GEO5有限元分析模块材料模型简介

　　岩土工程有限元分析计算模块是GEO5一个非常重要的分析模块，该模块包含的分析类型包括：应力应变分析、稳定流非稳定流分析、边坡稳定分析及固结分析。

　　今天就给大家简单地介绍一下本模块中可以使用的材料模型种类及相应的特点。材料模型是用来反映材料应力应变数学关系的表达式，也称为本构方程或本构关系数学。这些模型可以分为两类——线性模型和非线性模型。

　　1.其中线性模型包括线弹性模型和修正线弹性模型

　　线弹性模型是最基本的材料模型，它采用Hooke定律，假设应力和应变之间是线性关系。对岩土材料来说，只有当施加的荷载相对较小时才能使用线弹性模型，因为当进行卸载时，卸载回弹的变形通常小于总的变形，

　　而修正线弹性模型在将加载和卸载阶段分别采用不同的弹性模量，可以反映卸载后再加载到卸载前这段过程中岩土体的应力应变情况。线性模型对材料应力应变的分析相对较快，但不是非常精确。当只关注岩土体应力或应变的状态时，可以使用这种模型。　

　　2.基本的非线性模型可以进一步分为两种类型

　　第一类模型基于Mohr-Coulomb（莫尔-库伦）破坏准则。Drucker-Prager模型，Mohr-Coulomb弹塑性模型，修正Mohr-Coulomb弹塑性模型都属于这一类。这类模型可以模拟材料的硬化和软化，且其共同特点是当沿着静水压力轴（σ1=σ2=σ3）对材料施加压力时，材料只发生弹性变形。

　　第二类模型的代表模型是修正Cam-clay模型（修正剑桥模型），广义Cam-clay模型（广义剑桥模型）和亚塑性模型，这类模型的理论基础是临界状态土力学。

　　1)Mohr-Coulomb弹塑性模型采用了弹塑性理论，能较好地描述土体的破坏行为，主要适用于在单调荷载下以颗粒结构为特征的材料，如土壤，可以用于低坝、边坡等稳定性问题的分析。

　　2)修正Mohr-Coulomb弹塑性模型（MCM）对Mohr-Coulomb屈服面中的尖角进行了平滑处理。

　　3)Drucker-Prager模型修正了Mohr-Coulomb屈服函数，消除了由尖角造成的奇异点。适用于实质上是单调加载的场合，如土基的极限荷载分析。它最适合用于仿真有内摩擦力的材料。　　

　　4)修正的Cam-clay模型为等向硬化的弹塑性模型，它修正了剑桥模型的弹头形屈服面，采用帽子屈服面（椭圆形），以塑性体应变为硬化参数，能较好地描述黏性土在破坏之前的非线性和依赖于应力水平或应力路径的变形行为，本模型从理论上和试验上都较好地阐明了土体的弹塑性变形特征，是应用最为广泛的软土本构模型之一。

　　5)广义Cam clay模型对MCC（修正剑桥模型）进行了很大的改进，尤其是对模拟处于超临界区域的岩土材料进行了优化。

　　6)亚塑性模型适用于较软的细粒土。它属于临界状态模型（修正剑桥模型，广义剑桥模型），但是亚塑性模型可以同时反映岩土体在加载和卸荷时的非线性应力应变行为。和其他基于弹塑性理论的模型相比较，亚塑性模型可以只计算总应变，因此，亚塑性模型中并不区分弹性应变和塑性应变。在其他模型中，潜在滑动面的类型和位置可以通过绘制等效塑性偏应变来表示，但是，在亚塑性模型中，潜在滑动面可以通过机动摩擦角的分布来表示。

　　这里只简单介绍了每个材料模型的特点，具体的介绍请参照GEO5岩土工程有限元分析软件帮助中的岩土材料部分。选择一个合适的材料模型对于预测岩土材料的真实应力和应变是非常重要的，所以朋友门在使用有限元软件进行岩土设计分析时，首先要对材料模型有所了解。