微结构依赖的界面土分数阶本构模型

【目的】建立考虑微结构影响的界面土本构模型并对其进行验证。【方法】模型中引入考虑颗粒定向排列和颗粒破碎影响的微结构标量,该标量影响了剪胀状态线与临界状态线之间的距离。采用土体分数阶塑性本构方法,建立微结构依赖分数阶本构模型。采用带误差控制的欧拉-柯西算法,在Matlab中编写所建立的模型,并验证在三维和二维、不同边界条件、不同微结构边界值情况下,模型数值模拟与实际试验数据的应力变形规律的匹配性。【结果】建立了含有10个模型参数的界面土分数阶本构模型,该模型可以准确地描述在三维常法向应力/刚度条件下界面土的三维剪切行为。微结构标量向其边界值演化,在不同微结构边界值条件下,模拟预测值均高于实测值,但预测值的应力位移变化趋势均与试验数据的一致。【结论】所建模型可以较好地模拟界面土硬化、软化、剪胀和剪缩等力学行为,且模型参数均可通过试验获得。本研究可为考虑微结构影响的土与结构物接触面本构理论研究提供参考。

砂土与结构物界面的应力-位移-微结构特性及本构模型

砂土与结构物界面受剪时微结构会发生演变,并产生状态依赖的应力位移行为。采用界面直剪仪对不同常法向刚度和常法向应力条件下的砂土-钢板界面进行单调和循环剪切试验,并通过高清图像识别技术分析剪切过程中的界面微结构的演变,发现:常法向刚度和常法向应力条件下单调剪切时界面均发生不同程度的剪胀,常法向应力条件下的剪切会使试样产生更明显的软化行为和较多的微结构变化,即颗粒概率熵会随着剪切位移的增大而逐渐增加;循环加载时,处于临界状态线下方的界面土会交替出现剪缩和剪胀现象,伴随着界面的微结构发生波动演变,界面总体会表现出较强的剪缩;先期循环剪切会使得界面发生强度弱化;可见微结构演化影响着界面土的剪胀。为描述此类现象,提出基于微结构演化的动态剪胀状态线,据此建立砂土-结构物界面的非关联随动硬化弹塑性本构模型。模型有12个参数,均可通过试验获得。通过模拟试验数据发现,模型可以合理描述界面的剪胀和软化等力学行为,特别是循环荷载作用下界面的强剪缩行为。