CN108469386A - 基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料特征确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于Mohr‑Coulomb强度准则的岩土体材料特征确定方法，建立基于Mohr‑Coulomb强度准则的岩土体材料剪应力‑应变模型；进行岩土体材料强度特性室内三轴试验，获取岩土体材料剪应力‑应变关系曲线；根据岩土体材料剪应力‑应变关系曲线对岩土体材料剪应力‑应变模型进行模型参数拟合，确定模型参数的值，从而确定岩土体材料剪应力‑应变模型；采用确定的岩土体材料剪应力‑应变模型确定岩土体材料特征。该方法基于本方法建立的岩土材料本构模型可以描述岩土材料的特征且模型仅有4个参数，其用于描述岩土材料行为特征更为准确，比现有本构模型更简单和具有广泛适用性。

Description

基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料特征确定方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料特征确定方法。
背景技术
岩土本构模型研究是岩土工程领域重要的研究方向，是深入开展岩土力学研究的基础，目前已经提出的本构模型数以千计，概括起来主要包括：线弹性模型、弹塑性模型、理想弹塑性模型、弹脆性模型以及Duncan-Chang模型、Cam-Clay模型和清华弹塑性模型等；岩土流变模型则包括：黏性、黏弹性、黏塑性、黏弹性-黏塑性和黏性-黏弹性-黏塑性等。相应的强度准则包括：Mohr-Coulomb强度准则、Drucker-Prager屈服准则、Mises屈服准则、Tresca屈服准则、双剪强度准则和Hoek-Brown准则等。上述模型和屈服准则极大地促进了岩土力学的进一步发展。
然而，迄今为止尚未有一种模型对于岩土材料具有普遍适用性，如理想弹塑性模型在到达临界应力之后，一点应力对应多个不同的应变，应力-应变关系无法一一对应表示；弹脆性模型从临界应力状态直接下降到残余应力状态，无法描述从临界应力到残余应力变化过程；弹塑性模型，在计算时，需事先预估初始应力的值，如预估初始应力差异较大，则其计算结果也会有较大的差异。对于具有应变软化的试样，峰后区应力-应变通常采用折线进行线性逼近，未考虑其应力-应变非线性变化特征。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料特征确定方法，包括以下步骤：
步骤1：建立基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料剪应力-应变模型；
所述基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料剪应力-应变模型的公式如下所示：
τ＝Gγ[1+γq/p]ξ；
其中，τ为剪应力，γ为剪应变，G为初始剪切模量，p、q、ζ为与法向应力有关的常系数。
步骤2：进行岩土体材料强度特性室内三轴试验，获取岩土体材料剪应力-应变关系曲线；
所述进行岩土体材料强度特性室内三轴试验的方法包括：常规三轴试验方法和真三轴试验方法；
所述常规三轴试验方法的试验条件为：采用圆柱试件、四周围压相等，σ2＝σ3；
所述真三轴试验方法的试验条件为：采用立方体试件、σ1＞σ2＞σ3；
其中，σ1为大主应力，σ2为中主应力，σ3为小主应力。
步骤3：根据岩土体材料剪应力-应变关系曲线对岩土体材料剪应力-应变模型进行模型参数拟合，确定模型参数的值，从而确定岩土体材料剪应力-应变模型；
步骤4：采用确定的岩土体材料剪应力-应变模型确定岩土体材料特征。
所述岩土体材料特征包括：弹性-弹塑性-软化、弹性-弹塑性-硬化、理想弹塑性和弹脆性。
本发明的有益效果：
本发明提出一种基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料特征确定方法，基于本方法建立的岩土材料本构模型可以描述岩土材料的弹性-弹塑性-软化、弹性-弹塑性-硬化、理想弹塑性、弹脆性4种行为特征且模型仅有4个参数，其用于描述岩土材料行为特征更为准确，比现有本构模型更简单和具有广泛适用性。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料特征确定方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式中通过室内三轴固结排水试验获得固结围压分别为50kPa、100kPa、150kPa和200kPa的剪应变-剪应力曲线示意图；
图3为本发明具体实施方式中利用确定的岩土体材料剪应力-应变模型关系式所获得计算结果与试验结果对比示意图；
图4为本发明具体实施方式中确定的岩土体材料特征曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本实施方式中，一种基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料特征确定方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：建立基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料剪应力-应变模型。
本实施方式中，以某地区软土为研究对象。基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料剪应力-应变模型的公式如式(1)所示：
τ＝Gγ[1+γq/p]ξ (1)
其中，τ为剪应力，γ为剪应变，G为初始剪切模量，p、q、ζ为与法向应力有关的常系数。
步骤2：进行岩土体材料强度特性室内三轴试验，获取岩土体材料剪应力-应变关系曲线。
本实施方式中，进行岩土体材料强度特性室内三轴试验的方法包括：常规三轴试验方法和真三轴试验方法。
所述常规三轴试验方法的试验条件为：采用圆柱试件、四周围压相等，σ2＝σ3。
所述真三轴试验方法的试验条件为：采用立方体试件、σ1＞σ2＞σ3。
其中，σ1为大主应力，σ2为中主应力，σ3为小主应力。
本实施方式中，通过常规室内三轴固结排水试验获得固结围压分别为50kPa、100kPa、150kPa和200kPa的剪应变-剪应力曲线，如图2所示。
步骤3：根据岩土体材料剪应力-应变关系曲线对岩土体材料剪应力-应变模型进行模型参数拟合，确定模型参数的值，从而确定岩土体材料剪应力-应变模型。
本实施方式中，根据岩土体材料剪应力-应变关系曲线，提取不同法向应力的剪应力和剪应变关系曲线中剪应力的峰值，即峰值剪应力，即可得到峰值剪应力与法向应力的关系，通过拟合得到岩土体材料峰值剪应力与法向应力曲线，其斜率从而确定内摩擦力截距为岩土体材料的粘聚力c，得到峰值剪应力τpeak如式(1)所示：
其中，σn为法向应力，kPa。
本实施方式中，岩土体材料的粘聚力c＝23.67kPa，内摩擦力相关系数R2＝0.942，得到峰值剪应力τpeak如式(2)所示：
τpeak＝23.67+σntan10.84° (2)
本实施方式中，假设岩土体材料临界应变符合抛物线形式，得到峰值剪应变γpeak如式(3)所示：
其中，a1、a2和a3为拟合参数，相关系数R2＝0.965，通过提取不同法向应力条件下岩土体的临界剪应变确定式(3)中拟合参数a1、a2和a3的值。
本实施方式中，岩土体材料初始剪切模量G的计算公式如式(4)所示：
其中，G0为σn＝0时的初始剪切模量值，b1和b2为拟合参数，相关系数R2＝0.998。通过提取不同法向应力条件下岩土体的初始剪切模量，确定式(4)中G0、b1和b2的值。
参数p和q的值按公式(5)和式(6)确定，且满足约束条件为公式(7)所示：
1+qξ≠0 (7)
其中，ξ为表征材料软化特性的参数，ξ∈(-1，0)，其值越小代表材料软化程度越高，由参数拟合得到。
本次软土试验多表现为应变硬化或应变软化形式，经拟合得到表征材料软化特性的参数ξ≈-0.99，而与法向应力无特别显著的关系。
将峰值剪应力τpeak、峰值剪应变γpeak、初始剪切模量G和软化参数ξ代入式(6)即可求得参数q的值。将峰值剪应变γpeak、软化参数ξ和参数q代入式(5)即可得到参数p的值。
步骤4：采用确定的岩土体材料剪应力-应变模型确定岩土体材料特征；所述岩土体材料特征包括：弹性-弹塑性-软化、弹性-弹塑性-硬化、理想弹塑性和弹脆性特征。
本实施方式中，利用确定的岩土体材料剪应力-应变模型关系式所获得计算结果与试验结果对比如图3所示。模拟结果与试验结果呈现规律具有一致性，说明该模型能很好的模拟软土得三轴试验特征。
当模型参数改变时利用确定的岩土体材料剪应力-应变模型关系式可以分别模拟材料的弹性-弹塑性-软化、弹性-弹塑性-硬化、理想弹塑性和弹脆性4种行为特征，如图4所示。
本发明以某地区软土室内三轴固结排水试验数据为依据，建立一种基于Mohr-Coulomb强度准则的建立岩土体本构模型的新方法，可以描述岩土材料的弹性-弹塑性-软化、弹性-弹塑性-硬化、理想弹塑性、弹脆性4种行为特征，其用于描述岩土材料行为特征更为准确，比现有本构模型更简单和具有广泛适用性，可用于实际岩土工程中岩土体力学特性的研究和分析。

Claims (4)

1.一种基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料特征确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料剪应力-应变模型；
步骤2：进行岩土体材料强度特性室内三轴试验，获取岩土体材料剪应力-应变关系曲线；
步骤3：根据岩土体材料剪应力-应变关系曲线对岩土体材料剪应力-应变模型进行模型参数拟合，确定模型参数的值，从而确定岩土体材料剪应力-应变模型；
步骤4：采用确定的岩土体材料剪应力-应变模型确定岩土体材料特征。
2.根据权利要求1所述的基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料特征确定方法，其特征在于，所述基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料剪应力-应变模型的公式如下所示：
τ＝Gγ[1+γq/p]ξ；
其中，τ为剪应力，γ为剪应变，G为初始剪切模量，p、q、ζ为与法向应力有关的常系数。
3.根据权利要求1所述的基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料特征确定方法，其特征在于，所述进行岩土体材料强度特性室内三轴试验的方法包括：常规三轴试验方法和真三轴试验方法；
所述常规三轴试验方法的试验条件为：采用圆柱试件、四周围压相等，σ2＝σ3；
所述真三轴试验方法的试验条件为：采用立方体试件、σ1＞σ2＞σ3；
其中，σ1为大主应力，σ2为中主应力，σ3为小主应力。
4.根据权利要求1所述的基于Mohr-Coulomb强度准则的岩土体材料特征确定方法，其特征在于，所述岩土体材料特征包括：弹性-弹塑性-软化、弹性-弹塑性-硬化、理想弹塑性和弹脆性。
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