一种考虑钙质砂颗粒破碎的本构模型构建方法与

本发明涉及一种本构模型构建方法，更具体地说，是涉及一种考虑钙质砂颗粒破碎的本构模型构建方法。背景技术：1、钙质砂是由珊瑚骨骼、贝类、虫黄藻类等海洋生物残骸沉积而成，广泛分布在南北纬30度之间热带、亚热带气候的海岸和岛屿浅水区。因其生成环境、成因以及物质组成等因素影响，钙质砂具有颗粒易破碎、形状极其不规则、内孔隙发育、微观结构复杂等显著区别于陆源石英砂的特点。随着我国南海的开发和利用，越来越多的路堤、挡土墙、机场跑道、护岸防波堤等基础设施工程将其作为主要的吹填材料。因此，亟需构建一种能够快速、准确地反映钙质砂应力应变特性的本构模型，为岛礁工程基础设施建设提供理论依据。2、然而，钙质砂颗粒在低应力状态下即会发生颗粒破碎，产生的细颗粒将进入土体孔隙中进一步影响其应力应变关系。但是，目前对于这些研究尚未有明确的结论。故而，在已有研究的基础上，基于临界状态理论和屈服面模型，建立一种新的能够综合考虑钙质砂强度、剪胀性以及颗粒破碎的本构模型具有十分重要的意义。技术实现思路1、本发明针对以上不足之处，提出一种适用于不同相对密实度和应力条件且考虑钙质砂颗粒破碎的本构模型构建方法，采用该方法能够方便、准确地预测出钙质砂强度变化规律。2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的。3、一种考虑钙质砂颗粒破碎本构模型构建方法，其特征在于包括以下步骤：4、步骤一，将钙质砂地基平均有效应力p'、剪应力q、应力比η、体应变εv和剪应变εq表示为：5、6、7、8、εv＝ε1+ε2+ε3 (4)9、10、其中，σ1为钙质砂地基承受的竖向力，σ2和σ3为钙质砂地基承受的水平力，σ2和σ3的方向垂直；ε1、ε2和ε3分别为钙质砂地基产生的应变，三者的方向分别与σ1、σ2和σ3一致；11、步骤二，确定剪胀方程：12、砂土的剪胀性用剪胀系数d来描述，采用通用表达式：13、14、其中，d0和m为剪胀系数；m为临界状态系数；ψ为临界状态参量，可通过下式计算：15、16、其中，e为当前状态下钙质砂的孔隙比；ec为临界状态孔隙比，建立与钙质砂颗粒破碎br的影响关系式：17、18、其中，χ、κ、λc、和ξ为临界状态系数，pa为标准大气压强。19、步骤三，建立颗粒破碎和塑性功的关系：20、相对破碎br和颗粒破碎塑性功wbp之间存在良好的双曲线关系，可通过下式表示：21、22、其中，rb0为双曲线初始斜率，定义为初始破碎率；br,lim为破碎极限，为塑性功所能产生最大的相对破碎；rb0与br,lim均与钙质砂的初始孔隙比e0紧密相关，分别用如下两个公式获得：23、rb0＝a(e0)b (10)24、25、其中：a、b、c为颗粒破碎参数；表示颗粒破碎的极限；26、步骤四，确定屈服函数：27、在应力比η保持不变而围压增加时，钙质砂颗粒之间几乎不发生相对滑动，其产生的塑性变形比应力比变化引起的塑性变形小很多，屈服函数可简化为：28、f1＝q-ηp'＝0 (12)29、根据一致性条件，可得：30、31、其中，dl1为加载比例系数；kp1为塑性硬化模量，采用下式计算：32、33、其中，n为硬化参数；h为孔隙比e的函数，即h＝h1-h2e，h1和h2为硬化参数。34、弹性剪切模量g通过经验公式得到：35、36、而钙质砂在低围压水平即可发生颗粒破碎，产生较大塑性变形，加载屈服面不仅与应力应变相关，还与试样的应变历史有关。因此，需要引入另一种屈服面使得上述屈服面在p'方向封闭弹性区域，定义为体积屈服面：37、f2＝p'-p'm＝0 (16)38、同样地，根据一致性条件，可得：39、40、其中，dl2为加载比例系数；kp2为塑性硬化模量，采用下式计算：41、42、其中，cc和cr为硬化参数。43、步骤五，建立应力应变关系：44、剪胀系数d定义为塑性体应变增量dεvp和塑性剪应变增量dεqp之比，因此塑性应变增量可表示为45、46、那么，上述的两个屈服面函数可以转化为47、48、49、综上所述，钙质砂的剪应变增量和体应变增量可分别表示为：50、51、52、整理可得钙质砂增量应力-应变关系矩阵形式为：53、54、即：55、56、其中，n＝kp1kp2+kdkp1-kkp2dη+3gkp2+3gd；h(l)为阶跃函数，当l>0时h(l)＝1，反之则h(l)＝0；k为体积模量，可由剪切模量g和泊松比v表示：57、58、根据本发明目的的第二个方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述的考虑钙质砂颗粒破碎的本构模型构建方法的步骤。59、根据本发明目的的第三个方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述的考虑钙质砂颗粒破碎的本构模型构建方法的步骤。60、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：61、(1)本发明方法是综合考虑了钙质砂颗粒破碎对状态相关剪胀方程的影响以及低围压下钙质砂塑性变形等特征，建立了破碎塑性功与相对破碎的内在联系，构建了双屈服面弹塑性本构模型，原理清晰，可操作性强。62、(2)本发明方法仅采用一套合理的参数可以对不同应力状态和不同相对密实度的钙质砂试样进行模拟，原理简单、结果可靠、符合实际工程，对不同工况下钙质砂的应力应变关系能快速、准确地模拟，对于岛礁工程的建设具有十分重要的意义。技术特征：1.一种考虑钙质砂颗粒破碎的本构模型构建方法，其特征在于包括以下步骤：2.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的基于机器视觉扫描数据的考虑钙质砂颗粒破碎的本构模型构建方法的步骤。3.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1所述的考虑钙质砂颗粒破碎的本构模型构建方法的步骤。技术总结本发明涉及一种考虑钙质砂颗粒破碎的本构模型构建方法，包括明确钙质砂地基受力状态；基于临界状态理论，确定剪胀方程；考虑钙质砂颗粒破碎，建立相对破碎与破碎塑性功之间关系；通过引入体积屈服面，确定双屈服面函数；建立钙质砂的应力应变关系。本发明基于临界状态理论和屈服面模型，提出一种新的能够综合考虑钙质砂强度、剪胀性以及颗粒破碎的本构模型方法，采用一套模型参数较好地模拟不同应力状态和不同相对密实度的钙质砂动力响应，对实际工程建设具有十分重要的指导意义。技术研发人员：李宝建,贾献林,罗金平,吕国儿,陶安,於刚节,何小花,黄珊珊,徐小龙,唐玮泽,王青占,徐迪昊受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/16