土体损伤理论的基本问题研究

土体损伤理论是损伤力学与土力学有机结合的一门较新的学科，是解决土体结构性及其演化规律描述等方面的有力武器。申请者发现它存在很多基本问题，还很不成熟。本研究将对土体损伤理论的基本问题进行深入的研究：论断基于连续介质热力学的土体损伤势表述途径的可行性；如果可行，就提出土体损伤势表述理论的一般公式；从连续介质力学、土的基本力学特性出发，着眼于便于和宏观力学量建立联系与有利于测量角度，确立合理的土体损伤变量；从不可逆过程热力学角度，得出损伤演化方程必要满足的基本原则，基于大量原状与重塑土体三轴试验结果对比和损伤耗能解读，探索土体损伤演化规律，从而建立有理论依据的符合土体力学特性的损伤演化方程。构建科学的土体损伤力学理论框架，为建立合理的土体损伤本构模型奠定坚实的理论基础。在新理论的指导下，建立土体损伤本构模型。结合室内试验、实际工程实测数据与理论计算结果对比，揭示本研究的意义与合理性。

损伤力学是固体力学理论中的一个较新的分支。土体损伤理论是损伤力学与土力学有机结合的一门交叉学科，是解决土体结构性及其演化规律描述等方面的有力武器。发现它存在很多基本问题。本项目已按研究计划，完成了所有研究内容。主要研究成果如下：.1、从热力学耗散不等式出发，给出了热力学耗散势存在的充分必要条件。根据土体的基本力学特性，得到土体耗散势是不存在的。得到了其解耦的充分必要条件，同时也给出了严格证明，得到了土体耗散势函数的塑性与损伤两种机制不可解耦。.2、给出了流动势存在的充分必要条件并加以严格证明，结合土体的基本力学性质，证明了土体不存在流动势。给出了流动势塑性部分与损伤部分可解耦的充分必要条件并进行了严格论证，得到了土体流动势不可解耦。.3、进行了结构性土体和相应重塑土的一系列应力路径试验。通过结构性土体与相应重塑土试验曲线的对比能量分析得到：在一系列不同围压条件下的常规三轴试验中，随着围压的增大，固结能和体积耗散能相应的增大，而剪切耗散能相应的减小；在一系列等p（球应力）三轴试验中，体积耗散能可忽略不计，随着球应力p的增大，固结能相应增大，而剪切耗散能相应的减小。计算分析表明：在不同的应力路径条件下，总耗散能的大小近似为一定值。由于其与应力路径基本无关，总耗散能可作为表征土体结构性大小的参数。.4、从能量的角度看土体损伤是土体中结构相的变形能转化为相变损伤耗散能，损伤耗散能促使结构相退变为损伤相的过程。根据结构相表面损伤后即变为损伤相的表面，将土体的损伤变量与结构相、损伤相所占的截面面积联系起来，从而与经典连续介质损伤力学中关于损伤变量的定义一致。将外力对土体结构性的破损功定义为损伤耗散能，引入到土体的能量平衡方程，获得了基于结构损伤耗能的损伤演化方程。建立了结构性土体损伤本构模型。使用Visual C++.NET语言开发了损伤本构模型的数值计算程序。将计算结果与修正剑桥模型、三轴试验结果进行对比，表明本模型能够较好的模拟土体的力学特性。.5、采用本文提出的损伤模型对实际工程进行模拟分析。分别对边坡工程和隧道工程进行了损伤计算。边坡工程中完全损伤的土体形成一个贯通的剪切带，滑体的损伤相对较小。采用分步开挖隧道，由于左上角的土体开挖时间最长，且每次施工过程都会引起变形的叠加，左侧发生的位移明显比右侧大，因此最后形成的竖向位移分布显然是不对称的。