考慮含水量和溫度效應(yīng)的彈塑性本構(gòu)理論研究

本項(xiàng)目以地質(zhì)孔隙材料為對(duì)象，深入研究、討論了三類熱力學(xué)公設(shè)在地質(zhì)類材料性能研究中的應(yīng)用，發(fā)展了細(xì)觀力學(xué)，采用耗散塑性理論，研究了在考慮微觀結(jié)構(gòu)特性和摩擦機(jī)制的彈塑性性質(zhì)、本構(gòu)關(guān)系和屈服特性。 首先，考慮到巖土材料通常含有大量性質(zhì)不同的夾雜，而傳統(tǒng)細(xì)觀力學(xué)還沒有有效方法預(yù)測(cè)這類材料的宏觀剪切模量，本項(xiàng)目提出了基于廣義自洽模型的迭代方案，并發(fā)展了相關(guān)的代碼，可以準(zhǔn)確快速地給出含有大量性質(zhì)不同夾雜的巖土材料的有效剪切模量，同時(shí)給出對(duì)應(yīng)的體積模量。 其次，目前還沒有有效考慮巖土材料孔隙連通特性的細(xì)觀力學(xué)方法。本項(xiàng)目針對(duì)開孔連通孔隙介質(zhì)建立了一個(gè)新的細(xì)觀力學(xué)模型及系統(tǒng)的細(xì)觀力學(xué)方法，推導(dǎo)得到的有效模量表達(dá)式與金屬泡沫類型的孔隙材料及地質(zhì)孔隙材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好程度的吻合。 第三，由于孔隙材料具有很大的比表面積，表界面效應(yīng)對(duì)孔隙材料的性質(zhì)影響很大，本項(xiàng)目在黃筑平教授所提出的界面能理論的基礎(chǔ)上，提出了一套系統(tǒng)研究考慮界面影響的復(fù)合材料有效力學(xué)和熱學(xué)性能的方法，并應(yīng)用于預(yù)測(cè)孔隙材料的有效力學(xué)和熱學(xué)性能。 第四，針對(duì)巖土材料屈服性質(zhì)受靜水壓影響的特性，將變分方法推廣應(yīng)用到基體塑性可壓的孔隙材料，建立了非線性本構(gòu)關(guān)系和屈服面的表達(dá)式，所得結(jié)果能夠反映基體塑性可壓的特性，并考慮了含水量及孔隙壓力的影響。 最后，研究了經(jīng)典塑性理論與耗散塑性理論之間的關(guān)系，利用熱力學(xué)方法，提出了一個(gè)通用的自由能函數(shù)表達(dá)式，可以應(yīng)用于模量隨應(yīng)力變化的地質(zhì)材料（金屬材料模量不變的情況是其特例）；進(jìn)一步，由耗散塑性理論出發(fā)，推導(dǎo)了考慮摩擦耗散機(jī)制的屈服函數(shù)。 該屈服函數(shù)保證了外凸性質(zhì)，且應(yīng)用范圍更廣。 2100433B

本項(xiàng)目擬開展以下兩方面科學(xué)問題的研究:1)大多數(shù)唯象的彈塑性本構(gòu)理論是基于某些準(zhǔn)熱力學(xué)公設(shè)導(dǎo)出的。根據(jù)Drucker公設(shè)或Ilyushin公設(shè)建立的本構(gòu)關(guān)系滿足正交流動(dòng)法則，而基于Ziegler公設(shè)所導(dǎo)出的本構(gòu)關(guān)系可以不滿足正交流動(dòng)法則。然而，不同的準(zhǔn)熱力學(xué)公設(shè)之間的內(nèi)在聯(lián)系以及它們各自的適用范圍尚有待進(jìn)一步研究;2)晶體塑性理論將多晶金屬的宏觀力學(xué)性質(zhì)與其微觀變形機(jī)制聯(lián)系了起來。然而，對(duì)于孔隙地質(zhì)材料，其宏觀力學(xué)性質(zhì)的研究多數(shù)是唯象的，缺乏與微觀變形機(jī)制的聯(lián)系，有必要建立基于微觀變形分析的地質(zhì)材料的宏觀本構(gòu)關(guān)系。鑒于上述考慮，本項(xiàng)目將以孔隙地質(zhì)材料為對(duì)象，通過理論分析和試驗(yàn)手段，對(duì)以上兩個(gè)基礎(chǔ)性理論問題進(jìn)行深入研究；基于非平衡態(tài)熱力學(xué)和細(xì)觀力學(xué)分析方法，建立基于微觀變形機(jī)制的孔隙地質(zhì)材料的宏觀本構(gòu)關(guān)系；重點(diǎn)考察含水量和溫度效應(yīng)對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響，為巖土工程相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)估和加固迫切需要高質(zhì)量的非線性分析，混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析的關(guān)鍵在于本構(gòu)關(guān)系。當(dāng)前活躍于國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界的混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型仍限于二維問題，其三維拓展具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本項(xiàng)目從混凝土的三維力學(xué)行為特征和彈塑性損傷體的自由能勢(shì)二方面著手，建立三維彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系。通過多種加卸載路徑中的三軸材料力學(xué)試驗(yàn)，獲得強(qiáng)度、剛度和永久變形的三維演化形態(tài)，構(gòu)造合適的強(qiáng)化變量、損傷變量演化函數(shù)和塑性勢(shì)函數(shù)；結(jié)合運(yùn)用現(xiàn)代熱力學(xué)和損傷力學(xué)的觀點(diǎn)和方法，對(duì)自由能勢(shì)進(jìn)行重新審視和深入探索，為本構(gòu)關(guān)系的推演提供一個(gè)合理的出發(fā)點(diǎn)；深入分析塑性演化、損傷演化和自由能勢(shì)之間的相互制約和影響，建立既具有嚴(yán)格的熱力學(xué)基礎(chǔ)，又能較好地反映混凝土三軸試驗(yàn)現(xiàn)象的本構(gòu)關(guān)系。實(shí)現(xiàn)直接基于三維彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系的混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析，為對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為的認(rèn)識(shí)和數(shù)值模擬提供新的視角和方法。

一般認(rèn)為，在外力除去以后，巖石恢復(fù)到受力前的體積和形狀的變形叫巖石的彈性變形，不能恢復(fù)的叫塑性變形(又稱永久變形或殘余變形)。巖石的總變形應(yīng)視為彈性變形和塑性變形之和。試驗(yàn)表明，大多數(shù)巖石在加載過程中,應(yīng)力-應(yīng)變呈非線性關(guān)系，在卸載（即使是荷重很小的卸載）過程中，也會(huì)出現(xiàn)不可逆的塑性變形。

彈塑件力學(xué)是固體力學(xué)的重要分支學(xué)科。固體材料往往同時(shí)具有彈性和塑性性質(zhì)，特別是材料處在塑性階段時(shí)，變形中既有可恢復(fù)的彈性變形，又有不可恢復(fù)的塑性變形。

大多數(shù)固體材料往往同時(shí)具有彈性和塑性性質(zhì)，因此又常被稱為彈塑性材料。彈塑性指的是物體在外力作用下會(huì)發(fā)生變形，而外力卸載之后變形不一定能完全恢復(fù)的性質(zhì)，其中變形中可恢復(fù)部分稱為彈性變形，不可恢復(fù)部分稱為塑性變形。

彈性力學(xué)討論固體材料中的理想彈性體及同體材料彈性變形階段的力學(xué)問題，包括在外力作用下彈性物體的內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變和位移的分布，以及與之相關(guān)的基礎(chǔ)理論。

塑性力學(xué)討論固體材料中塑性階段的力學(xué)問題，采用宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的研究方法，從材料的宏觀塑性行為中抽象出力學(xué)模型，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程予以描述?？勺冃瓮w的彈性階段與塑性階段是整個(gè)變形過程中的兩個(gè)不同階段，彈塑性力學(xué)是研究這兩個(gè)密切相連階段力學(xué)問題的科學(xué)。

彈塑性力學(xué)經(jīng)過一百多年的發(fā)展，具有一套較完善的理論和方法。隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，研究彈塑性力學(xué)新的理論、方法及其在基礎(chǔ)工程上的應(yīng)用尤顯重要。塑性力學(xué)與彈性力學(xué)有著密切的關(guān)系，彈性力學(xué)中的大部分基本概念和處理問題的方法都可以在塑性力學(xué)中得到應(yīng)用。

彈性力學(xué)與塑性力學(xué)的根本區(qū)別在于彈性力學(xué)是以應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系的廣義Hooke定律為基礎(chǔ)。一般來說，在塑性力學(xué)的范圍中，應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系呈非線性，而這種非線性的特征與所研究的具體材料有關(guān)，對(duì)于不同的材料和條件，具有不同的變化規(guī)律。

工程材料在應(yīng)力超過彈性極限以后并未發(fā)生破壞，仍具有一定繼續(xù)承受載荷的能力，但剛度相對(duì)地降低，故以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的沒計(jì)方法不能充分發(fā)揮材料的潛力，某種程度上導(dǎo)致材料的浪費(fèi)。因此，以塑性力學(xué)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法比彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)更為優(yōu)越，更符合實(shí)際工程應(yīng)用。 2100433B