模型参数研究分析———剪胀参数
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发布时间：2022-04-23 08:05
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时间：2022-06-18 02:53
基于状态的风积砂本构模型中的状态参数由下式决定：
毛乌素沙漠风积砂岩土力学特性及工程应用研究
基于状态的风积砂本构模型中的剪胀特性由下式表达：
毛乌素沙漠风积砂岩土力学特性及工程应用研究
基于状态的风积砂本构模型中的剪胀参数是通过试验曲线拟合而得到的，因此，先根据基于状态的风积砂弹塑性本构模型理论编制了模型模拟程序，然后通过对比模拟曲线和试验曲线相近程度来确定相应的剪胀参数。
5.3.3.1 三轴试验模拟程序编制
本构模型模拟主程序采用Fortran语言编制，其主要功能是实现应力本构计算。主程序见下文：
主程序清单如下。
毛乌素沙漠风积砂岩土力学特性及工程应用研究
毛乌素沙漠风积砂岩土力学特性及工程应用研究
采用Fortran语言程序对试验进行数值模拟。将应力路径的应力增量比代入本构模型方程，求出偏应变、体变、有效平均正应力及偏应力随轴向变形的变化方程式。下面针对三轴CTC应力路径介绍应力路径试验模拟的求解过程。将本构模型方程展开可得关于应力增量的表达式为：
毛乌素沙漠风积砂岩土力学特性及工程应用研究
式中：ηY为模型中的应力比；Kp为模型中的弹性模量。
由于在剪切过程中保持围压σ3不变，增大轴向应力σ1，即dσ3＝0且dσ1>0，从而有 ，于是可得 。将其代入以上方程组可得到体变增量与偏应变增量间的关系为：
毛乌素沙漠风积砂岩土力学特性及工程应用研究
相应的应力、应变增量随轴向应变增量变化的表达式为：
毛乌素沙漠风积砂岩土力学特性及工程应用研究
式中：εa为轴向应变；L为加载因子；εq为广义剪应变应。
用Fortran语言编程实现上述计算过程，程序模拟采用应变控制方式，这样就可以完成对该应力路径下土体应力应变关系及体积变化的模拟。
砂土的变形特性取决于其当前状态，包括土样的相对密度及其承受的应力水平。不排水剪切条件下砂土的应力应变关系有两种：紧砂发生应变硬化，而松砂表现为流动；排水剪切条件下砂土的应力应变关系也有两种：紧砂发生应变软化，而松砂表现为应变硬化。不管在排水还是不排水条件下，当应力水平超过某一范围时，土样都会达到临界状态。
5.3.3.2 模拟计算与拟合参数
由于式（5.16）中的相关参数需要拟合三轴试验的相关曲线，因此，根据以上编制的Fortran程序，对比三轴试验给出了模拟拟合计算曲线（图5.16）。由拟合计算得出模型参数d＝1.5，m＝16.9，h1＝18.6，h2＝7.8，n＝13.7。
图5.16 CTC应力路径CD排水试验计算与试验qεs曲线
分析图5.16可知，模拟结果与试验结果大致相吻合。模拟结果能够大体反映风积砂的应力应变关系及应变软化现象，而且能够反映出风积砂的剪缩和剪胀特性及剪缩到剪胀过渡的趋势。但是，通过比较可以发现，模拟结果还存在一些问题。首先，由于所有模拟均采用应变控制，其应力应变关系及体变偏应变关系曲线都是连续渐近的，无法反映出由应力控制的试验在破坏时应力、应变及体变的突变现象。其次，与对应的试验结果相比，模拟得到的应力应变关系曲线初始段的坡度要陡一些。这是由于确定参数h1和h2时选取应力应变关系段的不同造成的。再次，模拟所得的土体剪胀性比试验结果要小，这与确定参数d时选取的体变应变关系曲线段有关。
