
（1988 ）将损伤的概念应用于上力学，并建议了土休损伤力学模型的墓本框架。沈珠江（1993 ）还发展了个可以考虑土结构破坏过程的损伤模刑。张土乔（1992 ）借鉴混凝土的弹脆性损伤模型建立了水泥土的弹脆性损伤模型。童小东（1998 ）根据水泥土的应变硬化规律和损伤硬化规律建立了水泥土弹塑性损伤本构模型和损伤演化规律。损伤理论在岩土材料、金属材料和复合材料中的应用研究正日趋活跃。 9 . 2 基本概念 下面介绍损伤模型中常用的几个基本概念： 1 ．损伤变量 用损伤理论分析材料受力后的性状，首先要选择恰当的损伤变量来描述材料的损伤状态。材料的损伤可以从微观和宏观两方面选择变量基准。从微观方面，可以选用孔隙的数目、长度、面积和体积；从宏观方面可以选择弹性系数、屈服应力、拉伸强度、密度等。从热力学的观点看，损伤变量是一种内部状态变量，它能反映物质结构的不可逆变化过程。 现举例说明：图9 -1 为一损伤物体的截面，A 代表截面的总面积，A D 代表损伤和缺陷的面积，A E 代表除去A D 后承受外力的有效而积，n 为截面的法线力向。定义n 力向的损伤变量为 D E n A A A A A ω-== （9.2.1） 式9.2.1也可写成下述形式 ()1E n A A ω=- （9.2.2） （a ） （b ）
第七章 粘弹塑性模型的基本概念 7 . 1 引言 为了描述土体应力一应变关系受时间的影响，需要采用与时间有关的类模型（如粘弹胜模酬、粘塑性模型，粘弹塑隆模型）来描述土的性状。 弹性、塑性和粘性是连续介质的三种基本性质，各在定条件F 独自反映材料本构关系的一个方面的特性。理想弹性模型、理想塑胜模型（或称刚塑性模型）和理想粘性模型是反映这三种性质的理想模型，通常称为简单模型。实际工程材料的本构关系可以用这些简单模型的各种组合来构成。 理想弹性模型又称虎克弹性模型，通常用理想弹簧表示（图 7-1( a )）。其本构方程为虎克定律。一维条件下，如单轴压缩和纯剪清况下，表达式分别为： E σε= （7.1.1） G τγ= （7.1.2） 式中E —— 弹性模量、 G ——剪切模量。 剪切模量与弹性模量和泊松比的关系如下式所示： () 21E G ν=+ （7.1.3） 式中 ν ——泊松比。 三维条件下本构方程可表示为下述形式： m K νσε= （7.1.4） 式中 K ——体积弹性模量。 （a ） （b ） 图7-1 理想弹性模型
体积弹性模量与弹性模量和泊松比的关系如下式所示： () 312E K ν=- （7.1.6） 理想粘性模型又称牛顿粘滞体模型。通常用一粘壶（或称阻尼器）表示（图7-2 ( a ) ）。粘壶内充满粘滞液体和一个可移动的活塞。活塞在粘滞液体中的移动速度与所受阻力成正比关系，反映了粘性介质内一点的应力与该点处应变速率成正比例关系的性质。一维条件如单轴压缩或纯剪情况下，表达式分别为： σϕε= （7.1.7） τηγ= （7.1.8） 式中 ϕ、η ——粘滞系数。 由上两式可以看出，从数学表达的形式上与理想弹性体单轴压缩和纯剪时的本构方程相类似。 与理想弹性体的方程相对应，类似式7.1.3，存在下述关系： ()*21ϕ ην=+ （7.1.9） 式中 *ν ——粘性应变速率的横向比值。 （a ） （b ） 图7-2 理想粘性模型 理想粘性体的体积变化与形状变化速率无关， 即不具有体积粘性。因此，*ν应等于0.5 。于是式7.1.9成为： 3ϕη= （） 这与弹性不可压缩时的E=3G 相对应。 在三维条件下理想粘性体本构方程可表示为：
混凝土材料的弹粘塑性损伤本构模型研究 李静;翟泽冰 【摘要】From the Perzyna viscoelasto-plastic constitutive model, considering the damages of concrete material, this paper deduced the con-crete elastic viscoelasto-plastic damage constitutive model, through the related documents listed experimental data comparison, verified the appli-cability of calculation model, pointed out that the model could response the different tensile and compressive properties of concrete material, the strain rate sensitivity of concrete material, the influence of hydrostatic pressure and intermediate principal stress, had certain practical value.%从Perzyna弹粘塑性本构模型出发，考虑混凝土材料的损伤，推导提出了混凝土弹粘塑性损伤本构模型，通过与相关文献所列实验数据比较，验证推求了所得模型的适用性，指出该模型能够反映出混凝土材料不同的拉压性能、混凝土材料的应变率敏感性、静水压力及中间主应力的影响，具有一定的实用价值。 【期刊名称】《山西建筑》 【年(卷),期】2014(000)028 【总页数】2页(P121-122) 【关键词】混凝土;弹粘塑性;动力本构模型 【作者】李静;翟泽冰 【作者单位】江西省水利规划设计院，江西南昌330029;江西省水利规划设计院，江西南昌 330029
混凝土损伤因子的定义 BY lizhenxian27 1 损伤因子的定义 损伤理论最早是1958年Kachanov提出来用于研究金属徐变的。所谓损伤，是指在各种加载条件下，材料内凝聚力的进展性减弱，并导致体积单元破坏的现象，是受载材料由于微缺陷(微裂纹和微孔洞)的产生和发展而引起的逐步劣化。损伤一般被作为一种“劣化因素”而结合到弹性、塑性和粘塑性介质中去。 由于损伤的发展和材料结构的某种不可逆变化，因而不同的学者采用了不同的损伤定义。一般来说，按使用的基准可将损伤分为: (1) 微观基准量 1,空隙的数目、长度、面积、体积; 2空隙的形状、排列、由取向所决定的有效面积。 (2) 宏观基准量 1、弹性常数、屈服应力、拉伸强度、延伸率。 2、密度、电阻、超声波波速、声发射。 对于第一类基准量，不能直接与宏观力学量建立物性关系，所以用它来定义损伤变量的时候，需要对它做出一定的宏观尺度下的统计处理(如平均、求和等)。 对于第二类基准量，一般总是采用那些对损伤过程比较敏感，在实验室里易于测量的量，作为损伤变量的依据。 由于微裂纹和微孔洞的存在，微缺陷所导致的微应力集中以及缺陷的相互作用，有效承载面积由A减小为A’。如假定这些微裂纹和微孔洞在空间各个方向均匀分布，A’与法向无关，这时可定义各向同性损伤变量D为 D= ( A- A’ )/ A 事实上，微缺陷的取向、分布及演化与受载方向密切相关，因此材料损伤实际上是各向异性的。为描述损伤的各向异性，可采用张量形式来定义。损伤表征了材损伤是一个非负的因子，同时由于这一力学性能的不可逆性，必然有
0d D d t ≥ 2有效应力 定义Cauchy 有效应力张量' σ ''//(1)A A D σσσ==- 一般情况下，存在于物体内的损伤(微裂纹、空洞)是有方向性的。当损伤变量与受力面法向相关时，是为各向异性损伤;当损伤变量与法向无关时，为各向异性损伤。这时的损伤变量是一标量。 3等效性假设 损伤演化方程推导一般使用两种等效性假设，一种是应变等效性假设，另一种是能量等效性假设。采用能量等效性假设可以避免采用应变等效假设而使得各向异性损伤模型中的有效弹性矩阵不对称的问题.以下对两种假设进行简要的介绍。 (1) 应变等效性假设 1971年 Lematire 提出，损伤单元在应力σ作用下的应变响应与无损单元在定义的有效应力'σ作用下的应变响应相同。在外力作用下受损材料的本构关系可采用无损时的形式，只要把其中的Cauchy 应力简单地换成有效应力即可。在一维线弹性问题中，如以ε表示损伤弹性应变则 ''00(1)E E D E σσσε= ==- 由此可得0(1)E D σε=- (2)能量等效性假设 Sidiroff 的能量等价原理，应力作用在受损材料产生的弹性余能与作用在无损材料产生的弹性余能在形式上相同,只要将应力改为等效应力，或将弹性模量改为损伤时的等效弹性模量即可。 无损伤材料弹性余能：
得分：_______ 南京林业大学 研究生课程论文 2014～2015学年第2学期 课程号：PD06005 课程名称：高等土力学 论文题目：土的结构性文献综述 学科专业：建筑与土木工程 学号： 姓名： 任课教师： 二○一五年六月
土的结构性文献综述 摘要：近年来，土结构性的重要性日显突出，研究也不断加深，本文回顾了土结构性研究发展的历程，并介绍了微结构、固体力学土结构性研究方法。 关键词：土结构性;历史历程;本构模型;微结构; 0 前言 近年来，土的结构性研究引起了人们的广泛关注。从广义上讲，土都具有结构性，土结构性的强弱是与土的先期固结压力、沉积时间、沉积条件以及土的物理化学成分等相关的。土的结构性是指土结构的力学效应，即受力时土的结构与其力学行为的相互影响。如在对粘性土原状样（有结构性的土）和重塑样（丧失结构性的土）的室力学试验时发现，原状样和重塑样的力学性质差异较大，主要表现在:（1）班压缩曲线上原状样有明显的结构屈服点，而重塑样压缩曲线基本为一直线；（2）巨轴剪切试验中，原状样的应力应变曲线上有明显的结构屈服应力点，而重塑样没有；（3）源状样在应力低于结构屈服应力时，固结系数基本为一常数，而当应力增加到结构屈服应力附近时，固结系数急剧降低，最后趋近于重塑样的固结系数；（4）巨轴剪切试验中，原状样的抗剪强度包线呈折线型，而重塑样为一直线。以上这些特性均表明了土结构性对土的力学性质是有较大影响，所以用传统通过饱和扰动土和砂土发展起来的土本构模型是很难反映结构性土的力学性态的，其计算所得的结果必然与实际情况相差甚远。 1 土结构性概念 土的结构性是指土中颗粒或土颗粒集合体以及它们之间的孔隙的大小、形状、排列组合及联结等综合特征。因此土的结构性除了应包括土的骨架和孔隙的几何特征（即土颗粒和孔隙的大小、多少、形状和分布等）外，从土力学的角度考虑还应包括颗粒之间的联结特征.如果将孔隙看作是反映颗粒排列的一个方而，那么土的结构性就应该包括土中颗粒的排列特征（几何特征）和联结特征（力学特征）。 2 土结构性研究意义
混凝土损伤塑性模型应用研究 混凝土作为最常见的建筑材料之一，广泛应用于各种结构和工程中。然而，混凝土材料在服役过程中常常会遭受各种损伤，如裂缝、剥落、钢筋锈蚀等，这些损伤累积会导致结构的性能下降，严重时甚至会导致结构失效。因此，对混凝土损伤进行研究具有重要的现实意义。混凝土损伤塑性模型是一种用于描述混凝土材料在复杂应力状态下损 伤演化过程的数学模型，对于预测混凝土结构损伤扩展、评估结构安全性以及优化结构设计具有重要意义。 混凝土损伤塑性模型是基于混凝土材料的微观结构和力学特性建立的，用于描述混凝土在复杂应力状态下的损伤演化过程和塑性行为。该模型具有以下特点： 考虑了混凝土的多种损伤机制，如裂缝扩展、微裂纹聚集、钢筋锈蚀等； 结合了混凝土的细观结构和宏观性能，考虑了材料的不均匀性和各向异性； 可以用于分析混凝土在复杂应力状态下的行为，包括拉伸、压缩、剪切等；
能够对混凝土的损伤演化进行定量预测，并提供损伤演化过程的可视化结果。 然而，混凝土损伤塑性模型也存在一定的局限性： 模型的参数较多，且需要通过试验进行确定，这增加了模型的应用难度； 模型的精度和可靠性受参数确定方法的影响较大，需要采用可靠的试验和数值模拟方法； 模型主要针对混凝土材料的宏观性能进行分析，难以对微观结构的变化进行描述。 混凝土损伤塑性模型在混凝土结构损伤检测、结构安全性评估和结构设计等领域得到了广泛应用。以下是几个典型的应用研究案例： 混凝土结构损伤检测：通过应用混凝土损伤塑性模型，对结构进行有限元分析，可以识别出结构中的损伤部位，并对其扩展趋势进行预测。这种方法可以为结构的实时监测和维修提供有力支持。 结构安全性评估：在桥梁、隧道等结构的安全性评估中，混凝土损伤塑性模型可以用于分析结构在复杂荷载下的损伤演化过程，评估结构
4.5.2 混凝土塑性损伤模型ABAQUS ABAQUS 材料库中也包括分析混凝的其它模型如基于弥散裂纹方法的土本构模型。他们分别是在ABAQUS/Standard “An inelastic constitutive model for concrete,” Section 4.5.1, 中的弥散裂纹模型和在ABAQUS/Explicit, “A cracking model for concrete and other brittle materials,” Section 4.5.3中的脆性开裂模型。 混凝土塑性损伤模型主要是用来为分析混凝土结构在循环和动力荷载作用下的提供一个普遍分析模型。该模型也适用于其它准脆性材料如岩石、砂浆和陶瓷的分析；本节将以混凝土的力学行为来演示本模型的一些特点。在较低的围压下混凝土表现出脆性性质，主要的失效机制是拉力作用下的开裂失效和压力作用下的压碎。当围压足够大能够阻止裂纹开裂时脆性就不太明显了。这种情况下混凝土失效主要表现为微孔洞结构的聚集和坍塌，从而导致混凝土的宏观力学性质表现得像具有强化性质的延性材料那样。 本节介绍的塑性损伤模型并不能有效模拟混凝土在高围压作用下的力学行为。而只能模拟混凝土和其它脆性材料在与中等围压条件（围压通常小于单轴抗压强度的四分之一或五分之一）下不可逆损伤有关的一些特性。这些特性在宏观上表现如下： ∙单拉和单压强度不同，单压强度是单拉强度的10倍甚至更多； ∙受拉软化，而受压在软化前存在强化； ∙在循环荷载(压)下存在刚度恢复； ∙率敏感性，尤其是强度随应变率增加而有较大的提高。 概论 混凝土非粘性塑性损伤模型的基本要点介绍如下： 应变率分解 对率无关的模型附加假定应变率是可以如下分解的： 是总应变率，是应变率的弹性部分，是应变率的塑性部分。 应力应变关系 应力应变关系为下列弹性标量损伤关系： 其中是材料的初始（无损）刚度，是有损刚度，是刚度退化变量其值在0（无损）到1（完全失效）之间变化，与失效机制（开裂和压碎）相关的损伤导致了弹性刚度的退化。在标量损伤理论框架内，刚度退化是各向同性的，它可由单个标量d来描述。按照传统连续介质力学观点，有效应力可定义如下： Cauchy应力通过标量退化变量（d）转化为有效应力
土的粘弹塑性模型的研究 1、引言 在我国东部沿海地区，相当一部分土具有显著的流变特性，经过大量的现场量测和室内试验也表明了土的这一特性。在土的流变理论研究方面，前人都作了大量的探索和讨论，研究表明，土的流变性质主要与土的颗粒排列结构有关，土的强度在很大程度上取决于土体接触面以及粘土颗粒间的内摩擦和粘聚力，在土体的蠕变过程中由于土颗粒发生位移，改变了土体原有的应力状态，从而导致土体强度的降低。本文进一步探讨土体颗粒间粘聚力和内摩擦在土体发生流变过程中的作用，并建立土的粘弹塑性本构模型，以描述土体在流变过程中蠕变加速阶段和应力松弛阶段的特征。 2、土体的理想粘弹塑性模型 流变性质是土的一个重要工程性质，主要与土体的应力应变以及时间密切相关。在不同应力条件下土体的理论蠕变曲线（如图1所示），可以将蠕变分为四个不同的阶段，从图中可知蠕变过程随应力不同而不同。 图1 土的蠕变曲线 在土的蠕变曲线中，在恒定的应力（σ=σ0）作用下，曲线a 中的OA 段为土体加载后瞬时产生的弹性应变，即为瞬时变形阶段；AB 段是随着时间的增长产生的初期蠕变，其变形速率由大逐渐减小，直至趋于某一常量，这一阶段的历时通常较短，该阶段称为蠕变的非稳定阶段或过渡阶段 ；在BC 段，应变速率保持为常量，呈定值稳定状态，历时一般较长，时间主要取决于施加的应力水平，该阶段为稳态蠕变或等速蠕变；CD 段为蠕变的渐变阶段，是土体破坏前的应变速率呈加速增长的蠕变阶段。 从BC 阶段，土体开始存在不可恢复的粘塑性变形。 由于当应力较小时，土体不存在蠕变，如图1曲线b 所示，本文提出一种新的V 元件，其中εs 是无限小值，此时的应力应变关系为： 00()t t ε⎧⎫>=⎨ ⎬ ⎩⎭任意值 0 t t t>t σσσσσ≥s1 s1 当（）<当（），（）=0 （1）
微观塑性变形理论及其应用研究 1. 前言 微观塑性变形理论是固体力学中最基础和重要的理论之一，对 于材料工程、力学、物理、材料科学等领域具有重要的意义。塑 性变形与微观结构紧密相关，在材料的应用过程中，了解材料的 塑性变形规律和机理，能够为材料的制备和应用提供基础和帮助。 因此，本文将对微观塑性变形理论及其在材料工程中的应用进 行综述，并讨论未来微观塑性变形理论研究的方向和关注点。 2. 微观塑性变形理论基础 2.1 晶体塑性变形理论 在晶体的塑性变形学中，晶体中的位错扮演着重要的角色。位 错是由晶体缺陷引起的，具有与原子间距相同的长度缺陷。沿着 位错线，原子序列存在错位，形成了一条“面包屑”状的结构。 晶体中的位错主要分为线状和面状。线状位错是指在晶体中不 同方向晶粒的交界处，相邻晶体原子序列错位所构成的一条线状 缺陷；面状位错是指晶体中沿晶面错位的缺陷。 位错在晶体中具有以下作用：1）可以容许晶体变形，2）能够 造成宏观形变，3）可以提高材料的强度。 2.2 塑性变形的本构关系
本构关系是描述材料应力和应变之间的关系的理论模型。对于 塑性材料来说，塑性变形就是材料产生塑性应变的实现过程，也 是弹塑性本构关系的一部分。弹塑性本构关系是由弹性和塑性两 个本构模型组合起来的。 塑性变形的本构关系通常用流动应力与应变速率之间的关系来 表示。流动应力是材料中的力，可以表征材料抵抗变形所需要的力；应变速率则是材料中变形的速度，可以反映材料变形的程度。塑性变形的本构关系就是通过流动应力和应变速率之间的关系来 描述塑性变形。 3. 微观塑性变形理论在材料工程中的应用 3.1 新型材料的精细化设计 微观塑性变形理论是实现新型材料精细化设计的重要理论基础。通过对材料微观结构进行深入的研究，可以为材料的工程应用提 供基础和帮助。 以金属材料为例，对于新型金属材料的设计，可以采用纳米晶 技术来提高金属材料的强度和塑性。纳米晶技术可以通过控制晶 体粒度和晶界能来实现材料性能的优化。通过对晶体结构和位错 滑移机制的研究，可以促进新型材料的精细化设计和制备。 3.2 工程应用中的塑性变形研究
工程力学中材料损伤模型及评估方法研 究 引言： 工程力学是研究物体受力和变形的学科，广泛应用于航空航天、土木工程、材料科学等领域。在工程实践中，材料的损伤是一个重要的问题，因为材料在受力过程中可能会发生破损、裂纹、疲劳等现象，进而影响结构的安全性和可靠性。因此，研究材料损伤模型和评估方法对于工程力学的发展具有重要意义。 一、材料损伤模型的研究 1. 断裂力学模型 断裂是材料损伤的重要形式之一，其研究对于设计和评估结构的强度具有重要意义。断裂力学模型主要包括线性弹性断裂力学模型、弹塑性断裂力学模型和强化断裂力学模型等。线性弹性断裂力学模型假设材料在断裂前表现为线弹性行为，通过研究应力强度因子和断裂准则来描述断裂的发生。弹塑性断裂力学模型考虑材料在断裂前经历弹性和塑性阶段，具有更高的准确性。而强化断裂力学模型则引入多尺度、多组分的概念，对材料的微观结构和力学行为进行细致的研究。 2. 疲劳损伤模型 疲劳是材料工程中一种重要的失效形式，特别是在结构承载循环载荷的情况下。研究疲劳损伤模型可以预测材料在长期受力和循环载荷作用下的疲劳寿命。常用的疲劳损伤模型包括线性弹性疲劳模型和塑性疲劳模型。线性弹性疲劳模型假设材料在疲劳循环载荷下表现为线弹性行为，通过研究应力范围和疲劳裂纹扩展速率来描述疲劳失效。塑性疲劳模型考虑材料在疲劳循环载荷下经历弹性和塑性阶段，具有更高的准确性。 二、材料损伤评估方法的研究 1. 损伤评定指标
材料的损伤评估要基于一定的评定指标，以便能够量化材料的损伤程度。常用的损伤评定指标包括应力应变曲线、裂纹扩展长度、弹性模量退化等。应力应变曲线可以通过拉伸试验、压缩试验和剪切试验等获得，利用这些试验结果可以评估材料的损伤程度。裂纹扩展长度是评估材料断裂损伤程度的重要指标，可以通过CT扫描、裂纹扩展试验和断口形貌观察等获得。弹性模量退化是通过监测材料在受力过程中其弹性模量的变化来评估损伤程度。 2. 损伤演化规律 材料的损伤演化规律是指材料在受力过程中的损伤演变过程。研究材料的损伤演化规律可以揭示材料的损伤机制和失效机理，为设计和评估结构提供依据。损伤演化规律主要包括材料的损伤累积规律、损伤形态演化规律以及损伤阈值规律等。材料的损伤累积规律描述材料在受力过程中损伤程度的变化趋势，损伤形态演化规律描述材料的损伤形态在受力过程中的变化，而损伤阈值规律则描述材料的损伤发展需要达到的临界条件。 结论： 工程力学中材料损伤模型和评估方法的研究对于提高工程结构的安全性和可靠性具有重要意义。施加适当的受力和载荷情况下，我们可以使用合适的模型和方法来评估材料的损伤程度，从而准确预测材料的寿命和失效形式。未来的研究应该聚焦于材料损伤模型和评估方法的精细化和多尺度化，以应对更加复杂和严苛的工程实践需求。通过不断的研究和改进，我们相信工程力学领域在材料损伤模型和评估方法方面将取得更大的进展。
土力学黏土流变 1.引言 1.1 概述 概述部分的内容可以包括对土力学黏土流变这个主题的简要介绍和背景说明。可以提及黏土作为土壤中最重要的成分之一，在工程和地质领域中具有广泛的应用。黏土的流变行为是黏土力学研究的一个重要方面，它对工程设计和地质灾害等方面有着重要的影响。 黏土流变的研究旨在理解黏土在外力作用下的变形和流动行为，以及影响其流变行为的因素。黏土的流变特性受到多种因素的影响，包括水分含量、固结应力、加载速率等。通过研究黏土的流变行为，可以为工程设计和土壤稳定性分析提供理论依据和实际参考。 本篇文章将重点介绍黏土的基本特性和黏土流变的原理。通过对黏土的基本特性进行阐述，可以帮助读者了解黏土作为一种土壤材料的重要性和特点。而黏土流变的原理部分将介绍黏土流变的基本概念和流变行为的数学模型，以及影响黏土流变的因素和机制。 最后，本文的结论部分将探讨黏土流变的应用和研究方向。黏土流变在工程设计和地质领域有着广泛的应用，如地基加固、土壤改良、隧道开挖等。同时，对黏土流变的研究也可以进一步深入，例如通过实验和数值模拟方法来探索新的黏土流变理论和机制。 综上所述，本文将系统地介绍土力学黏土流变的概念、原理、应用和研究方向，旨在为读者提供对黏土流变这一重要主题的全面认识，并为相关领域的工程实践和科研提供参考。
1.2 文章结构 文章结构部分的内容可以包括以下内容： 本文将按照以下结构进行叙述：引言、正文和结论。 在引言部分，我们将概述黏土流变的基本概念和其在土力学中的重要性。同时，我们将说明本文的目的和意义，并介绍本文的结构安排。 接着是正文部分，我们将首先介绍黏土的基本特性。这将包括黏土的成分、形态特征、物理性质等方面的内容。我们将深入探讨黏土的特性对流变行为的影响，并解释黏土流变的基本原理。 在结论部分，我们将总结黏土流变的应用。黏土流变在土力学领域中具有重要的实际应用价值，我们将介绍一些典型的应用案例。同时，我们也将探讨黏土流变的研究方向，包括未来的研究重点和发展趋势。 通过以上的文章结构，我们将全面介绍黏土流变的相关知识，并展示其在土力学中的重要性和应用价值。希望本文能够对读者在土力学领域中的学习和研究有所帮助。 目的部分的内容可以是以下内容之一： 1.3 目的 本文的目的是研究土力学中的黏土流变现象。通过对黏土的基本特性和流变原理的探讨，旨在增进读者对黏土流变行为的理解，并探索其在工程领域中的应用。通过对黏土流变的研究方向的分析，本文还旨在为未来的研究提供一些建议和方向。通过本篇文章的撰写，希望能够增进读者对土力学中黏土流变的认识，为工程实践和学术研究提供有力的支持和指导。 2.正文
湛江强结构性黏土的物理力学性质指标及相关性分析 张先伟;孔令伟;郭爱国;拓勇飞 【摘要】湛江黏土具有较强的结构性,结构性对土的力学特性影响不容忽视.对湛江黏土的物理力学指标的相关性和变异性进行统计分析,建立重要指标间的关系经验公式,这可为湛江地区地基基础可靠性设计的参数选取提供依据.结果表明,湛江黏土富含黏粒、黏土矿物含量高、含胶凝状的有机质成分、强胶结特性以及片状颗粒为主的絮凝结构是导致其具有不良物理性质和良好力学特性指标的根本原因.不同区域黏土的力学指标空间变异性较大,但物理指标变异性较小.e-ω、ωL-ω、ωL-e、α1-2-e关系具有线性相关性,但相互关系明显不同于其他地区黏土特征,因此,工程设计中不能简单借鉴其他地区黏土经验公式.%The Zhanjiang clay has noticeable structures of effect to the soil's mechanical characteristics can not be neglected. This paper presents the relevance and correlation analysis on the physical and mechanical indexs of Zhanjiang clay. Furthermore, empirical formula of indexes' relations are established. The results show that the basic reasons for poor physical properties and good mechanical properties of Zhanjiang clay are high clay content,clay minerals, gelatinous organic matter,strong adhesive bonded connection and flocculated structure of flaky grains. The spatial variability of clay mechanical index in different regions is substantial. But,the spatial variability of cla physical index is small. The e-ω、ωL-ω、ωL-e,a1_2-e relationship are linear correlations that are significantly different with other clays in China. Accordingly it can not use the empirical formula developed from other local clays for engineering design. The results presented in this
混凝土弹塑性损伤本构模型参数及其工程应用 齐虎;李云贵;吕西林 【摘要】为提高弹塑性损伤本构模型的工程实用性,研究各参数取值对模型损伤发展、塑性发展及材料应力应变关系的影响.拟合参数取值与混凝土材料常用指标弹性模量、单轴抗压强度及单轴抗拉强度联系之间的函数关系,提出实用的参数取值确定方法.对规范规定的各强度混凝土材料进行数值模拟,结果表明:模型及参数确定方法能够较准确地模拟混凝土材料的各种非线性本构行为.采用用户材料子程序UMAT进行本构模型在ABAQUS中的二次开发,对上海某酒店项目进行数值模拟:在结构设计软件PKPM中完成建模,将模型转换为ABAQUS模型进行计算,并将计算结果与振动台试验结果进行比较.结果表明:各振形计算自振频率相差在5％以内,顶层位移时程除个别极值外总体匹配较好,楼层位移差在10％以内,最大层间位移除个别楼层相差达到30％以外,一般楼层相差10％左右,验证了所提出的参数确定方法及本构模型是合理有效的;通过分析结构各关键时刻损伤分布云图,表明弹塑性损伤本构模型能够实时反映结构的破坏过程,便于分析者直观地把握结构破坏形态.【期刊名称】《浙江大学学报（工学版）》 【年(卷),期】2015(049)003 【总页数】9页(P547-554,563) 【关键词】本构模型参数;混凝土;ABAQUS;非线性时程反应;损伤分布 【作者】齐虎;李云贵;吕西林 【作者单位】中国建筑股份有限公司技术中心,北京101320;中国建筑股份有限公司技术中心,北京101320;同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092
【正文语种】中文 【中图分类】TU313 弹塑性损伤本构模型能够准确地模拟混凝土非线性本构行为［1-4］.目前，学者们提出了多个理论完备、计算准确度高的混凝土弹塑性本构模型［5-7］，但是多数模型的数值处理复杂，计算过程涉及多次迭代，计算效率较低、数值稳定性不好，且模型中涉及的参数较多，参数的标定是一项繁琐的工作，因此这些模型较难应用于实际工程.齐虎等［8］提出了一个计算效率高、数值稳定性好的实用弹塑性损伤本构模型，但仍然存在参数较多，实际应用困难的问题.本文对弹塑性损伤本构模型［8］中各参数取值进行系统研究，并研究各个参数对模型计算本构曲线的影响.通过比较计算结果与试验结果，给出模型参数与混凝土材料单轴抗拉强度、抗压强度和弹性模量的函数关系.从而在使用中只须给定材料抗拉强度、抗压强度和弹性模量就能方便地确定模型的参数取值，提高模型的实用性. 将齐虎等［8］开发的弹塑性损伤本构模型在ABAQUS中进行二次开发，并采用本文提出的方法确定模型参数取值，对上海浦东香格里拉酒店进行数值模拟.上海浦东香格里拉酒店是由一栋41层、总高度为152.8 m的塔楼和4层裙房组成的超高层框架——剪力墙结构，结构高度超限且平面布置不规则.同济大学土木工程防灾国家重点实验室振动台试验室对其进行了震振动台试验研究，将模型分析结果与振动台试验结果进行了比较，以验证本文提出的本构模型、参数确定方法及选用分析模型的有效性和合理性.由于ABAQUS建模工作较为复杂，本文首先在PKPM 中建模，然后借助PKPM-ABAQUS转化程序［9］将模型导入到ABAQUS中进行计算. 1 弹塑性损伤本构模型参数的确定