堆石料Wang-Wu亚塑性本构模型参数求取的改进

研究Wang-Wu提出的亚塑性模型,并指出该模型应用在堆石料时存在的不足.推导了模型参数的求取方法,建立了参数与围压之间的关系,提出了新的模型参数.通过堆石料大型侧限压缩试验、大型三轴排水试验、邓肯E-B模型和改进的沈珠江双屈服面模型,反演其他围压的试验值并进行对比验证.所得成果表明,提出的7个新参数有效地解决该模型应用到堆石体材料时遇到的确定参数的难题,有利于将该模型推广到堆石体材料工程.

基于亚塑性模型的砂土直剪试验研究

介绍具有独特建模思想的Gudehus-Bauer亚塑性模型理论,该模型以非线性张量为基础,自动隐含弹塑性理论中的屈服面、塑性势、流动法则、硬化定律等概念和假设。基于Gudehus-Bauer亚塑性理论,对直剪试验进行合理假设,建立砂土直剪试验的数值模型,并对不同初始孔隙比下砂土的直剪试验进行数值模拟,验证了该模型的适用性。通过直剪试验的数值模拟研究发现,Gudehus-Bauer亚塑性数值模型不仅能分析不同孔隙比砂土的非弹性、非线性及剪胀(剪缩)等力学特性,而且能很好地反映砂土在循环受力状态下的应力应变演化规律。

考虑颗粒破碎对特征孔隙比影响的堆石体亚塑性本构模型

颗粒破碎是影响堆石体强度和变形特性的主要问题之一。相比于砂土,堆石料在较低的应力水平下就会发生严重的颗粒破碎,因此,在进行堆石体力学特性及本构模型研究时必须考虑颗粒破碎的影响。同时,堆石体在受力过程中孔隙比是变化的,而传统本构模型不能使用一组参数模拟不同孔隙比的同种材料。因此,以能够考虑应力水平和土体孔隙比影响的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型为基础,考虑堆石体有别于砂土的孔隙比变化特征,提出了考虑堆石破碎的亚塑性本构模型。亚塑性理论是目前可最大限度地减少人为假定的一种本构理论,颗粒材料在不同特征应力路径下,破碎造成的过度变形量不同;但相同应力水平、不同特征应力路径下孔隙比已不满足Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中提出的等比例变化规律。据此,结合考虑颗粒破碎的临界状态理论和堆石体常规三轴试验和循环加载试验结果,提出了考虑颗粒破碎堆石体特征孔隙比的表达式,并将其引入到Gudehus-Bauer亚塑性本构模型中,建立了考虑颗粒破碎的堆石体亚塑性本构模型,提出了模型参数的确定方法。与堆石体试验结果对比表明,该本构模型可以较好地模拟其力学与变形特性。

堆石料的亚塑性边界面模型及其验证

基于高莲士教授针对天生桥面板堆石坝灰岩所进行的堆石料在不同应力路径下的大型三轴试验结果 ,提出亚塑性理论边界面模型参数的简捷确定方法。通过编制调参程序 ,对堆石料典型三轴试验进行数值模拟 ,与试验成果的对比表明 ,模型能较好地反映各种复杂加载路径下堆石料变形性状。进而对恒应力比转折、恒应力比加卸载、平面应变试验等土体单元可能出现的复杂应力路径进行了预测 ,对深入了解高围压下摩擦型材料的屈服及应力路径相关等特性具有一定意义。

一种改进的粘土亚塑性本构模型

简要地介绍了Herle和Kolymbas针对黏土建立的亚塑性本构模型的方法。结合黏土的特性以及对响应包络线的分析,详细地列出了HK模型几个尚未解决的问题,并对该模型3个参数分别进行了改进,建立了改进后的HK亚塑性公式以及参数的确定方法。改进后的模型继承了HK模型参数少、易确定以及公式简洁等特点,使HK模型不仅具有严密的数学和力学基础,而且具有较好的实际意义。

考虑破碎影响的颗粒材料亚塑性模型及应变局部化模拟

在基于2ndP-K应力率的亚塑性模型基础上,通过引入一个能够考虑颗粒破碎影响的孔隙比-平均压力临界状态方程,形成了一个能够模拟颗粒破碎影响的颗粒材料亚塑性模型,数值算例考查了颗粒破碎对应变局部化模式及位移-承载曲线的影响,结果表明,所建议模型具有模拟破碎对颗粒材料应变局部影响的良好性能。

基于ABAQUS的颗粒材料亚塑性模型的数值实现及探讨

颗粒材料的亚塑性模型以Jaumann应力率张量及变形率张量描述本构关系,基于Cauchy应力的Jaumann速率及变形率给出了有限元的切线刚度矩阵,由此指出在严格意义上基于ABAQUS二次开发的亚塑性模型数值实现必需借助UEL接口。为了简化程序开发,文中建议了与有限元相结合的两种近似切线模量矩阵,即基于矩阵广义逆一致性切向模量矩阵与近似切向模量矩阵,从而形成了通过UMAT接口实现亚塑性模型的数值方案。由此降低了程序开发的难度,同时也可借助ABAQUS的后处理功能,提高了工作效率。数值算例表明了所开发程序的正确性以及所建议方案的可行性。

考虑物态变化的粗粒土亚塑性本构模型

建立了可描述粗粒土单调和循环力学特性的一个亚塑性本构模型。基于亚塑性理论的基本框架,引入临界状态参数,建立了一个新的粗粒土亚塑性模型,给出了数学公式及参数确定方法。采用该模型对粗粒土单调和循环加载试验进行了模拟和预测。该模型无需判断加卸载、参数较少、易于三维化,能够较全面地描述单调和循环荷载作用下粗粒土的主要力学特性,如强度与围压的非线性关系,胀缩规律与围压相关、卸载体缩、体变随加载过程累积等主要体变特性等。

Wu-Bauer亚塑性模型参数确定方法的改进及其验证

研究了Wu-Bauer亚塑性模型参数试验确定方法及其存在的问题。根据单形调优法,对模型参数确定方法进行了改进,并通过三轴固结排水试验、侧限压缩试验和加卸载试验进行了验证。分析表明,该方法可有效地确定模型参数。最后分析了Wu-Bauer亚塑性模型的优点和不足之处。

堆石料Gudehus-Bauer亚塑性本构模型改进及参数确定方法

研究了Gudehus-Bauer亚塑性本构模型和模型参数的求取方法。采用侧限压缩试验曲线求取模型参数颗粒硬度hs和指数n。根据模型方程的推导,建立了拟合指数?和?与围压之间的关系,并提出了新的拟合参数。考虑到堆石料具有明显的剪胀、剪缩性,在Gudehus-Bauer模型线性项中增加了主要控制体积应变项?tr((5)ε)σtr(σ),以改善模型对堆石料体积应变曲线的描述。采用堆石料大型侧限压缩试验、常规三轴试验分别验证了新的拟合参数和改进后的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型。与堆石料试验成果比较,提出的新拟合参数与改进后的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型可以较好地模拟堆石料的应力-应变特性,并较好地改善了堆石料体变曲线的模拟结果。对改进后的模型作了常规三轴加、卸载模拟,模拟结果反映了改进的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型具有一定的卸载适应性。

基于CLoE与Gudehus-Bauer亚塑性模型的颗粒材料应变局部化对比研究

基于CLoE与Gudehus-Bauer亚塑性模型数值模拟了平面应变条件下Hostun砂的应变局部化现象。从侧向压力和初始缺陷两个方面对比研究了两种模型所预测应变局部化的产生及演化模式。结果表明:(1)两种模型均能反映Hostun砂刚度随着侧向压力提高而增大的现象。(2)相比Gudehus-Bauer亚塑性模型,CLoE亚塑性模型所得出的应变局部化形态与试验结果更加一致。(3)CLoE亚塑性模型能够反映随着荷载增加,砂的体积先膨胀后缩小的特点。(4)相比Gudehus-Bauer亚塑性模型,CLoE亚塑性模型所得到的应变-应力曲线能够更明显地反映应变局部化带中单元的软化现象。(5)CLoE亚塑性模型能够更好地模拟由初始缺陷导致的不均匀应变。总的来说,所得的数值结果表明,CLoE亚塑性模型能够较好地模拟侧向压力和初始缺陷对应变局部化的影响,在模拟应变局部化现象方面较Gudehus-Bauer更有优势。然而,现有CLoE亚塑性模型无法考虑孔隙比,也未包含颗粒材料内尺度变量,有待进一步完善。

Gudehus-Bauer亚塑性本构模型研究

无黏性土的应力-应变关系可以用 Gudehus-Bauer 亚塑性本构模型来模拟,该模型强调应力增量的大小和方向不仅与当前应力状态有关,而且还取决于当前应变增量的大小和方向。为分析其与传统弹塑性理论的不同之处,对 Gudehus-Bauer理论的线性项和非线性项进行了研究,并对不同初始孔隙比下 Gudehus-Bauer 亚塑性模型的应力-应变关系进行了探讨。结果表明 Gudehus-Bauer 亚塑性模型不用把应变分为弹性和塑性部分就能考虑不可逆变形,并能体现密砂的剪胀特性和应变软化特性以及松砂的剪缩特性和应变硬化特性。

考虑主应力轴旋转Gudehus-Bauer亚塑性模型的改进

基于非线性连续介质力学的基本原理,提出了一个考虑主应力轴旋转改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型。新改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型强调应力增量的大小和方向不仅与当前应力状态有关,而且还取决于当前应变增量的大小和方向。模型中4个参数可由休止角,最大孔隙比以及最小孔隙比估计出来;而其它4个参数可由等向压缩实验、三轴压缩实验以及密砂的侧向压缩实验确定。最后,通过算例把改进后模型数值模拟结果与有关实验资料做了比较,结果表明改进的Gudehus-Bauer亚塑性模型可以考虑主应力轴旋转对砂土强度和变形特性的影响。

基于2nd P-K应力率的颗粒材料亚塑性模型

亚塑性理论为建立颗粒材料本构模型提供了一种新的框架,在此框架内讨论了Gudenhus-Bauer模型的模量矩阵不对称性,并阐述了直接以Cauchy应力Jaumann速率建立本构关系时以及由此所建议的Gudenhus-Bauer模型中所存在的问题.为此基于Gudenhus-Bauer模型的张量函数,应用2nd P-K应力率与Green应变率建议了一个新的颗粒材料亚塑性模型,该模型可与经典关联与非关联流动理论相对应.此外还简单介绍了如何依据基于2nd P-K应力率的本构模量获得以Cauchy应力Jaumann速率及变形率表示的亚塑性模型.数值算例表明所建议模型具有模拟颗粒材料应变局部变形特征的良好性能.

考虑湿化效应的堆石料Gudehus-Bauer亚塑性模型应用研究

在扼要分析堆石料主要力学特性的基础上,在亚塑性理论框架内,采用扩展的Gudehus-Bauer亚塑性模型对堆石料因含水率发生变化引起的湿化行为进行建模预测。扩展模型除能考虑含水率对颗粒硬度的影响外,还能反映土体密实度、应力状态和含水率等对堆石料非线性和非弹性变形的影响。将该模型应用于心墙坝初次蓄水时应力变形的亚塑性计算分析中。结果表明,扩展模型能较合理地反映心墙堆石坝的湿化变形规律。

基于CLoE亚塑性模型的密砂循环荷载下力学行为模拟

亚塑性模型为模拟颗粒材料的非线性力学行为提供了一条新途径,特别是CLoE亚塑性模型在模拟应变局部化时具有一定的优势。然而该模型在模拟小幅应力-应变循环时表现出一定的锯齿效应。为了克服该效应,基于颗粒间应变张量的概念发展了修正的CLoE亚塑性模型以正确模拟循环荷载下密砂的力学行为。此外,为保证单调荷载作用下修正模型与原模型预测结果的一致性,改进了颗粒间应变率及颗粒间最大应变的定义。数值算例表明:(1)修正模型保留了克服锯齿效应的优点。(2)修正模型能够反映不同振幅条件下的卸载刚度。(3)在大振幅循环条件下,滞回圈的面积随着循环次数增加而增大。(4)修正模型能够保证单调加载条件下所得结果与原模型的一致性。(5)修正模型可以反映材料的疲劳破坏机制。

亚塑性本构模型的隐式数值积分算法

针对亚塑性本构方程率型隐式的特点,推导了求解亚塑性本构方程的隐式数值积分算法,并对该算法做了进一步改进,引入自适应时间步长技术,在保证精度和收敛速度的前提下,通过合理选择时间步长,降低了计算时间,保证了该计算程序的可靠性。通过采用该算法所编制的Gudehus-Bauer亚塑性模型有限元程序,对已知算例进行验证计算结果表明,本文算法比较精确。最后对一堆石大堤进行了应力变形的亚塑性数值求解,所得结果合理,反映了该大堤堆石料的主要应力应变特性,表明本文算法求解实际工程问题时可行。

基于Nader亚塑性模型开挖边坡稳定分析

基于Nader亚塑性模型,引入滑面应力有限元边坡稳定分析方法。对于开挖边坡,用基于Nader亚塑性模型滑面应力分析法和极限平衡法进行了研究。结果表明:当坡度比较缓时,滑面应力分析法计算结果同极限平衡方法比较接近;当坡度比较陡时,滑面应力分析法计算结果要高于极限平衡方法计算结果,并且不同坡角的最危险滑动面形状和位置相差较大。

考虑中主应力效应Gudehus-Bauer亚塑性模型的改进

针对Gudehus-Bauer亚塑性模型不能考虑中主应力影响,在Gudehus提出的响应包络线理论基础上,提出了在模型的非线性项乘以一个考虑中主应力的因子进行改进.这种改进增加了土体剪切时的强度,改变了土体受压时的变形.新模型对中主应力的变化在中主应力参数影响程度能够有一定反映.同时将改进后的模型与中主应力参数为常量的真三轴实验进行了比较.结果表明改进后的模型可以模拟中主应力对砂土强度和变形特性的影响,能够定量预测由于中主应力影响产生的体积应变.

小应变亚塑性黏土本构模型在PLAXIS中的实现及应用

针对小应变亚塑性黏土本构模型参数物理意义不明确、工程应用困难,基于PLAXIS有限元软件用户自定义材料属性的二次开发接口,自定义本构模型参数,开发小应变亚塑性黏土本构模型子程序,用于模拟分析单调载荷作用下多特蒙德黏土和循环载荷作用下高岭土的变形过程,并与文献试验结果进行对比,验证了子程序的合理性。在此基础上,将开发的子程序模拟分析京张高铁官厅湖段湖相沉积黏土在列车动循环载荷作用下的变形特征。结果表明:随载荷循环次数的增加,湖相沉积黏土变形逐渐增大并趋于稳定,模拟结果较好地体现了黏性土体在循环载荷作用下的基本力学特征,且与试验结果基本一致,验证了二次开发的小应变亚塑性黏土本构模型子程序在实际工程中的适用性。