往复荷载下软土的边界面广义弹塑性模型

针对往复荷载作用下软土变形和孔压发展的特点，应用能模拟低应力水平下塑性变形的边界面模型，将其线弹性卸载过程改进为弹塑性，建立了软粘土的边界面广义弹塑性模型。最后对该模型进行了试验验证，以表明其可靠性。

基于广义位势理论的土的数值弹塑性模型及其初步应用研究

广义位势理论从数学角度出发建立土的本构模型,可克服传统本构理论的不足,而又同时包含了传统理论作为其特例,从而为土的本构模型研究提供新的和适用性更广的理论。以广义虎克定律为基础的邓肯-张模型以其简单方便、参数确定容易且有明确的物理意义而得到广泛的应用,而其最大缺点则是不能反映土的剪胀性;此外,邓肯-张模型采用双曲线函数拟合试验曲线也有一定的局限性。为保留其参数确定简便的优点,并弥补其不足,基于广义位势理论建立了数值弹塑性模型。该模型保留了邓肯-张模型在参数确定方面的简单性,同时由于采用了广义位势理论来建模,不再受广义虎克定律的限制,因而可弥补邓肯-张模型在反映土体剪胀性方面的缺陷。此外,该模型采用数值手段来表示试验曲线的建模方法,可以克服邓肯-张模型采用双曲线函数表示试验曲线方法的局限性,具有更为广泛的适应性。通过对一碎石桩复合土体三轴试验结果的数值模拟表明:基于广义位势理论的数值弹塑性模型计算与试验结果吻合良好,且在反映碎石的剪胀特性方面优于邓肯-张模型,从而初步证明了该模型的合理性及优越性。

模型复合材料弹塑性界面应力分析

由纤维增强弹塑性基体所产生的界面具有弹塑性力学行为。考虑到一般材料的塑性变形都遵循幂硬化规律,对模型复合材料的界面进行弹性和应变硬化状态下的变形规律及其应力分析。以纤维拨出试验为研究模型,将界面分成弹性区和塑性区。利用界面应力剪滞理论,分别建立弹性区和塑性区的界面力学基本方程。选择适当的位移函数满足基本方程及埋入纤维的边界条件,再按位移函数求出弹性区和塑性区的界面剪应力。推导出平均界面剪应力与纤维埋入长度之间的关系式。

基于广义位势理论的弹塑性模型的修正方法

广义位势理论为岩土材料的本构关系研究指出了更开阔的数学背景。基于广义位势理论可以构造出基于应力空间的模型,也可构造出基于应变空间的模型,利用两者之间的对称关系,把常规基于应力空间的模型直接转换到应变空间中,对本构模型自身无需做任何改动。基于广义位势理论也可以对已有的本构模型进行修正,比如,可基于广义位势理论对剑桥模型进行修正,这种修正可使模型利用三轴试验的部分成果,比单纯使用压缩试验的成果要好一些。另外,也初步探讨了模型的三维化问题。

圆形硐室广义Hoek-Brown围岩弹塑性交界面上径向应力的近似解

基于广义Hoek-Brown剪切强度包络线与Mohr应力圆、Mohr-Coulomb强度直线均相切的几何性质,引进一个与瞬时内摩擦角有关的参数——最大剪应力模数,获得最大和最小主应力、潜在破坏面上的正应力和剪切力、Mohr应力圆半径和瞬时内聚力与该参数的函数关系,为轴对称平面应变条件下遵守广义Hoek-Brown破坏准则的圆形硐室围岩塑性区半径及重分布应力场的解答提供了简捷途径。通过弹塑性交界面上环向应力和径向应力之和一定的条件,结合最大剪应力模数与由弹塑性交界面上的径向应力与环向应力决定的Mohr圆半径间的关系,得到最大剪应力模数与正规化初始应力满足的非线性表达式,进而运用Newton-Raphson迭代法求得弹塑性交界面上的径向应力的接近于真实值的近似解,并研究弹塑性交界面上的瞬时内摩擦角、正规化瞬时内聚力和正规化径向环向应力比随正规化初始应力和Hoek-Brown物性参数的变化关系。结果表明,随着正规化初始应力的增大,相同岩体质量的围岩弹塑性交界面上的应力状态由近似单轴压缩过渡到两向压缩应力状态,瞬时内摩擦角逐渐变小,而正规化内聚力逐渐变大。

修正的广义开尔文粘弹塑性岩石本构模型变形参数特性研究

广义开尔文流变模型被广泛应用于描述岩质边坡开挖过程中岩体的粘弹性变形分析。由于岩质边坡在开挖过程中岩体的变形是粘弹性和塑性变形综合作用的结果,因此广义开尔文流变模型不能较好地表达岩质边坡在开挖过程中的变形。文章针对岩质边坡在开挖过程中边坡岩体表现出来明显的粘弹塑性变形特征,采用FLAC3D数值软件对符合修正的广义开尔文粘弹塑性本构模型的岩石试件进行单轴压缩数值试验,获得该粘弹塑性本构模型变形参数的基本特性,为岩质边坡开挖岩体粘弹塑性本构模型的选择提供参考。

弹塑性各向异性介质界面断裂的D-B模型

应用傅里叶积分变换方法将裂纹边值问题化为对偶积分方程组 ,再用逐段积分变换法将问题进一步化为奇异积分方程组 ,求得双材料各向异性弹塑性介质中界面裂纹反平面问题的封闭形式解 ,并讨论了各向同性问题及单一材料问题。结果表明 :裂纹尖端前沿的塑性区尺寸、裂纹的张开位移COD均取决于两种材料流动极限中的较小者及裂纹长度 。

隔振器广义弹塑性力学模型建模与应用研究

钢丝绳隔振器是一种最常用的干摩擦隔振器。它具有强非线性,性能重复性很差,通常解析法很难为之建模。应用广义弹塑性模型对具有干摩擦特性的钢丝绳隔振器进行了力学建模。模型物理概念清晰,建模过程简单,可以很好地解释和描述钢丝绳隔振器的静刚度渐软特性和动刚度的振幅依赖性。以HGGS-1200钢丝绳隔振器为例,说明了建模过程及试验验证。证明这一模型同时符合静态、振动和冲击试验结果,能够较准确地描述钢丝绳隔振器的力学特性。该方法可从易于得到的静态试验结果直接获取钢丝绳隔振器振动和冲击特性,具有较高的工程应用价值。

广义双剪粘弹塑性本构模型在渤海海冰动力学中的应用

在连续介质力学基础上建立了一个广义双剪粘弹塑性海冰动力学本构模型。该模型在海冰屈服前采用Kelvin-Vogit粘弹性模型,考虑中间主应力和静水压力对海冰屈服的影响选用广义双剪应力屈服准则作为海冰屈服判据,屈服后采用相关联的正则流动法则。采用该本构模型对渤海海冰动力过程进行了48小时数值模拟,讨论了辽东湾海冰的厚度、密集度、冰速和主应力的分布规律,其中海冰厚度分布与卫星遥感资料符合良好,从而有效地验证了该广义双剪粘弹塑性本构模型在海冰动力学中的可靠性。

饱和砂土的三剪弹塑性边界面模型研究(一)——模型理论

基于边界面模型方法研究了不同密实度和含泥量的饱和砂土在静、动荷载作用下的力学和变形特性。其中,初始边界面方程是通过改进修正剑桥模型椭圆形屈服方程得到的,后继边界面方程则是在前次边界面方程的基础上采用中心点映射法获得。针对原模型破坏应力比为定值,不能反映全应力状态和黏聚力在土体受力过程中的作用这一问题,基于三剪统一强度准则,通过等量代换法、坐标平移法对破坏应力比、相变应力比进行了修正,使修正后的椭圆形边界面适用于不同密实度和含泥量的饱和砂土。在此基础上应用边界面理论,研究了饱和砂土的三剪弹塑性边界面本构模型及有限元算式。该模型能够描述密实砂土在受力时表现的剪胀特性,同时可以反映中间主应力效应、应力区间效应、拉压差效应和黏聚力对应力-应变特性的影响。

结构性软土粘弹塑性边界面损伤本构模型

在软土流变性的滞后流变理论基础上,引入考虑损伤和各向异性影响的边界面理论,建立结构性软土粘弹塑性边界面损伤本构模型,并将软土的粘弹塑性边界面损伤模型计算结果与常规室内三轴蠕变试验数据进行比较分析。结果表明:对应不同偏应力比,围压较高时的轴应力-时间曲线和孔隙水压力-时间曲线蠕变特征明显,围压较低条件计算曲线略低于对应试验数据,表明初始作用阶段模型参数设定、土样的试验误差等因素误差导致土样初始变化具有复杂性,但总体计算模型同试验数据基本吻合,表明模型分析的有效性。

一种粘弹塑性边界面粘土模型的损伤函数引入研究

针对各向同性粘弹塑性边界面模型不能模拟粘土不排水蠕变三轴试验中的土样开裂后变形的问题,通过试算研究,提出了一个损伤函数.通过将该函数与Kaliakin和Dafalias所提出的各向同性粘弹塑性边界面模型中过载函数相乘的方式,将该损伤函数引入到了模型之中,由此形成了一个各向同性的粘弹塑性损伤边界面新模型.根据该模型和对应的损伤参数,对加拿大温哥华市附近的Haney粘土试验进行了模拟验证.数值模拟结果表明,对于不同粘土土样的高偏应力加载等级,采用合适参数值的损伤函数对于模拟三轴不排水蠕变试验中的蠕变开裂及破坏变形令人满意,表明该损伤函数的引入有效可行,具有良好的理论及应用价值.

一种基于边界面的饱和软黏土弹塑性动本构模型

弹塑性动本构模型对循环荷载作用下路堤和地基基础的设计具有重要意义,构建兼顾实用性和通用性的动本构模型是目前岩土工程设计面临的主要问题。在临界状态和边界面理论框架下建立了综合表征饱和软黏土循环退化、非线性、滞回和变形累积特性的弹塑性动本构模型。在p’-q空间中,将参数n,ξ引入剑桥边界面方程,提出了反映水滴形和类椭圆形的广义剑桥边界面方程,统一了边界面形状。结合三角形相似原理建立了加载面和屈服面之间映射关系,形成了考虑循环退化模量场。通过常规的室内试验,确定了模型中9个参数。开展了等向循环加载和不等向循环加载的动三轴试验和数值模拟,分析了饱和软黏土应力-应变关系和应力路径,研究结果证明了试验结果与模型预测结果基本一致,模型可合理分析饱和软黏土的循环退化、非线性、应变累积和滞回特性。

刚度连续、单调且光滑变化的粗糙界面法向弹塑性接触模型

提出一种新的基于低阶椭圆曲线方程的微凸体法向弹塑性接触刚度模型。进一步基于粗糙表面形貌的Greenwood-Williamson统计模型和微凸体高度分布概率密度函数,推导整个粗糙界面接触刚度和接触载荷表达式,建立粗糙界面接触的总刚度模型,并将模型计算结果与实验测量结果进行对比分析。研究结果表明:该模型考虑粗糙界面的弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形接触状态,且同时满足不同接触状态之间微凸体的接触刚度、接触载荷和接触面积均连续、单调且光滑变化的条件,克服了以往模型存在的接触刚度非连续、非单调的缺点;本文建立的粗糙界面接触刚度模型有效。

筋土拉拔界面弹塑性模型的全过程分析

基于筋土拉拔界面理想弹塑性模型基础上,针对土工合成材料拉拔时出现的应变硬化和应变软化现象,提出了双线性剪应力-位移弹塑性硬化模型和三线性剪应力-位移弹塑性软化模型,将应变硬化筋材的筋土拉拔过程分为弹性阶段、弹性-硬化过渡阶段和完全硬化阶段,将应变软化筋材的筋土拉拔过程分为弹性阶段、弹性-软化过渡阶段、完全软化阶段、软化-残余过渡阶段和完全残余阶段;为了验证2种弹塑性模型的准确性与适用性,将2种弹塑性模型预测结果与试验结果进行对比,并引入几种经典的筋土界面模型进行对比分析;通过筋土界面基本控制方程,分别推导了拉拔荷载下应变硬化和应变软化2种塑性变形特征筋材不同阶段界面拉力、剪应力和位移的计算表达式,很好的反映了筋土拉拔界面的渐进性破坏;同时,为直观反映2种类型筋材拉拔试验过程中界面不同拉拔阶段的受力演化规律,对界面剪应力在不同拉拔阶段的分布规律进行分析。研究结果表明:2种弹塑性模型预测结果与拉拔试验数据吻合良好,能够较好的反映筋土界面的硬化或软化特性,且计算更为简便,具有更好的适用性,验证了所提出2种弹塑性模型对筋材在拉拔界面中渐进破坏分析的有效性;在筋材的拉拔过程中,2种弹塑性模型的过渡阶段一般均不明显。研究结果能够全面反映不同应变类型筋土界面的渐进性破坏。

饱和砂土的三剪弹塑性边界面模型研究(三)——PFC3D数值试验验证

为进一步验证所提饱和砂土三剪弹塑性边界面本构模型的适用性,以南昌地区饱和砂土为研究对象,利用PFC3D颗粒流建立了单调及循环荷载作用下不同含泥量饱和砂土外裹柔性膜的常规三轴和真三轴数值试验模型。常规三轴条件下的室内试验、PFC3D模拟及理论模型间的结果对比验证了3者之间在固结排水时土的偏应力与轴向应变、轴向应变与体应变,以及固结不排水时土的偏应力与轴向应变、轴向应变与孔隙水压力之间的关系均具有较好的一致性,达到了可以进行数值试验的程度,表明所建PFC3D模型可以代替各种复杂加载条件下的饱和砂土室内试验。另外,将PFC3D真三轴固结不排水数值试验和理论模型间的结果作了对比,研究了不同含泥量饱和砂土的中间主应力影响问题。其中,在静真三轴固结不排水条件下,单调荷载下的PFC3D模拟与中间主应力影响系数b=0.5时的理论曲线整体吻合均较好,其曲线误差在轴向变形前期基本保持5%以内;在后续的动真三轴边界面理论模型验证时,循环荷载下的理论模型计算均采用了b=0.5。在动真三轴固结不排水条件下,PFC3D数值模拟和理论计算结果在应力-应变、循环次数-孔隙水压力关系曲线也比较吻合,含泥量越多应变发展速度越快、动剪切模量更小、滞回圈面积更大,孔隙水压的振动幅值和绝对值都随之变大。

混凝土的边界面模型与经典弹塑性力学的对比

简述了国内外混凝土的边界面本构模型的研究状况 ,阐述了其提出的背景 ,并对边界面模型的建立作了简要评述 ,提出了边界面模型与经典塑性力学的区别。

一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型

基于广义塑性理论建立了一个考虑堆石料颗粒破碎的弹塑性本构模型。模型采用随平均应力增加而减小的峰值摩擦角和特征点摩擦角来反映堆石料因颗粒破碎而表现出的峰值应力比与剪胀应力比的非线性,在此基础上确定塑性流动和加载方向向量;运用指数型压缩函数建立依赖于体积应变和平均应力的压缩参数λ,并构造随平均应力与剪应力水平而变化的塑性模量表达式。模型共有8个参数,均可通过等向或单向压缩和三轴压缩试验确定。为验证本文模型的合理性,依据试验资料确定了3种不同堆石料的本构模型参数,并对典型三轴压缩试验进行了模拟。3种材料的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明本文模型可合理反映了颗粒破碎对堆石料强度与变形特性的影响。

脆性大理岩弹塑性耦合力学模型研究

为全面、深入地揭示脆性岩石的变形和屈服特性,以锦屏T26y和T2b脆性大理岩峰前和峰后循环加卸载试验为基础,分析岩石的弹塑性耦合性质、应变硬化软化性质和关联与非关联流动法则,定义考虑围压影响的塑性内变量以考虑应力历史对屈服过程的影响,进而建立脆性大理岩的弹塑性耦合力学模型,该模型能全面地反映脆性大理岩的弹塑性耦合、应变硬化软化和剪胀特性。针对所提出的弹塑性耦合模型,提出相应的数值迭代计算方法,并在有限差分软件FLAC3D进行实现。通过模拟脆性岩石的室内常规三轴压缩试验表明,所提出的力学模型可以较好地反映脆性岩石的主要力学特性。研究成果为更好地理解和分析脆性岩石的屈服破坏过程提供重要的参考。

一种考虑侧接触的微凸体弹塑性接触力学模型

为了准确预测复杂机械系统装配界面的接触特性,构建了一种考虑侧接触的微凸体弹塑性接触力学模型。利用塑性流动下体积守恒的原理,解决了单对微凸体在侧接触形式下接触力学模型难以表征的问题。以微凸体接触力学模型为基础,通过引入微凸体接触点处的等效曲率半径参数,结合装配界面微凸体、装配界面压力的分布规律,将微凸体接触特性扩展到复杂机械系统的整个装配界面。与弹性-塑性接触模型在接触载荷方面的预测结果比较表明,提出的微凸体侧接触弹塑性力学模型与弹性-塑性接触模型在弹性接触载荷预测方面基本相同,但在完全塑性接触载荷预测方面存在较大差异,且两者预测结果的差距随塑性指数和载荷的增加而增加,因此所提出的模型在完全塑性接触载荷预测方面更为接近有限元分析的结果。