描述饱和砂土剪切特性的一个热力学本构模型

杨光昌,白 冰,刘 洋,陈佩佩

(1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083; 2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044;3.北京建筑大学 理学院，北京 102616)

土体作为一种颗粒类材料，其力学特性十分复杂[1-3]。尤其砂土，其力学特性与其所处的物理状态直接相关，表现为松砂的剪缩以及密砂的剪胀特性[4-5]。此外，砂土的松密状态不仅与其相对密度有关，还取决于剪切过程中所施加的围压大小。对于具有相同相对密度的砂土，在围压较低时可能发生剪胀，在高围压下则可能发生剪缩[4,6]。饱和松砂在剪切过程中甚至可以达到静力液化状态，这也是在实际工程中时常遇到的问题[7-8]。发展一个可以描述饱和砂土复杂力学特性的本构模型，也是学者们一直致力于研究的课题。

尽管砂土存在这种特殊的力学特性，无论初始时处于什么样的物理状态，最后都将达到体应变为零的临界状态[9]。很多学者在临界状态理论的基础上，引入状态参数，来建立砂土的本构模型[10-18]。状态参数由相对密度和围压两个因素共同确定，可以反映材料的松密状态，从而使建立的本构模型能够考虑加载过程中因状态变化而引起的力学行为。此外，一些研究[19-20]认为砂土的临界状态在试验中较难得到，以临界状态线作为状态参量的参考线，可能会导致不能准确地描述砂土的变形特性。并且他们将相变状态作为参考点，建立了基于相变状态的边界面本构模型。近年来，也有学者在临界状态理论或边界面理论的框架下，通过修正其中的一些本构关系，来建立可描述砂土复杂力学特性(剪胀性、循环加载特性等)的弹塑性本构模型[21-23]。……