含统一屈服面的非饱和黏性土弹塑性本构模型

首先将非饱和土巴塞罗那基本模型(Barcelona basic model,BBM)中的加载湿陷(loading collapse,LC)屈服面和吸力增加(suction increase,SI)屈服面统一为一个光滑的屈服面,然后基于弹塑性理论导出相应的弹塑性本构模型.统一屈服面的优点是可以进行LC屈服和SI屈服二者之间的耦合分析,即能模拟净应力和吸力同时变化的加载路径.此外,由于所建模型的屈服面没有尖点,因而可以简化数值模拟计算.所建模型共有14个参数,其中12个与非饱和土的物理力学性质和塑性屈服特性有关,另外2个与土的塑性硬化特性有关,所有参数都可通过非饱和土室内控制吸力的三轴等压和剪切试验确定.所建模型的模拟结果与本次试验研究及已发表文献中试验数据的对比表明,二者之间有较好的吻合,说明所建模型的合理性及有一定的实用价值.

基于SFG模型的统一屈服面本构模型与试验研究

将SFG模型中的加载湿陷屈服面(LC屈服面)与BBM模型中提出的吸力增加屈服面(SI屈服面)统一成为单独光滑的屈服面,基于弹塑性理论框架,推导出相应的弹塑性本构模型。通过非饱和固结直剪试验对江西红土的模型计算参数的应力-应变曲线与试验结果进行对比。结果表明:模型对多种应力路径下非饱和三轴试验的计算结果与相应试验的测定结果较为吻合,验证了模型能较好地模拟非饱和土在多种应力路径下的体应变行为。统一屈服面简化了加载湿陷屈服面与吸力增加屈服面之间的耦合分析,解决了因双屈服面的不连续而造成计算不便问题,拓宽了SFG模型的适用性。

混凝土材料的粘塑性损伤统一本构模型

发展了只适用于金属类材料的粘塑性统一本构理论,借助经典塑性理论的基本法则,建立了无屈服面和无破坏面的混凝土材料的粘塑性损伤统一本构模型。放弃了传统统一本构模型的静水压不影响非弹性变形和无非弹性体积膨胀的基本假设;发展了间断的经典塑性乘子,使其为连续函数,并提出了相应的构造方法,拓展定义了其物理意义。数值模拟显示,此本构模型能够模拟混凝土材料的率相关性质、在压缩载荷作用下的体积膨胀现象和由损伤引起的应力软化和刚度退化现象。

统一弹塑性本构模型在FLAC^(3D)中的计算格式

统一强度理论是一个有着坚实理论基础、可表达各种岩土材料强度特性且被广泛应用的新的强度理论。FLAC3D是一个具有强大的计算分析功能且专门针对岩土工程问题开发并被广泛应用的数值分析软件。若能将二者结合起来,无疑会大大促进岩土工程领域相关问题的解决。针对这一问题,研究了统一弹塑性本构模型在有限差分方法中应用的基本理论格式。根据FLAC3D软件中UDM接口计算格式的要求,将统一强度理论引入其中,详细推导了统一弹塑性本构模型在FLAC3D软件中应用的计算公式。由于统一屈服面在应力空间内由12个面组成,在应力角为[0,π/3]的范围内,统一屈服面由两个相交面组成,为计算塑性因子及处理计算中应力超出屈服面的应力调整问题,利用应力角分析了应力空间的分区,推导了区域分界面的公式。最后,编制了相应的UDM接口程序对一圆形隧洞进行了弹塑性分析,对比了计算结果与解析解,结果很好地验证了此计算格式及相应接口程序的正确性。统一强度理论和FLAC3D软件的结合,将使二者的优点得以充分发挥,以解决更多的岩土工程问题。

面心立方晶体单晶材料弹塑性本构模型

基于正交各向异性材料在偏轴受载时存在拉、剪应力耦合效应的影响,通过增加一项由应力偏张量分量的二次乘积项构成的应力不变量,对Hill屈服模型进行修正,并根据面心立方晶体单晶材料的屈服特点提出了新的屈服准则。用新屈服准则对国产DD3单晶合金的屈服应力进行预测,预测结果与试验结果相吻合;新屈服准则与Hill屈服准则相比,在760℃时的预测精度显著提高。在此基础上,重新定义适合新屈服准则的等效应力和等效应变,并由联合流动法则,以屈服函数作为塑性势函数,建立面心立方晶体单晶材料的弹塑性本构模型,推导出相应的弹塑性矩阵。对于各向同性材料,新屈服准及其等效应力和等效应变退化为VonMises屈服准则和其相应的等效应力与等效应变。

一个基于广义塑性力学的土体三屈服面模型

按照广义塑性力学原理 ,以前人试验结果为依据 ,首次提出应力洛德角方向上剪切屈服面γpθ 的数学表达式 ,并建立土体的三屈服面模型。结合数值算例 ,设计多种计算方案 ,通过对计算结果的分析和比较 ,表明模型的合理性和有效性 。

细观几何结构对复合材料初始屈服面的影响

采用宏—细观统一的弹塑性本构模型分析了多轴载荷作用下不同纤维形状、不同纤维排列方式对金属基复合材料初始屈服面的影响。研究表明:在纵向正应力作用下,圆截面纤维复合材料的初始屈服应力基本上与方形截面纤维复合材料的初始屈服应力相等;不同纤维排列方式的复合材料初始屈服应力基本上相同。当存在横向应力或纵横剪切应力时,圆截面纤维复合材料初始屈服面在方形截面纤维复合材料初始屈服面之内;六角形排列时最容易屈服,而方形对角排列屈服应力最高。

基于柔度法与截面轴力弯矩屈服面本构的梁柱单元

基于截面层次的梁柱单元能兼顾计算精度与效率,但现有截面上的本构模型不能准确反映轴力存在与变化对弯矩的影响,且柔度法在构建梁柱单元中未发挥优势,为此提出了基于截面轴力与弯矩屈服面本构和柔度法的梁柱单元模型。首先,根据截面组合思想构建截面上轴力与弯矩的屈服面;然后,依托柔度法和塑性理论进行单元状态和截面状态确定;最后,利用提出的单元进行平面钢框架的动力弹塑性分析。结果表明,所选用的基于截面轴力弯矩屈服面的本构能很好考虑轴力存在及变化对弯矩的影响;相对于刚度法,使用一个由柔度法构建的单元就足够描述一个梁-柱构件,其计算精度接近基于柔度法的纤维单元模型。

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.

多屈服面模型及其在工程中的应用

土的本构模型是对土体进行研究和土工数值分析的关键 。

三剪统一弹塑性本构模型及ANSYS二次开发

针对传统方法在求解岩土工程问题中,只能得出理论解的不足。基于三剪统一屈服准则,推导了三剪统一弹塑性本构关系并编写了相应的ANSYS二次开发子程序,以用于实际工程。通过对静水压力下圆形隧洞进行应力数值计算,结果表明所得数值解与解析解相吻合,从而证明了模型推导及二次开发编程的正确性,并将该程序用于实际边坡稳定的计算中,得出了该边坡问题的数值解。算例表明:中间主应力系数增大,滑体稳定系数也增大,但变幅不大。

改进屈服面和旋转硬化准则的各向异性黏土弹塑性模型

基于临界状态理论和旋转硬化法则提出了改进的各向异性模型。首先从恒定应力比加载试验结果出发,采用对数型插值函数描述土体的变形特性,通过增加参数n,推导出可以呈现多种形状的各向异性土屈服面表达式。屈服面在n>1,n<1和n=1时分别呈现泪滴形、子弹头形和椭圆形。然后提出了恒定应力比加载时旋转硬化法则边界值表达式,在各向同性和临界状态下,该表达式的值最终为0。该模型在n=1且不考虑屈服面旋转时,可以退化为经典的修正剑桥模型。最后运用显示积分算法实现模型的数值化,并采用恒定应力比加载试验、变换应力路径试验、排水三轴压缩试验、不排水三轴压缩试验和不排水三轴伸长试验对模型进行验证。结果表明,所提出的各向异性模型能较准确地描述黏性土在一系列应力路径下的体积变形特性、剪切特性和强度特性。

基于统一状态参数模型的砂中柱孔扩张分析

目前关于不同初始状态砂土砂中柱孔扩张的研究结果还缺乏更深层次的分析,并且由于没有考虑砂土屈服面形状因素的影响,造成许多研究成果难以在不同类型砂土中推广。采用统一状态参数模型(clay and sand model,CASM)和Rowe剪胀方程来描述砂的弹塑性变形特点,结合大变形理论并引入辅助变量,推导了基于拉格朗日描述的弹塑性区内砂土体积和有效应力的一阶偏微分方程组,在此基础上结合弹塑性区的边界条件和柱孔扩张弹性解,建立了饱和砂中的排水柱孔扩张半解析解。结果表明,CASM可以通过改变应力状态参数n和间距比r*的值使砂的屈服面形状发生改变,进而使文中解答能够用于不同类型饱和砂中的排水柱孔扩张计算,其中n、r*值越大,松砂初次屈服时的偏应力和后续砂中的扩孔压力越大,但中密、密实砂土中的情况与松砂完全相反。极限扩孔压力随砂土初始状态参数的减小而增大,相应的砂土体积也从一直剪缩变为先剪胀后剪缩,弹塑性区半径先减小后增大,硬化行为从一直硬化变为先软化后硬化。静止侧压力系数增大时,极限扩孔压力也增大,但对砂的体积变化规律影响不大。本研究可为相关岩土工程问题分析提供可靠理论支持。

一种考虑应力洛德角剪切变形的三维双屈服面模型的初步研究

提出一种基于广义塑性力学的土体双屈服面本构模型,其双屈服面分别采用传统双屈模型中的体积屈服面和应力洛德角方向上的剪切屈服面。该模型通过硬化参数的积分变换方法来反映土体的剪胀特性,采用基于SMP准则的变换应力法或g(θ)方法将模型三维化以考虑应力洛德角对屈服面的影响。同时,本模型能够反映塑性应变增量方向与应力增量的相关性。该模型在一定程度上与基于广义塑性力学原理的三重屈服面模型是等价的,两者都基本能够反映土体压硬性、剪胀性和摩擦性等基本特性。最后,文中推导出了双屈本构方程的应力—应变刚度矩阵,以便数值计算。

干湿循环下石灰粉煤灰改良膨胀土的双屈服面本构关系

基于椭圆–抛物线弹塑性本构模型,研究了干湿循环条件下石灰粉煤灰改良膨胀土的双屈服面弹塑性应力–应变本构关系。首先,通过一系列三轴固结排水剪切试验,分别得到不同干湿循环次数下石灰粉煤灰改良膨胀土的偏应力q与轴向应变ε_(1)、剪应变ε_(s),以及轴向应变ε_(1)与体应变ε_(v)的试验曲线;然后,根据三轴试验结果拟合本构模型中的各参数与干湿循环次数之间的关系表达式;最后,引入考虑干湿循环次数的因子,建立考虑干湿循环的双屈服面弹塑性本构模型。研究表明:1)干湿循环作用下,偏应力q与轴向应变ε_(1)关系表现为应变硬化,与体应变ε_(v)表现为应变剪缩;q–ε_(1)、q–ε_(s)试验曲线都呈现出近似双曲线特征。2)干湿循环作用下,土体的偏应力q不断减小,体应变ε_(v)不断增大;干湿循环作用显著降低了石灰粉煤灰改良膨胀土体的抗剪切、抗压缩能力。3)体积屈服面、剪切屈服面在p–q平面上分别为椭圆、抛物线。干湿循环作用下,体积屈服面不断向原点靠近,剪切屈服面不断向p轴靠近;前9次干湿循环作用的影响较为显著,之后屈服面的变化趋于稳定。4)通过引入考虑干湿循环次数的因子所建立的双屈服面本构模型,可定量反映干湿循环作用对石灰粉煤灰改良膨胀土应力–应变关系的影响,以及双屈服面演化过程。该双屈服面本构模型的应力–应变预测值与试验值吻合度较高。

多孔介质中化学–热–水力–力学耦合过程本构模型和数值模拟

本文发展了一个多孔介质中的化学–热–水力–力学(CTHM)耦合本构模型。该模型基于文献[1]中多孔介质热–水力–力学(THM)本构模型、文献[2,3]中的污染物传输本构模型和文献[4]提出的化学–力学本构模型。在本构模型中引入化学软化函数以模拟孔隙水中有机污染物对多孔介质力学性质的影响。考虑了温度对污染物传输机制的影响。本文CTHM耦合本构模型已在多孔介质的热–水力–力学–污染物传输数学模型中建立。在CTHM本构模拟框架中对计及化学塑性效应、描述在热–水力–污染物传输耦合作用下多孔介质力学行为、在应力–吸力–温度四维空间中包含了五重屈服面的耦合本构模型发展了一致性切线模量矩阵。数值结果突出显示了污染物浓度在多孔介质化学–热–水力–力学(CTHM)耦合系统中的影响。

不同应力路径下砂土的神经网络弹塑性本构模型研究

基于多种应力路径下砂土的加载、卸载和再加载过程的三轴排水试验数据,研究了三种应力路径对屈服面的影响,其结果表明,不同应力路径对砂土的本构模型有着不可忽视的作用。在此基础上,建立了砂土的弹塑性神经网络模型,对相应路径下的本构关系进行了学习。实例分析表明,该模型能够很好地描述具体应力路径下的本构关系,神经网络建模方法具有方便、容错性强的特点,对岩土力学快速、高效数值方法的进一步发展具有重要的参考价值。同时,在这种弹塑性应力-应变关系中,笔者并没有使用塑性势函数,这在目前的弹塑性本构关系的建模中是一种新的尝试。

土的边界面应力应变本构关系

用光滑封闭的蛋形函数作为屈服面和边界面，用强度发挥及建立了两者的内在联系，据此建立边界面本构模型．

考虑强度非线性的堆石料弹塑性本构模型研究

根据堆石料大型三轴试验成果,提出了非线性强度包线在q—p 坐标面上的幂函数表达式。将此非线性强度准则模式应用于剪切屈服面与体积屈服面表达方程的推导,从而建立了一个可反映堆石料实际工程特性的新型弹塑性本构模型。应用自编计算程序将该模型与殷氏模型用于不同应力路径条件下堆石料试验的数值模拟研究,对比分析表明:本文模型计算结果与试验实测结果更为一致,能较好地描述各种加载路径下堆石料的强度与变形性状。