胶结砂砾石坝坝料双屈服面弹塑性本构模型研究

【目的】为了准确预测不同胶结材料用量及围压下胶结砂砾石料的应力变形特征,【方法】采用理论推导与试验结果分析相结合的方法,在广义塑性位势理论框架下,依据胶结砂砾石料力学特性三轴试验结果,构建了新的剪切屈服函数和体积屈服函数。结合可反映硬化规律的塑性系数以及加卸载准则,建立了一个双屈服面本构模型,随后对比分析胶结材料用量20 kg/m^(3)、60 kg/m^(3)以及100 kg/m^(3)的胶结砂砾石料三轴剪切试验数据及本构模型的计算值。【结果】研究结果表明,抛物线型剪切屈服函数与椭圆型体积屈服函数可很好地反映胶结砂砾石料的剪切变形与体积变形机制。【结论】新的本构模型充分考虑了胶结材料用量、围压对胶结砂砾石料塑性变形、峰值强度、剪胀性等特性的影响;模型参数共有12个确定简单且物理意义明确的参数;该双屈服面本构模型的应力应变预测值与相应的三轴试验数据基本吻合。

基于材料状态相关临界状态理论的砂土双屈服面模型

分析现有砂土临界状态单屈服面模型存在的缺陷,基于临界状态理论和材料状态相关剪胀性理论,建立了一个适用于不同初始密实度的双屈服面砂土本构模型。该模型考虑了剪切变形和压缩变形机理,克服了单屈服面在一维压缩等试验条件下只有弹性应变没有塑性应变的不足,模型只用一组参数便可描述不同围压不同密实度砂土的应力应变关系,对剪切试验过程中表现出来的剪胀剪缩特性也可以进行很好的追踪。通过对Toyoura砂和Hostun砂一维压缩及三轴排水和不排水条件下的试验结果进行模拟,表明该模型具有较好的预测能力和较广的适用性。

冻结黏土卸载状态下双屈服面流变本构关系研究

卸载状态下冻土三轴蠕变试验结果表明,冻土具有明显的剪胀性,且体积应变不能忽略。为了全面反映冻土在卸载状态下的蠕变变形规律,以简单的黏弹塑模型为基本流变元件,提出了冻土服从椭圆-DP双屈服面流变本构力学模型。通过有限元程序的二次开发,将该模型嵌入到ADINA有限元程序中。对冻土三轴蠕变试验过程进行了数值模拟表明,椭圆-DP型双屈服面本构力学模型能够较好地反映冻土的剪胀性和体积应变等变形性质,数值模拟和试验结果吻合良好,可为冻土工程数值计算提供参考。

考虑剪胀性和应变软化的粉细砂双屈服面本构模型

针对上海粉细砂不存在唯一临界状态线的特点,对传统的砂土本构模型进行了改进,提出了一个能合理描述粉细砂剪胀性和应变软化特性的弹塑性本构模型。该模型采用双屈服面形式,可同时反映剪切变形及压缩变形机理。模型对传统修正剑桥模型中的剪胀性公式进行了改进,考虑了反映塑性体积应变由正转为负时对应的特征状态应力比与初始有效围压的相关性。为了描述应变软化特性,提出了一个利用残余状态应力比和峰值应力比的应变软化公式,可较为合理地反映粉细砂的应变软化特性。通过对上海粉细砂的多组试验结果模拟,验证了本文模型的合理性和有效性。

“南水”双屈服面模型的两点修正

基于堆石料大型三轴试验数据,分析研究了其切线模量和切线体积比与应力状态的关系,建立了切线模量和体积比与应力比之间的函数关系式,并将其引入"南水"双屈服面弹塑性模型中.运用修正模型对不同应力路径下堆石料的大型三轴压缩试验结果进行了模拟,结果表明,修正模型在未增加参数的情况下较好克服了原模型在描述堆石料应力-应变关系,特别是剪胀(缩)特性方面的不足,可更好地模拟堆石料的强度和变形特性.

椭圆抛物双屈服面弹塑性模型三维各向异性修正及其试验验证

粗粒料作为高土石坝的重要筑坝材料,其应力–应变规律受初始不等向固结和后续施工影响。考虑粗粒土各向异性特性的同时兼顾其剪胀性和初始不等向应力状态等主要性质,结合室内试验资料,运用应力变换方法和引入新的应力比参数等手段对经典双屈服面弹塑性模型的屈服轨迹和硬化轴进行修正。通过试验数据和预测结果的对比,表明修正的三维化各向异性双屈服面弹塑性模型能够较合理地反映粗粒土在初始不等向固结状态下的强度和变形特性。

基于双屈服面模型的圆形软岩巷道围岩变形弹塑性解

软岩巷道过大的径向位移对煤矿生产有较大影响。基于双屈服面模型,利用某种泥岩材料的常规三轴实验数据,分别拟合了以第一、第三塑性主应变(ε_1~p,ε_3~p)为硬化参量的加载面,根据对完全加载假设的验证,推导了此泥岩材料的非关联流动法则,得到了围岩塑性区范围和径向位移的解。研究结果表明:该泥岩材料的2个加载面形式为二次函数,各项系数均可表示为ε_1~p或ε_3~p的一次函数,由此确定塑性应变增量分量的大小;推导出的非关联流动法则中含有常数项,其原因为:在加载过程中,会先达到以ε_3~p为硬化参量的加载面,当ε_1~p恰好为0时,ε_3~p即为该常数的值;考虑了岩石的非线性应变软化特征,排除了"人为假定流动法则"等主观因素的干扰,求解了塑性区范围和径向位移的解析解,得到了在一定地应力和该岩性条件下二者与开挖半径的线性拟合公式。

椭圆-抛物线双屈服面模型参数灵敏度分析

利用两种土石料三轴CD试验数据确定两组椭圆-抛物双屈服面模型参数,研究了模型参数α、KG、n、h、m、M1、M2和pr分别单独变化(而其他参数保持不变)对模型所反映的土的应力-应变关系的影响。结果表明,土体的体积应变对参数h、m比较敏感;α、KG、n对剪胀性土的体变影响较大,而对剪缩性土体变影响不明显;α、KG、n、h和m对模型反映的强度没有影响;pr变化对体变和强度影响均较小。M1和M2对强度和体变均有显著影响,且M1和M2中的小值决定模型的强度。定义了灵敏度,即一种用于表示模型参数对其所反映的应力-应变的影响程度的参数。分析表明,不同的参数,其灵敏度差异很大;不同的土类,参数灵敏度差异也较大。实际应用时,对灵敏度大的参数取值应特别慎重。

基于椭圆–抛物双屈服面模型的砂–聚苯乙烯颗粒轻质填料应力应变分析

砂–聚苯乙烯颗粒轻质填料由工程细砂和聚苯乙烯颗粒按一定比例混合形成,有利于节省胶凝材料、降低土工填料附加应力和减小地基沉降,探讨该材料的应力应变关系对指导其工程实践变得尤为重要。基于椭圆–抛物双屈服面模型,推导了考虑轻质填料配比和围压特征的应力应变增量形式方程,结合轻质填料三轴固结排水剪切试验中的应力应变特性,分析了所推导的应力应变增量形式方程的合理性。研究发现,基于椭圆–抛物双屈服面模型的考虑轻质填料配比和围压特征的应力应变增量形式方程能较好地拟合材料偏应力–轴向应变–体变规律,能较好地反映材料的弹塑性、剪胀性和剪缩性,并结合轻质填土的变形机理给予相应解释。

红砂岩粗粒土弹塑性双屈服面模型试验研究

通过高速公路路基90区红砂岩粗粒土填料的大型常规三轴试验研究,建立了一个椭圆-双曲线弹塑性双屈服面本构模型,并确定了模型参数。该模型可以考虑红砂岩粗粒土的剪缩硬化性,模型参数确定方法简单。另外,对FLAC进行二次开发,建立了红砂岩粗粒土弹塑性双屈服面本构模型计算模块,利用该模块对高速公路红砂岩粗粒土路堤填筑过程中的变形进行了模拟计算。结果显示,双屈服面弹塑性模型计算的红砂岩粗粒土路堤沉降值与实测值接近,该模型能很好描述红砂岩粗粒土的应力应变关系。

土石料双屈服面弹塑性模型的二次开发算法与应用

为了丰富ADINA、ABAQUS和ANSYS等大型通用有限元软件中岩土类材料本构模型,增强软件对某些土工结构的精细模拟计算能力,以土石料沈珠江双屈服面弹塑性模型为例,详细介绍了模型在商用有限元软件中的二次开发流程,对应力更新算法进行了改进,通过文献中粗粒土三轴试验数据进行对比分析,验证了改进算法的优越性.同时,采用模型面板坝资料进一步验证二次开发流程和算法的准确性,最后进行了某面板堆石坝工程的应用例证.本文所述应力积分算法和开发流程具有通用性,可供大型通用商业有限元软件开发双屈服面和多屈服面弹塑性本构模型时借鉴使用.

双屈服面模型参数对心墙堆石坝计算沉降的影响

应用椭圆-抛物双屈服面模型进行心墙堆石坝三维有限元计算,考察了心墙料的模型参数a,KG,n,h,t,M1和M2分别单独变化(而其他6个参数保持不变)对坝体最大沉降点计算沉降的影响.考察结果表明,a的变化对计算沉降的影响甚微;KG,n,h和t的变化对计算沉降的影响趋势一致,均为参数值越大计算沉降越小.M1大于临界值时,计算沉降随M1的减小而增大,反之,计算沉降随M1的减小而减小;M2的取值必须大于M,当M2>M时,M2的变化对计算沉降几乎没有影响.

适于基坑开挖分析的一个改进双屈服面模型

针对基坑开挖应力路径的复杂性及土体剪切变形显著的特点 ,将椭圆抛物线双屈服面模型应用于开挖有限元分析 .该模型可避免常规模型 (如邓肯模型、修正剑桥模型等 )的理论局限 ,又可避免一些特殊模型要做非常规试验才能确定参数的缺点 .研究表明 ,按原有参数确定方法确定的KG 偏大 ,致使计算的支护桩体位移和地面沉降偏小 ,弯矩偏大 ,文中对其作了改进 .

采用修正塑性功硬化参数的双屈服面模型及应用

首先对国内外双屈服面模型的发展进行回顾,指出土体模型中双屈服面概念的必要性和合理性。其次以平面应变试验结果为基础,直接推导出双屈服面模型各部分关系式,其中体积屈服面以塑性功为硬化参数,硬化函数与试验结果吻合程度较好,剪切屈服面以修正塑性功为硬化参数,满足了其与硬化面关系唯一性的要求,并可反映硬化–软化全过程。为使其能较方便地应用于数值计算方法,推导适用于双屈服面模型的弹塑性刚度矩阵。最后应用该模型对一高填土工程的变形进行计算,比较显示其与实测结果较为吻合。

土体双屈服面模型的塑性功方程

根据双屈服面模型的概念,塑性应变增量可以看成是2个分部塑性应变增量的合成.作者通过研究,指出塑性功也可以看成是有效应力分别在2个分部塑性应变增量上进行的塑性功分量的合成;使用热力学方法,将每个塑性功分量都转化为自由能增量和耗散能2个部分,因此双屈服面模型的塑性功方程由4个能量分量组成,通过合理确定或假定用分部塑性应变增量表示的塑性功方程就可以得到双屈服面模型的屈服面方程.以改进的椭圆-抛物双屈服面模型为例,认为塑性功方程由体积硬化引起的自由能增量和耗散能以及剪切硬化引起的自由能增量和耗散能4个能量分量组成,从2个屈服面方程推导了用分部塑性应变增量表示的塑性功方程,对塑性功方程反映的能量转化关系进行了分析,将自由能释放解释为剪胀时的能量来源,并从该塑性功方程推导出双屈服面模型的2个屈服面方程.

基于沈珠江双屈服面模型理论的土体弹塑性模型

由于常用的邓肯E-μ、E-B模型的经验公式不能同时很好地反映粗粒土三轴剪切试验结果低围压剪胀、高围压剪缩变形特点,邓肯E-μ、E-B模型基于的广义虎克定律不能反映土体剪胀剪缩特性,所以笔者应用笔者发现的三轴剪切体变规律和沈珠江双屈服面模型理论相结合建立了基于沈珠江双屈服面模型理论的弹塑性模型,该模型能够很好地反映土体的剪胀剪缩特性,能够准确地拟合等围压剪切试验结果,能够很好地预测等应力比路径,等平均主应力路径,等大主应力,小主应力减小路径,小主应力和剪应力同等减小的应力路径的试验结果。

基于椭圆-抛物双屈服面模型的广义泊松比研究

适用性较好的土体模型除了能较好地模拟土体的应力-应变关系外,还应该能较好地反映土体的侧向变形,即合理计算广义泊松比。在椭圆-抛物双屈服面模型的基础上,建立了反映侧向变形特性的广义泊松比公式,并利用广义泊松比来研究砂-聚苯乙烯颗粒轻质填料的变形规律。文中研究了包括材料配比在内的主要参数对广义泊松比的影响,发现与剪胀有关的参数对广义泊松比的影响较大。基于砂-聚苯乙烯颗粒轻质填料的三轴固结排水剪切试验数据,给出了相关模型参数,结合该材料的剪切强度、变形特性与建立的广义泊松比公式,对该泊松比能否恰当反映土体的变形特性(剪缩、剪胀和侧向变形)进行验证,结果表明广义泊松比可以反映土体的变形特性,尤其是侧向应变及体积应变规律。

砂土双屈服面的数值建模

通过研究中密砂在等p路径和增p路径下的三轴试验曲线,发现其应力-塑性应变关系曲线在常规应力范围内具有较好的量纲一化特性。选择合适的指标对砂土三轴试验数据进行量纲一化,以量纲一的试验数据为训练样本进行神经网络训练,得到了两种砂土比较理想的双屈服面神经网络模型。研究结果表明两种路径下屈服面是不同的,该方法能反映应力路径的相关性。

基于等效时间的双屈服面三维流变模型

为了同时描述土体剪缩剪胀及流变特性,运用Yin-Graham等效时间法建立了双屈服面三维流变模型。首先,以Yin-Graham三维流变方程作为反映剪缩机制的第一屈服面流变方程;其次,以Matsuoka-Nakai屈服准则作为反映剪胀机制的第二屈服面,以黏塑性功为硬化参数,采用非相关联流动法则,借鉴Mesri建模思路构建应力–黏塑性功–时间关系,利用等效时间法得到应力–黏塑性功–黏塑性功速率关系式,借助Perzyna过应力理论建立第二屈服面三维流变方程;再次,按照双屈服面模型理论将以上两个流变方程结合起来,提出一个基于等效时间的双屈服面三维流变模型,并利用经典的四阶Rung-Kutta方法编制差分计算程序,获得流变模型的数值解答;最后,利用加拿大膨润土及香港重塑海相沉积土三轴固结不排水流变试验将预测值与实测值进行对比,以验证该模型在流变试验中的适用性。结果表明:建立的流变模型可以较好地模拟不排水流变试验多级加载和单级加载发展过程以及土体剪缩剪胀特性。

修正塑性功硬化参数双屈服面模型在上海软土基坑开挖中的应用

在介绍以修正塑性功为硬化参数的双屈服面模型基础上,对上海软土进行了三轴试验。通过对试验数据的处理和拟合,得到了双屈服面模型的相关参数。应用该模型对上海软土地区的深基坑变形进行计算,并与实测结果进行对比,两者较为吻合。