基于Davidenkov骨架曲线模型的修正不规则加卸载准则与等效剪应变算法及其验证

非等幅循环荷载作用下,采用"扩展Masing"法则修正应力–应变滞回曲线时,程序的实现过程中需要预留大量的状态变量。针对该问题,提出了Davidenkov本构模型的不规则加卸载修正准则,以代替"扩展Masing"法则中的"上大圈"准则。通过等效剪应变算法的比选,给出了加卸载判据简单且精度更高的等效剪应变算法。基于ABAQUS软件的显式模块,开发了基于不规则加卸载准则的修正Davidenkov本构模型的显式子程序模块,适用于大规模二维和三维场地非线性地震效应分析。选取Mississippi湾500 m深的钻孔作为计算模型,通过与一维场地非线性地震效应分析专业程序Deepsoil计算得到的输入不同强度地震动下的地表峰值加速度、PGA=0.65g的场地地震反应的对比分析,佐证了提出的Davidenkov本构模型不规则加卸载准则与等效剪应变算法的合理性。

基于Drucker-Prager屈服准则及加卸载判据的圆形隧道围岩-支护作用机制探讨

隧道围岩-支护相互作用机制是隧道力学中的基础理论,为了准确描述围岩与支护结构对隧道应力变形的影响,假定围岩本构模型为理想弹塑性模型,采用适用于岩土材料的Drucker-Prager屈服准则,考虑加卸载判据,证明了圆形隧道的开挖过程是一个加载过程,支护过程是卸载过程。通过大型有限元仿真软件Abaqus计算了平面应变情况下圆形隧道开挖与支护过程的弹塑性解。数值分析结果与理论公式结果相吻合,表明开挖的过程是解除内压、增大压差的加载过程,支护过程为施加内压、减小压差的卸载过程。支护后的围岩应力增量和位移增量符合弹性规律,且支护过后的应力等于开挖后的应力减去弹性应力。支护过程的卸载效应使得开挖过程产生的塑性区变成了残余变形区。研究结果可为工程应用提供参考。

广义塑性力学的加卸载准则与土的本构模型──广义塑性力学讲座(3)

首先介绍了广义塑性力学的加卸载准则，该准则能准确判断各应变分量的加卸载状态，可以方便地应用于数值分析。然后提出了基于广义塑性力学的土本构模型。通过试验，给出了硬化压缩土和硬化剪胀土的屈服条件与计算参数，并由算例说明了其合理性。

岩土弹塑性理论的加卸载准则探讨

将当前岩土弹塑性加卸载准则分为３类：基于屈服面概念的加卸载准则、应力型加卸载准则和应变型加卸载准则，指出了它们存在的问题．在岩土硬化阶段加卸载过程分析中，发现弹性应变增量、应变总量易于计算，又与塑性应变具有相关性，适于用作判断加卸载的参量．基于硬化情况下的应变增量分析，提出了一种新的应变型加卸载准则．该准则适用于岩土的硬化阶段，物理意义明确且简单适用．将该准则推广到多维及理想塑性情况，并对软化、应力洛德角变化及主应力轴旋转情况下的加卸载准则进行了讨论．

基于修正Drucker-Prager准则的岩石次加载面模型

为模拟岩石在循环加、卸载作用下的变形特性,结合Drucker-Prager(简称D-P)屈服准则与次加载面理论,建立了能考虑岩石材料实际抗拉强度和应力角效应的循环加、卸载模型。首先考虑岩石在三轴压缩和在三轴拉伸状态下不同的强度特性,在传统的D-P屈服准则中引入角隅模型,并借鉴殷有泉提出的D-P-Y准则,形成了修正的D-P屈服准则;进一步结合修正屈服准则和次加载面理论,提出了适用于岩石循环加、卸载的次加载面模型,并通过自编程序,实现了循环加、卸载模型的数值表达与岩石循环加、卸载试验数值仿真。计算结果表明,基于修正D-P屈服准则的次加载面模型能较好地描述岩石的曼辛效应和棘轮效应;通过改变抗拉强度的大小,可以发现随着抗拉强度的减小,岩石的变形量相应增加,且增加的幅度逐渐提高,说明修正模型可准确反映抗拉强度对岩石的循环加、卸载变形的影响。

基于摩尔-库伦准则的岩石材料加(卸)载分区破坏特征

材料内一点的应力状态可以用摩尔圆来表示,而同一点的不同的应力状态可以用坐标系内应力圆的不断变化来表示,应力圆的变换主要可以分为"平移"、"翻转"、"半径扩大""半径缩小"4种方式,这4种方式几乎包含了岩石材料的所有加(卸)载过程;加(卸)载速率可以用来表征不同应力状态间的转化的快慢程度,加(卸)载速率并不是单纯的单位时间的变化快慢,可以是单位空间尺度的变化,如单位长度、单位深度等;基于摩尔-库伦准则对岩石材料"双向受压"、"双向受拉"和"一拉一压"3种状态下的加卸载过程进行了分析,并获得了与之对应的临界破坏方程,在此基础上,通过引入时间加权平均加(卸)载速率,进一步分析了岩石材料破坏与时间加权平均加(卸)载速率之间的关系,并以时间加权平均加(卸)载速率为基础对岩石材料破坏与否进行了分区;采用FLAC3D对7种不同加载路径下常规三轴数值模拟实验,模拟所获得材料发生破坏时最大主应力峰值与理论计算结果吻合度高达98%;同时又进行7种轴向与径向加载速率之比、4种加载速率条件下常规三轴数值模拟试验。结果表明,只有当轴向和径向加载速率之比处于一定范围时,材料才会发生破坏,加载速率与材料破坏时最大主应力峰值正相关,与最大主应力和最小主应力之比负相关。

广义位势理论本构模型的加卸载准则探讨

经典弹塑性理论一般通过屈服函数来确定加卸载准则。由于土体的应力应变特性比较复杂,因此,建立屈服函数的过程也较为复杂,通常需要较多的假设。广义位势理论从数学原理出发,直接建立岩土材料的本构模型,具有明确的数学依据和较少的物理假设,建模精度高。从数学角度来看,加卸载准则是广义位势理论中状态方程的分段条件。该文从数学原理和状态方程的确定方法出发,提出了分段型加卸载准则,该准则物理意义明确而且简单实用。最后,以基于广义位势理论的类剑桥模型为例,说明分段型加卸载准则的建立步骤及其合理性。

基于全过程曲线循环加卸载的岩石塑性硬化软化模型研究

基于不同围压下的岩石三轴全过程循环加卸载试验成果曲线,分离出空间塑性主应变,在屈服函数上增加塑性理论中的某种塑性硬化或软化函数项,研究满足Mohr-Coulomb屈服准则的强度参数在初始屈服、峰前硬化及峰后软化全过程中随塑性参量的动态演化规律。通过试验数据整理分析,发现岩石破坏过程中在塑性硬化阶段内摩擦角、剪胀角有一个先增加后跌落的过程,而黏聚力在塑性硬化和软化阶段均减小这一规律;并采用非线性函数对该规律进行拟合回归,得到了内摩擦角、剪胀角和黏聚力等强度参数以塑性参量为函数变量的演化模型;将该规律应用于拉格朗日数值分析中,模拟了室内大理岩试件破坏过程中的应力-应变关系曲线特征。研究表明,基于岩石全过程循环加卸载试验的力学模型能较好地描述大理岩的塑性硬化塑性软化的力学行为,具有一定的理论意义和工程应用价值。

分级加卸载下砂岩蠕变试验及模型研究

采用分级加卸载方式,利用五联流变实验系统对陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司砂岩进行单轴蠕变试验。针对岩石蠕变的衰减、稳定和加速三阶段特征,将Burgers模型中串联的牛顿体的黏滞系数修正为与应力、时间相关的函数,考虑损伤在蠕变过程中的影响,基于损伤理论和Lemaitre应变等价性假说,建立损伤体模型。将Hooke体、Kelvin模型、修正牛顿体和损伤体四者串联组成一个新的非线性损伤蠕变模型,推导新模型的本构方程和蠕变方程,该模型以一个统一的函数描述岩石在不同应力水平下的蠕变曲线。基于单轴蠕变试验结果,对模型参数进行辨识和敏感性分析,将新模型与试验蠕变曲线对比。结果表明:模型能很好地拟合岩石蠕变,模型无须采用分段函数即可描述砂岩蠕变的全过程,弥补了Burgers模型无法描述加速蠕变的不足,从而验证新模型的合理性。

分级循环加卸载作用下煤岩损伤本构模型研究

以煤岩为研究对象,通过分级循环加卸载试验研究煤岩损伤力学特性;应用Weibull统计分布函数,并引进损伤变量D,基于煤岩微元体强度符合Mises屈服准则,建立了适用于煤岩加卸载阶段的损伤本构模型;根据试验数据,采取非线性拟合的方法确定各循环等级的模型参数值,分析了模型参数的物理意义。研究结果表明:基于Mises屈服准则建立的损伤本构模型能够准确反映煤岩分级循环加卸载下的应力-应变关系;随着加卸载等级的提高,残余应变逐渐积累,弹性模量先增大后减小,滞回环形状表现为"胖"-"瘦"-"胖"的特点;本构模型参数具有明确的物理意义。

加载和卸围压条件下岩石力学特性的对比研究

为了研究岩石在加载和卸围压试验条件下的岩石力学特性,采用TAW-2000微机控制岩石伺服压力试验机,通过三轴加载和固定轴向应变卸围压的试验方法对辉绿岩进行了试验研究,分析了岩石在加载和卸围压条件下的岩石力学特性。并引入由Hoek-Brown屈服准则定义的主应力包络线切线,计算岩石峰值强度和残余强度时的粘聚力c和内摩擦角,获得了岩石在加载和卸围压条件下的岩石力学参数的变化特征。结果表明:在卸围压试验条件下,岩石在屈服破坏后,同样具有应变软化特性和破裂膨胀特性,但由于在卸围压条件下应变能的释放,岩石力学特性受围压的影响表现得更为突出。通过对加载和卸围压试验条件下的岩石力学参数进行比较分析,得到了岩石力学参数c、随围压的变化的规律。研究成果可为地下工程开挖过程中围岩受力变形特性研究提供参考。

循环加载条件下土的应力路径本构模型

土的应力应变关系与应力路径密切相关,充分接近的两条加载路径所产生的变形基本相同,因此可将任意应力路径转化为与其充分接近且易于计算变形的应力路径,从而获得变形。在此基础上,本文通过定义两个应力状态的参量,分别描述等应力比循环加载和等平均应力循环加载条件下土的塑性变形规律,以及两者的相互影响,并给出一个新的加卸载准则,在不增加任何土性参数的条件下,将现有的土的应力路径本构模型扩展应用于循环加载条件,建立了循环加载条件下土的应力路径本构模型。通过与试验结果的比较表明,本文提出的循环加载模型可较合理地反映土在往复荷载作用下的变形特性。模型简单易用,只含5个土性参数,并具有明确的物理意义。

粗粒土在三向卸载时的强度特性试验研究

卸载是引起岩土材料破坏的常见工况,为了研究粗粒土在不同中主应力系数b情况下三向卸载时的强度特性,使用真三轴仪对粗粒土进行偏应力q保持300kPa不变,球应力p不断减小的等q、等b三向等量卸载试验,分析三向卸载条件下粗粒土的强度特性,研究常用强度准则对卸载条件粗粒土的适用性。试验结果表明:在三向等量卸载条件下,粗粒土的强度参数与中主应力系数b有关;对于不同的b值,b=0时的内摩擦角φb最小,破坏应力比Mb最大;破坏应力比Mb随着b的增大而减小,且随着b的增大,减小的梯度在逐渐减小;内摩擦角φb在b值较小时随着b的增大而增大,在b值较大时随着b的增大而减小,3个方向剪切的共同影响可以解释这一变化规律;Matsuoka-Nakai强度准则、粗粒土应力不变量强度准则和Lade-Duncan强度准则这3个强度准则都能反映内摩擦角φb与b之间的这一规律,其中,Matsuoka-Nakai强度准则在b值较小时与试验结果较为接近,粗粒土应力不变量强度准则在b值较大时与试验结果较为接近;粗粒土角隅函数强度准则与等q、等b试验结果较为吻合。

土石坝有限元分析中土体卸载时计算方法分析

对糯扎渡心墙堆石坝进行了三维有限元计算,对比分析两种常用于邓肯E-B模型的加卸载准则以及回弹模量取值对土石坝应力变形的影响。结果表明:大坝施工过程中,基于加载函数的加卸载准则(简称准则1)判断的卸载回弹区域一直较大;准则1下数值计算所得的坝体位移较小,仅为采用基于应力水平s与偏应力(σ1-σ3)的加卸载准则(简称准则2)时计算位移的一半左右,加卸载准则的选取对坝体应力影响较小;监测数据表明糯扎渡大坝采用准则2时计算位移更为准确,在准则2下回弹模量取值对大坝应力变形的影响主要表现为满蓄期坝体水流向位移随回弹模量的增大而减小。

基于修正阻尼的土体非线性模型及其在Abaqus中的实现

地震等随机循环荷载作用时,常需定义较为复杂的加卸载准则(如扩展Masing准则)来描述土体应力-应变滞回曲线,导致求解过程中需预留大量的状态变量,不便于编程实现;同时,现有Masing模型及其改进模型大多仅对动剪切模量曲线进行拟合,还鲜有考虑对阻尼比曲线的拟合。针对以上两个问题,构建了基于修正阻尼的不规则加卸载准则。该准则克服了上大圈准则需要记忆所有转向点的问题,只需要记忆当前转向点和历史最值,记忆量大大减小;同时该准则能同时考虑动剪切模量和阻尼比曲线,达到了修正阻尼比的目的。基于Matasovic骨架曲线,结合提出的加卸载准则,提出了土体非线性模型并将其开发于Abaqus软件中,通过求解Mississippi湾场地地震反应,并与Deepsoil软件和Davidenkov-Chen-Zhao(DCZ)模型计算得到的场地地震反应结果进行对比分析,验证了所提不规则加卸载准则的正确性。同时,对日本KiK-net强震台网的KSRH10场地进行了地震反应分析,并与加速度时程记录及其谱加速度进行比较,验证了所提模型的适用性。

基于修正Griffith准则的岩石循环加卸载本构研究

为探究地下工程中岩石在周期荷载作用下的破坏过程,对砂岩进行了多组分等级单轴循环加卸载试验。在假设岩石的微元强度服从修正Griffith准则和微元破坏服从Weibull概率分布的基础上,引入岩石损伤理论,建立了单轴及三轴砂岩损伤本构模型。通过本构模型与试验数据拟合对比,结果表明:拟合效果均在0.99以上,即两者存在较高的相似度,故该模型将能够表述地下工程中岩石在周期荷载作用下的破坏过程,并具有一定的合理性及有效性。另外,对本构模型进行合理修正,得出修正表达式,为研究岩石加卸载破坏过程提供了新的思路。

考虑应变强化的高压缩性黏土修正双曲线模型

研究了武汉地区高压缩性黏土弹塑性本构模型。基于Duncan E～v双曲线模型，对等压固结条件下CTC应力路径三轴实验数据进行了数据拟合，得到了该条件下的非线性应力应变关系，并将卸载-再加载试验曲线的平均斜率作为卸载模量，引入了加卸载函数作为判定加卸载的准则。将该模型嵌入有限元程序对三轴压缩试验进行数值模拟，并与Duncan模型数值解及试验曲线作对比。结果表明，该模型较Duncan模型能更好的体现正常固结黏土在CTC路径下的应力应变关系，特别是加载后期的应变强化效应，与试验曲线的最大相对误差不超过5％。

玄武岩格栅增强ECC复合材料反复荷载作用下本构关系模型

为了研究玄武岩格栅增强水泥基复合材料(ECC)反复荷载作用下的力学性能,考虑玄武岩纤维复材(BFRP)格栅层数和加卸载循环方式,对玄武岩格栅增强ECC薄板试件进行了单轴反复拉伸试验。试验结果表明:玄武岩格栅与ECC复合,充分发挥了玄武岩格栅的材料性能,进一步提高了基体ECC的延性。随着玄武岩格栅层数的增加,玄武岩格栅增强ECC的极限抗拉强度显著增大。依据试验结果建立了反复荷载下玄武岩格栅增强ECC的本构关系模型。计算结果表明:该模型可以有效地预测反复荷载下玄武岩格栅增强ECC的应力-应变关系、极限抗拉强度、极限拉伸应变和残余塑性应变。

重复荷载作用下T形截面柱箍筋约束混凝土加卸载准则

为研究T形截面柱箍筋约束混凝土在重复荷载作用下的加卸载模型,在已有5根箍筋约束混凝土T形截面柱轴心重复受压性能试验研究基础上,采用ANSYS有限元软件对其受力过程进行分析,研究了T形截面柱箍筋对核心混凝土的有效约束作用。综合有限元分析结果及试验结果,建立了T形截面柱约束混凝土的抗压强度和峰值应变计算式,计算值与试验值吻合良好。通过分析重复荷载作用下箍筋约束混凝土的应力-应变包络线、共同点轨迹线的特征,发现共同点轨迹线与包络线形状相似,给出了应力-应变包络线方程,计算结果与试验结果吻合良好。据此建立了重复荷载作用下T形截面柱箍筋约束混凝土的卸载曲线、再加载曲线方程,计算曲线与试验曲线吻合较好,说明建议的加卸载准则能较好地反映轴压重复荷载作用下箍筋约束混凝土的应力-应变曲线的变化规律。

轴压重复荷载作用下L形柱箍筋约束混凝土加卸载准则

对5根箍筋约束混凝土L形柱进行了轴心重复受压试验,分析了轴压重复荷载作用下L形柱箍筋约束混凝土应力-应变曲线包络线,参照单调荷载作用下L形柱的箍筋约束混凝土应力-应变全曲线数学模型,建立了轴压重复荷载作用下L形柱箍筋约束混凝土应力-应变包络线方程,计算结果和试验结果吻合良好;并对轴压重复荷载作用下L形柱箍筋约束混凝土加卸载曲线特征进行分析,基于试验结果的回归分析,建立了加卸载准则,与试验结果比较,二者吻合良好,说明提出的加卸载准则能够较好地反映轴压重复荷载作用下L形柱约束混凝土的应力-应变变化规律。