本构模型(Constitutive Models)选择

1. 引言

岩土材料不同于钢和混凝土材料，在选择本构模型时更困难。岩土材料有三个特点，这三个特点导致在数值计算时会产生特殊的问题。

第一个问题是物理不稳定性。如果岩土材料破坏时出现软化行为，就会出现物理不稳定性。当物理不稳定性发生时，部分材料储存的能量会以动能形式释放，这会导致解答可能无法收敛。

第二个特点是非线性材料的路径依赖性。大多数地质力学系统有无数的解决方案可以满足描述系统的平衡、兼容性和本构关系。为了找到一个"正确"的解决方案，必须指定一条路径。例如通过爆炸的开挖是突然进行的，那么解答可能会受到惯性效应的影响，从而引入材料的附加破坏；但如果开挖是逐渐进行的，那么这种情况就不会出现。数值求解方法应该能够适应不同的加载路径以正确应用本构模型。

第三个特点是应力-应变响应的非线性。这包括弹性刚度和强度包络对约束应力的非线性依赖，包括极限破坏后的行为，它根据应力水平而改变特性(例如在拉伸、非约束和约束条件下的不同破坏后响应)。数值求解方法需要能够适应这些不同形式的非线性。

上述在地质力学数值模拟中所面临的困难---物理不稳定性、路径依赖性以及极端非线性本构模型的模拟可以通过使用显式动态的求解方法来解决，例如FLAC3D和3DEC。显式动态的求解方法允许数值分析以真实的方式跟踪地质力学系统的演变，而不必担心数值不稳定的问题。显式动态求解方法建立了完整的动态运动方程，即使模拟的物理系统不稳定，例如边坡的突然倒塌，但数值解是稳定的。当系统中的一些应变能量转化为动能时，因为包括了惯性项，所以能够耗散动能而达到静力平衡。显式动态求解方法直接模拟了这一过程。(zone mechanical energy active/clear)

相反，如果求解方法中不包括惯性项，那么必须使用一些数值程序来处理物理不稳定性。即使该过程能成功地防止数值不稳定，但所应用的路径也可能不是真实的。系统的物理演化方式会影响到解的结果。显示动态的求解方案可以遵循物理路径。通过包括完整的运动规律，可以评估加载路径对本构响应的影响。显式动态求解方案也允许实施强非线性本构模型，因为一般的计算顺序允许模型中每个元素的场量(力/应力和速度/位移)在一个计算步骤中相互物理隔离，通过增量公式可以实现弹性/塑性本构模型。

2. 本构模型

FLAC3D/3DEC包含了线性和非线性的本构模型[FLAC3D 7.0 新特性简介(P3)---新的本构模型]，通过下面的代码调用。

zone cmodel assign (FLAC3D)block zone cmodel assign (3DEC)

2.1 Null Model Group

Null Model

2.2 Elastic Model Group

(1) Isotropic Elastic Model

(2) Anisotropic (Transversely) Elastic Model

(3) Orthotropic Elastic Model

2.3 Plastic Model Group

(1) Drucker-Prager Model

(2) Mohr-Coulomb Model

(3) Ubiquitous-Joint Model

(4) Anisotropic-Elasticity Ubiquitous-Joint Model

(5) Strain-Softening/Hardening Mohr-Coulomb (SSoft) Model

(6) Bilinear Strain-Softening/Hardening Ubiquitous-Joint (SUBI) Model

(7) Double-Yield Model

(8) Modified Cam-Clay Model

(9) Hoek-Brown Model

(10) Hoek-Brown-PAC Model

(11) Cap-Yield (CYSoil) Model

(12) Simplified Cap-Yield (CHSoil) Model

(13) Plastic-Hardening (PH) Model

(14) Swell Model

(15) Mohr-Coulomb Tension Crack (MohrT) Model*

(16) Soft-Soil Model

(17) NorSand Model

(18) Finn Model

(19) P2PSand Model

(20) IMASS Model

2.4 Creep Constitutive Models

(1) Maxwell Model

(2) Burgers Model

(3) Power Model

(4) WIPP Model

(5) Burgers-Mohr Model

(6) Power-Mohr Model

(7) Power-Ubiquitous Model

(8) WIPP-Drucker Model

(9) WIPP-Salt Model

(10) Soft-Soil-Creep Model