粘弹塑性模型的基本概念

1、第七章粘弹塑性模型的基本概念为了描述土体应力一应变关系受时间的影响，需要采用与时间有关的类模 型（如粘弹胜模酬、粘塑性模型，粘弹塑隆模型）来描述土的性状。弹性、塑性和粘性是连续介质的三种基本性质，各在定条件F独自 反映材料本构关系的一个方面的特性。理想弹性模型、理想塑胜模型（或称刚塑 性模型）和理想粘性模型是反映这三种性质的理想模型，通常称为简单模型。实 际工程材料的本构关系可以用这些简单模型的各种组合来构成。理想弹性模型又称虎克弹性模型，通常用理想弹簧表示（图7-1（ a ）。其本构方程为虎克定律。一维条件下，如单轴压缩和纯剪清况下， 表达式分别为：b = E&（7.1.2）（7.1.1）T

2、 = G式中E弹性模量、G剪切模量。剪切模量与弹性模量和泊松比的关系如下式所示：（7.1.3）厂E .式中 v 泊松比。三维条件下本构方程可表示为下述形式：b m = K气（7.1.4）式中K体积弹性模量。（a）（b）体积弹性模量与弹性模量和泊松比的关系如下式所示:EK = （7.1.6）3（1-% ）理想粘性模型又称牛顿粘滞体模型。通常用一粘壶（或称阻尼器）表示（图 7-2 （ a ）。粘壶内充满粘滞液体和一个可移动的活塞。活塞在粘滞液体中的 移动速度与所受阻力成正比关系，反映了粘性介质内一点的应力与该点处应变速 率成正比例关系的性质。一维条件如单轴压缩或纯剪情况下，表达式分别为：b =（7

3、.1.7）T =丑丫（7.1.8）式中中、门粘滞系数。由上两式可以看出，从数学表达的形式上与理想弹性体单轴压缩和纯剪时的本构 方程相类似。与理想弹性体的方程相对应，类似式7.1.3，存在下述关系：n= （9 a（7.1.9）2 （1 +v * ）式中v* 粘性应变速率的横向比值。（a）（b）图7-2理想粘性模型理想粘性体的体积变化与形状变化速率无关，即不具有体积粘性。因此，v*应等于0.5。于是式7.1.9成为：p = 3q（）这与弹性不可压缩时的E=3G相对应。在三维条件下理想粘性体本构方程可表示为： TOC o 1-5 h z S = 2n e().IJIJ理想塑性模型又称Saint-Ve

4、nant塑性模型，或称刚塑性模型。通常采用 两块接触的粗糙面表示(图7-3 (a)。面上存在有一称晰脚擦阻力，与作用 在面上的法向压力无关，是一常数。若外作用力心婚此起始摩擦阻力，物体不发 生变形。一维条件如单轴压缩或此钾扮况，当轴向应力或剪应力小于某一数值时， 物体不发生变形.当软祠应力或剪应力等于某数值时，物体产生流动，变形无限 制增长.理想塑性模刮的体积应变等于零，即体积不发生改变。在三维条件下理 想塑性体的本构方程可表示为：(b)(a)当%. 阻时，七=0 f当S。也时，S.=七()式中H 起始摩擦阻力，或称塑性条件;人一一比例常数。式表明，理想塑性体的塑性应变偏量的变化率与应力偏量成

5、正比。由理想弹性模型、理想粘性模型和理想塑性模型等简单模型可以组合成许多 复杂模型。由理想弹性模型和理想塑性模型可以组合成理想弹塑性模型。由弹性 模型和粘性模型可以组合成各种粘弹性模型。由粘性模型和塑性模型可以组合成 各种粘塑性模型。由弹性模型、粘性模型和塑性模型可以组合成各种粘弹塑性模 型。理想弹塑性模型已在第六章作了介绍。在以下几节将对几种由简单模型组成 的粘弹性模型、粘塑性模型和粘弹塑胜模型作简单介绍。利用简单模型可以组合成各种复杂模型，从而可以建立各种材料的本构 方程。但是进一步的研究发现，许多材料的实际性状并不能满意地用简单的组合 模型来描述，而目采用复杂的组合模型又常遇到数学上的困

6、难。因此，常常在试 验的基础上，通过假设一实验一理论的方法建立材料的本构力程。在本章的最后 一节将简要介绍描述材料蠕变现象的蠕变力程。7 . 2粘弹性模型既具有弹性又具有粘性的性质称为粘弹性。蠕变和应力松弛现象是人们熟 悉的也是特别受重视的粘弹性胜质粘弹性性质的特点是在本构方程中除了有应 力和应变项外，还包括有它们对时间导数的项。对线性粘弹胜材料，其本构方程 的一般表达式为：a b+ a b+ + a 如）=b 8+ b 8+ + b 2）（7.2.1）01m01n式中a, b 与材料性质有关的参数。一下面首先介绍几种简单的粘弹性模型，然后再介绍较复杂的情况。Maxwell模型又称松弛模型。它

7、是由线性弹簧和牛顿枯壶串联组成，如图7 -4 (a)所示。在串联条件下，作用在两元件上的应力相同，而总的应变应为两 个元件应变的和，即= + ”(7.2.2)或= + ”(7.2.3) 式中拓一一分别为线性弹簧和粘壶的应变；矿茂一一分别为线性弹簧和粘壶的应变率。考虑到线性弹簧有和牛顿粘壶有矿，=b /(P ,则式7. 2. 3可改写成：8+ -(7.2.4) E (p(a)(b)(c)图 74 Maxwoll 模型写成如式7. 2. 1的标准形式，上式可改写为：b+Q=(p (7. 2. 5)式中松驰时间，n = ,量纲为时间。E式7. 2.5称为Maxwell方程。若物体获得初始应变，以后总

8、应变保持不变(图7-4b),即=0,式7. 2.5 o成为：。+切=0(7. 2. 6).积分上式，得b = Ce-t/n(7. 2. 7)式中C积分常数。应用初始条件，f = 0,代人式7. 2.7解出C,再代人式7.2.7 ,得ob = b e-t/n0脉冲8函数具有下述性质，对于任何连续函数f （t），当tt时，有1（）（）（）（）（）（）式7.2.8表示，Maxwell模型在保持总应变不变的条件下，发生应力随时间衰减 的松弛现象，如图7-4c所示。若物体获得初始应力a以后，保持应力不变，即。=00.(7.2.9 )式7.2.9表示材料应变率为常数，即应变随时间成比例地增长，因此变形随时

9、间 无限地发展。下面讨论松弛试验的情况。在松弛试验中，首先对试件施加应变e0，然后保 持应变为定值，进而测量作为时间函数的应力值，确定松弛规律。松弛试验中应 变可记为：8=8 U （t）（式中u （t）单位阶梯函数。单位阶梯函数定义为:()(0,t ti 1在松弛试验中 = 0 u 0-)可表示为u (t)。将式代人式7.2.5，得a + a = Ee8 (t). n式中8 (t)脉冲8函数，8 (t)= u (t几 dtL 脉冲8函数定义为：/ X (0, t。08 (t )= +3, t - 0ft 8 (t) dt = 1ft f (T )5 (T - t ) T = f (t )u (

10、t -1 )-3111利用式a(t)= Ee e-1/nu(t)0式表示Maxwell模型的应力松弛规律，简记为:()()b（t）=（t）80式中 （t）松弛函数，其表达式为(t )= Ee-t / nu (t)7.2.2 Kelvin 模型Kelvin模型又称非松弛模型。这种模型曾由W . Voigt和Kelvin提出， 故又称为VoigtKelvin模型。它是由线性弹簧和牛顿粘壶并联组成，如图7-5 （a）所示。在并联条件下，两个元件的应变相同，而总的应力应为两个元件的应 力之和，即b=b + b = Es +（）若在t = 0时，瞬时地加上应力b=b，并保持不变，则由式可得 09 + E

11、s =。积分上式，得s=E（! S ）（）式中人衰减系数，X = =；n 9n 滞后时间。（a）（b）图7-5 Kelvln模型由式可知，当t F，应变趋于个稳定值。/E。o若物体获得初始弹性应变S 0之后保持应变不变，即s =0。由式得b = Es =常量（）上式表明在这种情况下应力不衰减。下面讨论蠕变试验的情况。在蠕变试验中，首先对试件施加应力b，然后 0保持应力为定值来量取作为时间函数的应变值。若取瞬时加载的时刻为t=0，则 加载过程可表示为：b =b u （t）（）式中u （t）单位阶梯函数。将式 +人 =% u (t)()9注意到单位阶梯函数有如下性质t f GL （T -1 ）dT

12、 = U （T -1 ）f1 f G）&此处T为积分变量。1t1积分式，得（t） =当（1 - e Qu （t）（）1 E式中人=一 n 9式表示Kelvin（t ） = W（t）模型的蠕变规律，可简记为:式中 中(t)蠕变函数。蠕变函数的表达式为中(t)= 1 (1 - e-Qu (t)()E7.2.3三元件粘弹性模型图7-6a表示个三元件粘弹性模型。它是由线性弹簧和Kelvin模型串联组成， 包括二个线性弹簧和一个牛顿粘壶，共三个元件，故称三元件粘弹性模型。用/ 表Kelvin模型的应变，广表示与Kelvin模型串联的线性弹簧的应变，L表示 Kelvin模型中线性弹簧中的应力，。表示牛顿粘

13、壶中的应力，。和分别表示 总应力和总应变。分析各元件的应力或应变相互间关系，不难得到下列各式： TOC o 1-5 h z = + ”（）b=b+b”（）b= E （）b = E 将（）b=9（）式中E与Kelvin模型串联的线性弹簧的弹性模量;E Kelvin模型中线性弹簧的弹性模量；9牛顿粘壶的粘滞系数。结合式()(E + E)b +b = E Ee + E 式还可改写为:nb+b = nH 8+ E()式中()9E + E图7-6三元件粘弹性模型EE()()若物体作用有初始应力b ,且保持不变，即b = 0 ,且在t = 0时，8=b /H 。 于是，由式可求得应变的变化规律为：8=b+

14、 HZE b(1 - Mt/Hn )()H HE上式表示的应变随时间的变化规律如图7-6 (b)所示。图中应变起始值为b /H， 最终值为b /E，其应变速率由起始时的最大值逐渐趋于零。若物体获得初始弹性应变80后总应变保持不变，即8=80，8 = 0且在t = 0时，b=H80。于是，由式可求得应力随时间的变化规律为：b = E8 0 +(H - E )8 0 e-t / n()上式表示的应力变化规律如图7-6(b)所示。由图可以看到，物体中的应力从 最初的H8 0衰减到最终值E8 0。若物体初始时作用有应力b=b 0，以后随时间变化作用有应力b=b(t)。根据叠加原理，由式可以得到在时刻t

15、时物体的变形， TOC o 1-5 h z 8=20 + H-E b (1 - e-EHHn )+t P + H-E (1 - e-EOMn竺成()H HE 00 _ HHEdx对上式右端进行分部积分，得8 =幻 + HE f tb (j -E(t-T)/HndX()HH 2 n 0记生Ee-E(t-J)/Hn = K (l)()则式可改写为()8 =+ j b G)K (t -T )dTH 0式通常称为线性遗传方程。式中H称为瞬时弹性模量，K(t-T)称为遗传函数， 它表示在t时刻作用的应力对时刻t的变形的影响。三元件粘弹性模型除了上述介绍的基本形式外，还有其它组成方式的三元件 粘弹性模型。

16、如由Maxwell模型与一个粘壶并联组成，或由一个粘壶与Kelvin模 型串联组成。这些形式的本构方程读者自己不妨加以推导。7.2.4广义Maxwell模型和广义Kelvin模型增加组成模型的元件数，可以得到更为复杂的模型应用得较多的是广义 Maxwell模型和广义Kelvin模型。图7-7广义Maxwell模型广义Maxwell模型是由一个线性弹簧和一系列 Maxwell 模型并联而成，如图7-7所示。若t = 0时模型获得单位弹性应变80 = 1后，保持总应 变不变，模型中的应力随时间的变化应等于各简单模型之和，即 TOC o 1-5 h z G(t)= E0 +Z Ee-1/n()i式中

17、G(t)松弛弹性模量，等于单位总应变所对应的应力；n 松弛时间，n = p / E。ii i i若模型的应变可用8 (t)表示.其本构力程可由叠加原理得到，b(t)=8 G (t )+j tG (t -T ) dL dT()利用分部积分法，上式可改写为：b(t )= 8 (t)G(0)+ j18(T ) dG，-? dT()0d (t -T)上式又可简写为：b (t)= 8 (t)E + j 18 (T)R (t -T )dT()0式中R (t-t)=当M ；d (t-T )图7-8广义Kelvln模型广义Kelvin模型是由一个Maxwell模型和一系列Kelvin模型串联而成， 如图7-8

18、所示。若t = 0时模型受到单位应力G= 1)后保持不变，它的总应变等 于各个简单模型的应变之和，即 TOC o 1-5 h z J (t )=-! + !-1 + C1 e-2 )()E09 0 E式中J (t)蠕变柔度，等于单位应力引起的应变；七一一衰减系数，七=E /9.，其倒数为延迟时间。若模型的应力用b(t)表示，其本构力程可由叠加原理得到，(t) = b J (t )+t J (t t)dx()利用分部积分法，上式可改写为：& (t)=n (t) J (0)+ / P G )汨()0d (t T)记J (0 ) = 1，JT = K (t t)这样就得到了与式相同的线性遗传力程，H

19、 d (t t)() (t)= +tb (tK (tT)dTH 07.3粘塑性模型既具有粘性又具有塑性性质称为粘塑性。粘塑性体在荷载作用下，当应力达 到某临界值时，屈服和流动现象发生，其变形速率与物体的粘性有关。材料的粘 塑性可由粘性元件(粘壶)和塑性元件(摩擦件)组合来描述。Bingham模型是由理想刚塑性模型和牛顿粘壶并联而成，如图7-9 (a) 所示。显然，Bingham模型只有当应力达到屈服极限时，才开始变形。在此以前 表现为刚性，屈服以后，呈现出粘塑性性质。其本构关系为：b =b +9(7.3.1)5当bb时，由式7.3.1，得(b)(7.3.2)b b9 (a)图 7-9 Bing

20、ham 模型对Bingham模型，应力b b,时，应力可由式7.3.1 确定，而应变无限地增大。7 . 4粘弹塑性模型粘弹塑性是包含了弹性、粘性和塑性三力面的性质。粘弹塑性可以由弹簧、 粘壶和摩擦元件的各种组合来描述。下面简略介绍一个三元件粘弹塑性模型。图7-10表示一个三元件粘弹塑性模型，由线性弹簧、牛顿粘壶和一 个摩擦件组成。首先考虑线性强化情况，然后再分析理想粘弹塑性情况。对这一 模型，总的应变为：8=8 e +8 vp（7.4.1）式中 8 e 弹性应变；8 vp 粘塑性应变。弹簧中应力与总的应力相等，即b = be = E8 e（7.4.2）摩擦件中应力b p取决于是否已经达到屈服应

21、力b ，可表示为:式中B 强化参数，定义为:式中Et 切线模量。当b p b时，还有b p = b e = b b b ）dbdb,-B = = E / 1 -d 8 pd 8 - d 8 p ） t（7.4.3）（7.4.4）（7.4.5）结合式7.4.4和式7.4.6，得。8 vpbp=b-bv=b-所图7-10三元件粘弹塑性模型（7.4.6）结合式7.4.1ds 叩b =b + Bs vp +-(7.4.7)(7.4.8)BEs +9E冬=Bb + E(b -b )+ 竺 dtsdt记a =上，称为介质流动参数，中则式7.4.8可改写为:(b + Bs vp )(7.4.9)因此，粘塑性

22、应变率为:G + Bs vp )svp =a b -()式表明粘塑性应变率是由超过稳态屈服应力的那部分应力值(称为“过应力”) 所决定的。若作用于模型的应力为常值。时，即* / dt = 0 A写为:()佻 a BaBs+3 = eb +a(b -b )式的解为:s 二 + !aE B对于理想粘塑性材料，B = 0，利用罗比达法则，式可改写为s = a + (b -b )atE a1 - exp (- Ba t)()()对于更复杂的弹粘塑性模型读者可参阅有关专着，这里不作进步介绍了。7 . 5蠕变物体的蠕变现象可以采用由一定数量的弹性、粘性和塑性元件组成的模型来 描述。但元件多了，计算相当复杂

23、，且其关系不容易由试验确定。在实际应用中， 常常直接由试验来确定应力、应变和时间之间的关系。下面简单介绍几种主要的 蠕变方程的形式。.老化理论老化理论假设蠕变应变与应力、时间之间具有某种函数关系，即s c = f (b, t)(7.5.1)式中 s c蠕变应变。物体的总应变将由三部分组成，即8 =8 e + p + c(7.5.2)式中8 c ,8 p 分别为弹性应变和塑性应变。当应力未超过屈服应力时，8 p = 0，则式7.5.2可改写为：8= f G, t )+E(7.5.3)图7-11应力-应变-时间实测曲线Buisman(1936)根据大量的试验资料，认为饱和粘土的时间与沉降关系在半对

24、数坐标上呈线性关系(图7-11 )，即p = hAo(a +a logt)(7.5.4)式中 p沉降；h 土层或试样起始高度；E 竖向应力增量；a p 主固结系数；a时间效应系数。式7.5.4可改写成：8 = a +a logt(7.5.5)式中 8, =p / h ;a = Aaa ；pa = a Ab。.流动理论流动理论认为蠕变应变速率与应力、时间之间存在某种简单的函数关系，即8c = f G,t)(7.5.6) 式中蠕变应变速率。物体的总应变速率可表示为：8=8 e +8 p +8 c(7.5.7) 式中 8 ,e 8 p 分别表示弹性应变速率和塑性应变速率。试验资料表明，正常固结粘土和超固结粘土，在排水或不排水条件下，其应变速率和蠕变时间的关系在全对数坐标上呈线性关系。应变速率与应力的关系 也是线性关系（图7-12）。应变速率与时问的关系为：In 8 = ln 8 (t, q )-m In 式中8应变速率；8&,q）单位时间的应变速率，为应力q的函数;1 单位时间（即1分钟）；m 关系曲线的坡度，一般为0.751。应变速率与应力的关系可表示为：ln 8 =