岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 3175-3186.doi: 10.16285/j.rsm.2024.1345CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.1345

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基于广义位势理论的考虑组构各向异性的砂土本构模型

耿潇威1, 2,陈成1,孙中华1, 3,黎伟2,王勇1,徐梦冰1, 3,余颂4   

  1. 1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程安全全国重点实验室,湖北 武汉 430071; 2.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉 430074;3.中国科学院大学,北京 100049; 4.中国中铁大桥勘测设计院集团有限公司,湖北 武汉 430050
  • 收稿日期:2024-11-04 接受日期:2025-04-30 出版日期:2025-10-11 发布日期:2025-10-13
  • 通讯作者: 陈成,男,1986年生,博士,副研究员,主要从事特殊土土力学与灾害防控技术方面的研究。E-mail: cchen@whrsm.ac.cn
  • 作者简介:耿潇威,男,1999年生,硕士研究生,主要从事特殊土土力学方面的研究。E-mail: 2822531096@qq.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. 42272337,No. U24A20617,No. 41972293,No. 52127815);湖北省自然科学基金杰出青年项目(No. 2023AFA078)。

A constitutive model of sand considering fabric anisotropy based on generalized potential theory

GENG Xiao-wei1, 2, CHEN Cheng1, SUN Zhong-hua1, 3, LI Wei2, WANG Yong1, XU Meng-bing1, 3, YU Song4   

  1. 1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering Safety, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China; 2. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. China Railway Major Bridge Reconnaissance & Design Institute Co., Ltd., Wuhan, Hubei 430050, China
  • Received:2024-11-04 Accepted:2025-04-30 Online:2025-10-11 Published:2025-10-13
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (42272337, U24A20617, 41972293, 52127815) and the Science Fund for Distinguished Young Scholars of Hubei Province (2023AFA078).

摘要: 砂土组构各向异性显著影响其力学变形特性。为准确描述这一特性,基于各向异性临界状态理论和广义位势理论,提出了考虑砂土组构各向异性的本构模型。首先,在双曲线模型的基础上,引入虚拟峰值偏应力这一变量,以模拟密实砂土的软化现象以及松散砂土的硬化现象;在此基础上,进一步基于各向异性临界状态理论,将传统的状态参数替换为可以描述砂土组构演化特征的剪胀状态参数,并在主空间内建立了考虑砂土组构各向异性的应力-应变关系;随后,基于广义位势理论,采用考虑拟弹性塑性变形的建模方法,将主空间内砂土的应力-应变关系推广至一般空间,进而建立考虑组构各向异性的砂土本构模型;最后,利用这一模型对Toyoura砂排水三轴压缩、不排水三轴压缩与拉伸以及空心圆柱扭剪试验进行了模拟,模型计算结果与实测结果吻合较好,验证了模型的合理性。模型包含13个材料常数,可通过一组参数较准确地描述较大应力水平和密实度范围内砂土的力学特性,还可以再现砂土的组构各向异性对其力学响应规律的影响。

关键词: 砂土, 组构, 各向异性, 剪胀状态参数, 广义位势理论, 本构模型

Abstract: The fabric anisotropy of sand significantly affects its mechanical deformation behavior. To accurately characterize this feature, a constitutive model for sand that incorporates fabric anisotropy is proposed, based on the anisotropic critical state theory and the generalized potential theory. First, a variable referred to as virtual peak deviatoric stress is introduced into the hyperbolic model to simulate both the softening behavior of dense sand and the hardening behavior of loose sand. On this basis, the conventional state parameter is replaced with a dilatancy state parameter that captures the evolving characteristics of fabric anisotropy. A stress-strain relationship considering fabric anisotropy is then established in the principal stress space. Subsequently, using the generalized potential theory and the concept of quasi-elastic-plastic deformation, this relationship is extended to the general stress space, leading to the development of a constitutive model that incorporates fabric anisotropy is established. The proposed model is finally applied to simulate drained and undrained triaxial compression/extension tests, as well as hollow cylinder torsional shear tests on Toyoura sand. The simulations demonstrate close agreement with experimental results, confirming the model’s validity. With 13 material constants, the model effectively describes the mechanical behavior of sand across a wide range of stress levels and densities, and successfully captures the influence of fabric anisotropy on its mechanical response.

Key words: sand, fabric, anisotropy, dilatancy state parameter, generalized potential theory, constitutive model

中图分类号: TU 441
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