基于摩尔库仑准则的膨胀土弹塑性本构模型及其数值实现

摘要：

膨胀土的应力应变关系与含水量的变化有关，通过室内试验对膨胀土的变形、强度以及膨胀参数与含水量之间的关系进行研究，以湿度应力场理论为基础，提出了一个具有工程实用价值的基于摩尔库仑准则的膨胀土弹塑性本构模型。依据FLAC3D数值模拟软件所提供的二次开发程序，给出了该膨胀土弹塑性本构模型二次开发程序过程的基本原理以及模型的程序框图。结合渗流软件计算的湿度场分布，进行膨胀土基坑边坡实例验算，验证了该本构模型的正确性。

关键词：

含水量；室内试验；湿度应力场；本构模型；二次开发

中图分类号：TU47

文献标志码：A文章编号：16744764（2017）02009208

Abstract：

The stressstrain relationship for expansive soil is associated with water content changing. Through the laboratory test of the relationship between the deformation， strength， expansion parameters of the expansive soil and the water content， a expansive soil elasticplastic constitutive model based on Mohr Coulomb criterion which has engineering practical value is proposed according to the humidity stress field theory. In accordance with fundamental coderunprinciple of FLAC3D software， the basic principle of the secondary development program and detailed analysis combined with the expansive soil elasticplastic constitutive model are proposed. The correctness of the expansive soil constitutive model is verified through the demonstration calculation of an expansive soil slope， combined with the water content field calculated by Seepage software.

Keywords：

water content； laboratory test； humidity stress field theory； constitutive model； secondary development

膨胀土与水作用后会产生一系列的物理化学反应，引起膨胀土的膨胀效应和力学性能的改变[1]，在实际工程中，常见到如基坑边坡膨胀土吸水膨胀而失稳、建筑物地基不均匀胀缩变形造成开裂等。因此，从理论和工程实践上解决膨胀土的工程灾害研究具有重大的工程意义。

非饱和膨胀土本构模型的研究起步于20世紀90年代，孙德安等[2]和李舰[3]在文献中回顾了非饱和膨胀土本构模型研究的发展历程： 1990年Alonso等[45]提出非饱和土的经典弹塑性模型（BBM），给出了非饱和土本构关系的基本理论框架。随后Gens等 [6]和Alonso等[7] 基于BBM提出了适用于膨胀性非饱和土的双尺度本构模型，并且将其称为BExM。卢再华等[8]、曹雪山等[9]和Sanchez等[10]对本构模型进行了分析和改进。同时，Hoffmann等[11]、Alonso等[12]和Gens等[13]将双尺度本构模型应用于解决膨胀性非饱和土的变形和渗流耦合的问题。李舰等[14]结合非饱和膨胀土的双尺度本构模型BBxM和湿陷性非饱和土的毛细弹塑性变形耦合模型，建立了一个可预测非饱和膨胀土的毛细滞回和力学行为耦合的双尺度本构模型，2013年建立了适用于双孔隙结构非饱和膨胀土本构模型的理论框架[15]，2014年从宏观角度建立一个能描述非饱和膨胀土的基坑力学性质以及吸力循环作用下土的行为的弹塑性本构模型[16]。李吴刚等[17]综合考虑GA模型与SFG模型的优缺点，通过引入NL屈服面对传统SFG模型进行改进，提出更为简单易用的膨胀土本构模型。另外，Sheng[18]、Chen[19]从宏观角度建立了可以描述膨胀性非饱和土行为的力学和水力耦合的本构模型。

以上膨胀性非饱和土的弹塑性模型的研究并用没有直接考虑含水率或饱和度对膨胀土力学特性的影响，而是用吸力来表示非饱和的状态，工程应用难度较大。受热弹性力学理论启发，缪协兴等[20]提出膨胀岩体中的弹性湿度应力场理论；随后朱珍德等[21]在其基础上进行塑形修正，运用参变量变分原理对膨胀土塑形状态的本构模型进行了研究，提出了基于湿度应力场理论的膨胀岩弹塑性本构模型，并给出了相应的有限元形式，但是该模型并未对膨胀系数进行针对性的研究，应用于工程也较为复杂。陈茜等[22]认为非饱和土的变形与含水率及其变化有关，并在非饱和土计算模型中引入含水率，建立了相关经验公式。本文旨在提出一个以湿度应力场理论为基础，具有工程实用价值的膨胀土弹塑性本构模型，简化目前膨胀土弹塑性本构研究中的塑性准则[2123]，在摩尔库仑准则的基础上，结合室内试验得到的含水量变化与变形、强度和膨胀参数变化之间的关系，提出基于摩尔库仑准则的膨胀土弹塑性本构模型，并通过FLAC3D软件所提供的二次开发程序接口实现自定义本构计算；并以成都东郊某膨胀土基坑边坡为实例，通过室内试验、渗流计算得到含水量变化与变形、强度和膨胀参数变化之间的关系以及湿度场分布，采用该本构模型进行数值计算，计算结果与现场监测结果相吻合，验证了该本构模型的正确性。