考虑含水量和温度效应的弹塑性本构理论研究

Two scientific problems are to be studied in this project: 1) Most phenomenological elastoplastic constitutive theories were developed based on some quasi-thermo-mechanical postulates. For instance, the normality flow rule can be derived by means of Drucker's postulate or Ilyushin's postulate; on the other hand, the non-associated flow rule for geo-materials can be obtained from Ziegler's postulate. However, the problems about "what is the intrinsic connection among these postulates and what is the applicability for each of these postulates" still need further investigation;2) The relationship between the macroscopic constitutive relations of polycrystalline metals and the microscopic deformation mechanisms can be established by means of crystal plasticity. However, the macroscopic constitutive relations for porous geo-materials are usually phenomenological. Thus it is necessary to construct the macroscopic constitutive relations of geo-materials based on the microscopic deformation mechanism analysis. In view of these considerations, the above two fundamental problems will be studied in this project theoretically and experimentally, in which geo-materials will be chosen as the typical sample materials. By virtue of the non-equilibrium thermodynamics and the micromechanics method, a microscopic deformation mechanism based macroscopic constitutive theory for geo-materials will be formulated. The influences of the moisture content and the temperature on macroscopic mechanical properties of geo-materials will be particularly studied. The expected results of the proposed research may be used as a theoretical basis in the engineering applications involving the mechanical properties of porous geo-materials.

本项目拟开展以下两方面科学问题的研究:1)大多数唯象的弹塑性本构理论是基于某些准热力学公设导出的。根据Drucker公设或Ilyushin公设建立的本构关系满足正交流动法则，而基于Ziegler公设所导出的本构关系可以不满足正交流动法则。然而，不同的准热力学公设之间的内在联系以及它们各自的适用范围尚有待进一步研究;2)晶体塑性理论将多晶金属的宏观力学性质与其微观变形机制联系了起来。然而，对于孔隙地质材料，其宏观力学性质的研究多数是唯象的，缺乏与微观变形机制的联系，有必要建立基于微观变形分析的地质材料的宏观本构关系。鉴于上述考虑，本项目将以孔隙地质材料为对象，通过理论分析和试验手段，对以上两个基础性理论问题进行深入研究；基于非平衡态热力学和细观力学分析方法，建立基于微观变形机制的孔隙地质材料的宏观本构关系；重点考察含水量和温度效应对宏观力学性能的影响，为岩土工程相关的实际应用提供理论依据。

本项目以地质孔隙材料为对象，深入研究、讨论了三类热力学公设在地质类材料性能研究中的应用，发展了细观力学，采用耗散塑性理论，研究了在考虑微观结构特性和摩擦机制的弹塑性性质、本构关系和屈服特性。.首先，考虑到岩土材料通常含有大量性质不同的夹杂，而传统细观力学还没有有效方法预测这类材料的宏观剪切模量，本项目提出了基于广义自洽模型的迭代方案，并发展了相关的代码，可以准确快速地给出含有大量性质不同夹杂的岩土材料的有效剪切模量，同时给出对应的体积模量。.其次，目前还没有有效考虑岩土材料孔隙连通特性的细观力学方法。本项目针对开孔连通孔隙介质建立了一个新的细观力学模型及系统的细观力学方法，推导得到的有效模量表达式与金属泡沫类型的孔隙材料及地质孔隙材料的实验结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积，表界面效应对孔隙材料的性质影响很大，本项目在黄筑平教授所提出的界面能理论的基础上，提出了一套系统研究考虑界面影响的复合材料有效力学和热学性能的方法，并应用于预测孔隙材料的有效力学和热学性能。.第四，针对岩土材料屈服性质受静水压影响的特性，将变分方法推广应用到基体塑性可压的孔隙材料，建立了非线性本构关系和屈服面的表达式，所得结果能够反映基体塑性可压的特性，并考虑了含水量及孔隙压力的影响。.最后，研究了经典塑性理论与耗散塑性理论之间的关系，利用热力学方法，提出了一个通用的自由能函数表达式，可以应用于模量随应力变化的地质材料（金属材料模量不变的情况是其特例）；进一步，由耗散塑性理论出发，推导了考虑摩擦耗散机制的屈服函数。 该屈服函数保证了外凸性质，且应用范围更广。