2.22 土壤材料

关于土壤材料的知识请访问网站www.geomaterialmodeling.com。

也可参考文档 http：//ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/support/FAQ_kw/soil/civil_engineering_powerpoint_from_ARUP.pdf，文档里有介绍适用于土壤碰撞模拟的建模方法。

对土壤冲击问题的建模有多种解决方法。在所有解决方法中，主要挑战都可能涉及本构模型输入数据的获取。下面为土壤建模的方法介绍：

（1）拉格朗日有限元方法，或者带有材料侵蚀和网格自适应的EFG方法；

（2）ALE方法；

（3）SPH方法；

（4）具有键单元的DES方法，使用键模型（*define_de_bond）对土壤进行模拟；

（5）*define_adaptive_solid_to_sph或*define_adaptive_solid_to_des的混合方法。计算从实体拉格朗日单元开始，随着这些实体单元失效并被删除，它们将被SPH（或DEM）粒子替换。因此，质量得以保留，并且使用代表失效材料的粒子继续进行计算。

LS-DYNA中可能适用于对土壤建模的材料模型有以下几种。

（1）mat 1：弹性材料。

如果变形很小（如在一些跌落冲击中），则可以合理地认为土壤行为是线性的。

(2)mat 5:mat_soil_and_foam.

这是一个非常简单的模型，具有取决于压力的屈服面和拉伸阈值，常用于侵彻分析。一些样本材料常数（未知土壤类型，仅供参考）如下：

（3）*mat_soil_and_foam_failure：类似于mat 5，但在达到拉力阈值后将不会承受张力。

(4)mat 16:pseudo_TENSOR.

该模型包括针对 Mohr-Coulomb 破坏面的选项。使用该模型进行弹丸侵彻土壤的示例（使用欧拉单元对土壤进行建模），请参见http：//ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/support/FAQ_kw/soil/penetrator_vs_ale_mat16soil.k.gz。

(5)mat 25:mat_geologic_cap_model.

该模型仅限于两个应力不变量（J2和J1），因此不能表征岩石和混凝土的众所周知的特性，即岩石和混凝土的三轴延伸（TXE）较三轴压缩（TXC）弱。要考虑这一点，需要一个包含J3的三不变模型。mat 145提供了由Schwer和Murray开发的三不变的平滑模型。

(6)mat 78:mat_soil_concrete.

(7)mat 79:mat_hysteretic_soil.

Richard Sturt在2010年5月6日为mat_079添加应变率效果，在2010年5月18日推出关于mat_hysteretic_soil的一个新功能：可以输入所需的摩擦角，然后对屈服面进行缩放以实现准Mohr-Coulomb屈服行为。

(8)mat 80:mat_ramberg-osgood.

该模型可用于地震分析，描述土壤的简单剪切特性（基于经验并假定偏应力是不耦合的；压力是弹性的），通过滞后行为来耗散能量。

以下3种型号由Aptek开发或共同开发（联系人是Yvonne Murray，yvonne@aptek.com）。

(9)mat 145:mat_schwer_murray_cap_model.

(10)mat 147:mat_fhwa_soil,mat_fhwa_soil_nebraska.

(11)mat 159:mat_cscm.

第一种模型是连续表面地质帽模型，主要是增强型145号材料。

后两种模型均使用大致相同的光滑帽三不变塑性表面和黏塑性方式，以提高高应变速率下的强度。但是，在 mat 159 中增强了各向同性的破坏公式，以更好地模拟爆炸破坏的钢筋混凝土柱以及受车辆影响的混凝土结构（路边安全性）。因此，可能mat 159能够更好地模拟混凝土中的损伤。

mat 145具有mat 159中没有的两个功能：①带有Mie Gruneisen状态方程的显式孔隙塌陷模型，用于基于Rankine-Hugoniot关系考虑非线性压力-体积应变，可使用此公式对炸药附近的土壤压实进行建模；②各向异性标量损伤模型。

下面的几个模型是由Arup开发的。

(12)mat 173:mat_mohr_coulomb (Release 3 of v.971).

可用于沙质土壤和其他颗粒状物料。

(13)mat 192:mat_soil_brick.

(14)mat 193:mat_drucker_prager.

(15)mat 232:mat_biot_hysteretic.

上述模型在土结构相互作用分析中用于模拟循环荷载作用下几乎与频率无关土壤的黏性行为。

沙土的黏聚力通常为零。可以使用 mat_173（*mat_mohr-colomb）或 mat_016 的Mohr-Coulomb屈服面选项对无黏性沙进行建模。

拉格朗日实体或SPH可以与任一材料模型一起使用。

DEM（离散元法）可用于粒状材料的建模，相关关键字为：

*element_discrete_sphere

*control_discrete_element

*define_de_to_surface_coupling

*define_de_active_region

孔压（pore pressure）：考虑了孔隙压力的土模型本构。如

mat_145 (developed by Len Schwer,Len@Schwer.net)

mat_147 (developed by Yvonne Murray,yvonne@aptek.com)

mat_159

mat_16 with eos_11 (*eos_tensor_pore_collapse)

此外，可以使用PWP系列关键字将孔隙压力添加到任何材料中。

*boundary_pwp

*boundary_pore_fluid

*control_pore_fluid

*database_pwp_flow

*database_pwp_output

*initial_pwp_depth

*mat_add_permeability

*load_added_pwp

文档 http：//ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/support/FAQ_kw/soil/BWalker_Jan2008.pdf 的第65页是孔隙压力的简要说明。

当缓慢加载饱和的粗颗粒土壤（沙和砾石）时，会发生体积变化，由于高渗透率，会导致多余的孔隙压力迅速消散，这称为排水加载。另一方面，当加载细颗粒的土壤时，它们会产生多余的孔隙压力，这些孔隙压力仍然保留在孔隙内部，因为这些土壤的渗透率非常低，这称为不排水加载。可以使用*control_pore_fluid和*boundary_pore_fluid模拟排水和不排水的条件。也可以使用其他与孔隙压力相关的关键字。