南昌地铁含泥饱和砂土的三剪次加载面模型

以三剪强度准则作为破坏准则,推导出饱和土的三剪破坏应力比。考虑到砂土的剪胀特性,引入剪胀状态参量对三剪破坏应力比进行修正得到相变应力比。用相变应力比对修正剑桥模型中为定值的破坏应力比进行替换,得到新的屈服函数。将其与次加载面理论相结合,提出含泥饱和砂土三剪次加载面模型。取用南昌地铁某路线路段地下砂土和黏土作为试验土样,砂土中掺入粒径小于0.075 mm的黏土作为含泥砂土,并设定密实度为70%的试样含泥量为0、5%和10%,通过相关土工试验确定模型参数。将本构模型计算结果与常规静三轴试验结果和循环常规动三轴试验结果进行对比验证。静三轴试验验证结果表明,本构模型计算结果与试验结果变化规律基本一致,验证了该本构模型的正确性。其他条件相同情况下,随着含泥量增大,土体抗剪强度增大,体积剪缩阶段变长,剪胀现象越不明显。动三轴试验验证结果表明,本构模型数值计算曲线与试验结果吻合较好,在加载初期土体塑性应变发展较快,随着加载和卸载的不断交替以及循环次数的不断增加,滞洄圈变得越来越密集。

考虑黏聚力的上下加载面修正剑桥模型及数值实现

首先完善上下加载面模型中超固结状态参数R与结构性状态参数R*的定义,给出上下加载面修正剑桥模型更具普适性的推导过程;然后介绍考虑黏聚力的上下加载面修正剑桥模型的半隐式本构积分算法及数值实现过程,并基于ABAQUS软件所提供的用户材料子程序UMAT接口编制上下加载面修正剑桥模型本构子程序;利用该模型模拟不同工况以及不同加载方式下超固结和原状土体的力学特性,以验证该本构模型对原状超固结土体的模拟能力以及所编写子程序的正确性和可靠性;最后进行Boom Clay三轴固结不排水剪切试验的模拟,完成将上下加载面修正剑桥模型应用于工程实际的关键一步。

基于广义塑性力学的土体次加载面循环塑性模型(Ⅰ):理论与模型

简要地介绍了次加载面理论的基本思想、假设及其物理解释。在广义塑性力学的框架内,引入次加载面的思想,把常规的椭圆-抛物线双屈服面模型,扩展为次加载面循环塑性模型,以反映循环荷载作用下土体的曼辛效应与棘轮效应。模型能考虑塑性应变增量对应力增量的相关性,既能反映土体的循环加载特性,又能反映正常固结土和超固结土的单调加载特性。

基于广义塑性力学的土体次加载面循环塑性模型(Ⅱ):本构方程与验证

按广义塑性力学原理,导出了土体次加载面循环塑性模型的本构方程,建立了相应的加卸载准则以及模型参数的确定方法。通过多种应力路径下土的本构响应的模拟,表明次加载面循环塑性模型能较好地反映循环荷载作用下土体呈现的非线性、滞回性与变形的积累性三方面主要特征,初步验证了模型的有效性。

考虑率效应的岩石材料次加载面动态本构模型

为反映岩石材料在循环荷载下的滞回圈特性及在动态荷载作用下的率效应,首先基于次加载面理论,建立了基于Drucker-Prager准则的次加载面应力路径模型;其次,在此基础上,通过分析岩石材料率效应的体现,分别在弹性模量上考虑了刚度的率效应和在Drucker-Prager准则上考虑了强度的率效应,进而提出了考虑率效应的岩石材料次加载面动态本构模型;通过自编程序,实现了动态本构模型的植入,并模拟了岩石材料在动态荷载下的力学响应。结果表明,相对于Drucker-Prager准则,应力路径模型能较好地描述玄武岩在循环荷载下体现的曼辛效应和棘轮效应,同时揭示了玄武岩的发展形态;利用动态模型对岩石材料的动态单轴加载和循环加载模拟,发现加载的应变率越大,岩石材料的弹性模量越大,变形则越小,正好反映了岩石材料在动态加载过程中所体现的率效应;动态本构模型能同时反映岩石材料在地震荷载下的滞回圈特性和率效应,正好说明了地震荷载不但具有等效循环荷载的形式,还具有动态荷载的形式,也说明了次加载面动态本构模型模拟岩石材料在地震荷载作用下的力学性质是可行的。

考虑纵筋率及加载面边长比影响的板受冲切承载力试验研究

纵筋率及冲切加载面边长比是影响混凝土板受冲切承载力的重要因素。对12块钢筋混凝土板试件进行了竖向冲切承载力试验研究,板尺寸为2200mm×2200mm×200mm,混凝土立方体抗压强度为39～46.9MPa,板底纵筋率有0.5%和1.3%两种,加载面边长比分别为1.0、2.0和4.0。试验结果表明:配置纵向受拉钢筋可显著提高板的受冲切承载力,但纵筋率高于2.5%时,提高作用已不明显;随着加载面边长比的增大,板的抗冲切承载能力有所降低。根据试验结果得出了试验板的荷载-挠度曲线、冲切破坏面及裂缝分布等;根据试验结果及相关文献的数据,研究分析了纵筋率及加载面边长比对板抗冲切性能的影响,得到板受冲切承载力的近似计算公式,该公式的计算值与试验值符合良好。研究结果可为我国相关规范的修订提供参考。

考虑纵筋率及加载面边长比影响的板受冲切承载力计算分析

按刚塑性冲切计算模型,运用虚功原理及双剪应力强度准则,建立了考虑钢筋混凝土板纵向受拉钢筋配筋率及加载面边长比影响的受冲切承载力计算公式。与试验数据进行计算比较,所建议公式的计算值与试验值符合良好。通过可靠度分析,证明建议公式的可靠指标满足我国规范对脆性破坏不应小于3.7的要求。所建议的计算公式可为我国有关规范的修订提供参考。

次加载面理论及其在土体循环塑性模型中的应用

简要介绍了次加载面理论的基本思想、假设及其物理解释.开创性地把次加载面理论与广义塑性力学相结合,把常规的椭圆 抛物线双屈服面模型扩展为次加载面循环塑性模型,并通过多种应力路径下土体本构响应的模拟,表明次加载面循环塑性模型能较好地反映循环荷载作用下土体呈现出的非线性、滞回性与变形的积累性三方面的主要特征,初步验证了模型的有效性.

考虑围压依存性的软岩结构性下加载面模型

软岩具有典型的弹塑性变形特点,同时由于其内部的胶结作用具有较强的结构性,因此将软岩视作结构性超固结黏土。软岩残余强度随围压变化是软岩峰后力学特性的一个显著特性,在实际工程中具有显著的意义。通过对孔隙比之差的概念进行扩展,使之能够同时考虑软岩的结构性和超固结性,并且给出合理的发展式。通过引入结构性下加载面的概念,在剑桥模型的基础上建立起软岩的结构性下加载面模型。该模型能够反映围压对软岩结构性破坏速率的影响,最终导致不同围压下软岩达到残余强度变形阶段时所保留的残余结构性存在差异,使得软岩的残余强度随围压变化。将理论计算结果与软岩的三轴压缩排水试验结果进行对比分析,结果表明该模型能够较好的描述软岩的应变硬化和软化特性及体积变形剪胀特性,同时能较好的描述软岩的残余强度随围压变化这一力学特性,并给出合理解释。

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。

基于次加载面理论改进的ALPHA模型及其数值实施

基于次加载面理论对ALPHA模型进行了改进,并在模型中考虑了土体初始各向异性;提出了与模型相适应的半隐式本构积分算法,据此在通用有限元软件ABAQUS平台上开发了相应的用户材料子程序;利用建立的计算程序,对不同排水条件的三轴试验进行了数值模拟。与已有研究成果对比表明,提出的半隐式本构积分算法,可较好地实现复杂本构模型的数值实施。改进的本构模型克服了修正剑桥模型预测的超固结土峰值强度过高、初始屈服面内假定为弹性变形等缺点,能够较好地描述土体初始屈服面内的的非线性和不可恢复性变形特征;通过变化模型参数,可模拟变形特性较为复杂的土体。

改进超固结状态参量次加载面模型数值实现与应用

为合理描述超固结土复杂的弹塑性力学行为,对现有Hashiguchi次加载面模型中的超固结状态参量R进行修正,在硬化方程中,考虑塑性体应变与塑性剪应变的综合作用,提出了修正超固结状态参量的次加载面模型。同时,着重介绍了该模型的隐式积分算法及数值实现过程,编制了对应的接口子程序,实现了该模型在有限元软件ABAQUS中的应用。通过不同工况和加载方式下的数值模拟验证了程序的合理性,最后应用模型研究了Fujinomori黏土的三轴压缩力学特性并与UH模型的模拟结果、室内试验研究进行对比。结果表明,子程序具有较高的计算精度和可靠性,模型能够准确地模拟黏土的超固结特性。

黄土的修正上下加载面模型研究

由于天然沉积的黄土具有显著地结构性,在湿度及荷载变化条件下,其宏观力学特性发生显著的变化。为了分析增湿和加载条件下黄土的结构性损伤演化特性及应力-应变关系的变化特性,引入上、下加载面的概念,在原有超固结及结构性参数的基础上,考虑了含水率变化的影响,定义了新的初始超固结及结构性参数;运用上、下加载面概念,通过引入构度及黄土结构屈服强度,推导了结构性黄土的一般应力-应变关系,并进行了参数的影响变化分析;最后,通过不同含水率条件下的黄土压缩及三轴试验数据与模型预测数据的对比分析,验证了模型的合理性。

断裂能与统一损伤加载面描述的混凝土本构模型

构建一个混凝土损伤本构模型,研究目的为解决现有模型中存在的损伤演化、双轴强度与网格尺寸依赖性问题。基于试验观察,提出符合实际的压缩损伤演化方程;在不可逆热力学的框架下,利用当量转化应力状态的方法,在应变空间构造统一损伤加载面,以表达混凝土的双轴强度;借助断裂能对损伤阀值正则化的方法,以合理反映应变软化过程中的能量耗散,并达到消除网格尺寸依赖性之目的。采用编制的程序,对单轴与双轴加载、四点弯非比例加载等混凝土试验进行数值计算,验证了模型的合理性与有效性。研究结果表明:模型不仅解决了上述存在的问题,而且具备在较复杂应力路径下预测结构的承载力、变形及裂缝扩展的能力,可为混凝土结构的定量评价提供支持依据。

超固结土塑性次加载面模型的数值实施及应用

为了研究软土固结等复杂的非线性本构关系,考虑超固结参数、潜在强度、硬化参数之间的相互影响,将基于Hvorslev面的超固结土的本构模型和大型非线性有限元计算软件ABAQUS结合起来,编写了相应的有限元本构模型子程序。通过用户子程序UMAT接口实现了该模型在软土结构分析中的应用,为正确评估和预测土体本构关系提供了一种简便有效的方法。以深隧洞的开挖为例,用此方法实现了土体结构的本构关系模型,使得计算结果更加接近实际情况,能够比较合理的模拟实际工程。

基于次加载面的循环塑性模型研究

为了准确模拟材料的棘轮效应,在经典的循环塑性理论框架下,引入次加载面概念并建立了基于次加载面的循环塑性模型,利用回退映射算法对该模型进行了数值实现。通过对比基于次加载面的循环塑性模型和经典的Armstrong-Frederick循环塑性模型发现,前者能够调控棘轮效应的演化速率,弥补了Armstrong-Frederick模型只能预测常速率棘轮效应的缺陷。通过材料参数分析揭示了不同参数对棘轮效应的影响规律,从而明确了材料参数的物理意义。最后,利用建立的基于次加载面的循环塑性模型对U75V钢轨钢和A7N01铝合金两种典型金属材料的棘轮效应进行了模拟。结果显示,模拟结果与实验结果吻合较好,所提出的模型可用于不同循环特性金属材料棘轮效应的预测。

上下加载面剑桥模型在盾构开挖模拟中的应用

隧道开挖过程中,周围土体经历不同的应力路径,合适的本构关系对反映开挖过程中土体应力与变形具有重要的意义。本文选取能反映土体结构性和超固结特性的上下加载面剑桥模型进行数值实现,基于ABAQUS软件所提供的UMAT接口编制子程序,利用砂土的三轴实验结果对其进行适用性进行验证,并对本构模型进行超固结状态参数敏感性分析。将此模型应用于过江隧道盾构开挖研究中,分析了盾构开挖过程中周围土体应力、变形以及孔隙水压力变化的影响,结果表明,在水下盾构开挖过程中,开挖面支护压力及盾尾注浆压力会在土体中引起超孔压,降低土体有效应力,从而导致隧道拱顶出现隆起现象。

统一硬化模型与下加载面模型的理论关系

Hashiguchi下加载面本构模型是国际上具有较大影响力的超固结土本构模型之一。因此,选取该模型进行理论和构建方法分析,并与UH模型进行对比。对比结果表明,Hashiguchi下加载面模型通过定义单一的数学公式来拟合超固结土内变量的变化规律,从而得到了超固结土应力-应变关系的公式;而统一硬化(unifiedhardening,简称UH)模型掌握了超固结土体的强度特性,因而能够更准确、合理地描述超固结土的应力-应变关系。相较于Hashiguchi下加载面本构模型,UH模型在理论上更为先进。同时,两个模型的试验预测与试验数据的对比也验证了UH模型在数值计算上的正确性与优越性。

修正的饱和黏土次加载面模型

基于临界状态土力学理论,建立了一个适用于循环荷载作用的次加载面本构模型。模型采用修正剑桥模型屈服面,屈服面形式简单、灵活。模型弹性域为一点,应力反向时立即产生塑性变形,应力应变曲线形成封闭的滞回圈,符合试验现象。

基于次加载面摩擦模型的接触面剪切特性研究

为了反映土与结构接触面的应变软化特性以及剪切速率对土与结构接触面力学特性的影响,基于ABAQUS软件提供的FRIC子程序,采用显式积分算法,对能够表现接触面上应变软化的次加载面摩擦模型进行二次开发.利用该模型模拟土与结构接触面的直剪试验,研究直剪试验过程中次加载面摩擦模型接触面上的应力演变过程.研究结果表明,利用次加载面摩擦本构模型,能够较好地模拟土-结构接触面直剪试验中的应变软化和密实状态的类砂土残余切应力随剪切速率的增大而下降的现象.在剪切位移的发展过程中,次加载面摩擦模型接触面上的切应力先增加后减小,接触面远离加载端一侧到另一侧的应力发挥水平先后达到最大值.该研究表明,次加载面摩擦模型可以用于土与结构接触面的应变软化特性和速率相关性的模拟.