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针对材料拉、压弹性模量模差异特性，Ambartsumyan 提出了基于主应力空间的双模量静态本构
模型，国内外学者们对其计算求解方法进行了大量的研究，主要分为解析法 ［10-11］ 和数值法 ［12-13］ 。解
析 法 主 要 应 用 于 简 单 结 构 在 简 单 荷 载 作 用 下 的 响 应 求 解 ， 但 对 于 复 杂 结 构 在 复 杂 荷 载 下 的 响 应 ，
解析解难以适用。数值法主要聚焦于算法改进和实际应用两个方向。由于直接对 Ambartsumyan 双
模量本构模型进行数值求解时收敛性较差，学者们提出了众多改进算法 ［14-15］ 以提高求解的稳定性
和收敛性。一些学者 ［13，16-17］ 通过对刚度矩阵补充严格推导的剪切模量项，显著提高了模型在求解
复杂结构问题中的收敛性和稳定性。在实际工程应用上，Pan 等 ［18］ 将双模量理论引入至沥青路面
计算，对比分析了双模量模型和单模量模型对沥青路面静态响应的影响。结果表明：忽略双模量效
应，将导致特征点应力误差接近 3 倍。Li 等 ［19］ 研究了固定应变率下双模量效应对沥青混凝土心墙动
应力的影响，结果表明：忽略双模量效应将导致心墙动压应力大幅减小。尽管双模量静态本构模型
在一些工程领域已有实际应用，但考虑应变率效应的双模量动态本构模型的构建及应用尚不完善。
动态双模量效应对结构动力响应的影响，特别是对沥青混凝土心墙防渗体抗震性能的影响，亟待开
展深入研究。
因此，本文基于单轴动态拉伸、压缩试验结果，以 Ambartsumyan 主应力空间双线性静态本构模型
为基础，考虑拉、压泊松比的差异，依据应力状态算得等效应变率，探讨弹性模量确定、拉压状态判
断与等效应变率计算三者之间的耦合关系，开发增量迭代解耦数值分析算法，建立出水工沥青混凝土
双模量动态本构模型，并与试验结果进行对比验证。最后基于所建双模量动态本构模型对某沥青混凝
土心墙坝进行地震时程分析，研究动态双模量特性对心墙动应力、加速度、动应变的影响规律，旨在
为高寒强震区沥青混凝土心墙土石坝的抗震安全评价提供可靠模型和方法。

2 水工沥青混凝土双模量动态本构模型

2.1 水工沥青混凝土的双模量特性 单轴动态拉伸与动态压缩试验结果表明：水工沥青混凝土在低
温、动态荷载作用下表现出明显的双模量效应和率敏感性 ［7-8］ 。图 1 给出了 0 和 10 ℃时，水工沥青混凝
土在不同应变率下的压、拉弹性模量对比情况。从图 1 可见，水工沥青混凝土的压、拉弹性模量均随
着应变速率的增加而增大，但增大幅度不同，导致压拉弹性模量比显著增大：0 ℃时，10 s 应变率
-1
-2
下压拉弹性模量比为 2.87，达到了准静态的 2.24 倍；10 ℃时，达到了准静态的 2.14 倍。

图 1 不同应变速率下的水工沥青混凝土压缩和拉伸弹性模量及其比值 ［7-8］

图 2 给出了不同温度下的水工沥青混凝土单轴动态应力-应变曲线 ［7-8］ 。如图 2 所示，水工沥青混
凝土在 0 ~ 10 ℃条件下呈现出典型的拉、压非对称性。在拉伸状态下，当应力超过极限应力时，材料
发生断裂，呈现出脆性特征；在压缩状态下，峰值应力前为弹性段，超过峰值应力后发生损伤，出现
应变软化现象。由于压缩峰值应变约为拉伸峰值应变 2 倍，峰值应力约为 3 倍，因此在地震往复荷载

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