一种非共轴应变硬化本构模型数值应用及离心机试验验证

在土体的剪切变形过程中,当主应力方向产生旋转时,主应变增量方向与主应力方向之间存在显著的非共轴现象.同时,机动摩擦角、膨胀角随着累积塑性偏应变的增长而增加,土体具有应变硬化的特点.传统的弹塑性本构模型不能够反映上述现象对地基承载力特性的影响.为了能够对地基承载力问题进行合理的分析,建立了一种非共轴应变硬化模型,并将该模型运用到有限元计算中.通过与三轴试验和离心机模型试验结果进行对比,对该模型在数值应用中的合理性进行了验证.研究结果表明,该模型能够对不同围压下的应力-应变关系进行预测.对浅基础承载力问题进行研究时,非共轴应变硬化模型的计算结果比传统弹塑性本构模型更加接近于离心机试验结果,验证了该模型的数值应用合理性.     

考虑非共轴特性的吸力桶基础竖向荷载-变形特性研究

土体在剪切变形过程中会产生较为显著的主应力方向旋转,主应力方向与塑性主应变增量方向将呈现出显著的差异即非共轴现象.采用砂土非共轴弹塑性本构模型,以吸力式桶形基础为研究对象,研究土体主应力方向旋转和非共轴角度的变化规律,探讨非共轴特性对地基荷载-位移关系的影响.研究结果表明:在竖向荷载作用过程中,土体主应力方向处于单调旋转状态,吸力桶形基础高径比对土体主应力方向的旋转规律(方向、速率和极值)有显著影响.非共轴特性对荷载-位移关系的发展趋势有显著的减缓滞后作用,该作用在地基变形中期比较显著.随着高径比的增加,非共轴特性逐渐显著,该特性对地基竖向荷载-位移关系的影响逐渐明显.     

土工结构物渐进破坏过程Cosserat连续体有限元分析

基于压力相关弹塑性Cosserat连续体模型的有限元过程,有效地模拟了挡土墙、开挖边坡等岩土工程结构中由土体剪胀(非关联塑性流动)或应变软化行为所引起以应变局部化为特征的渐进破坏现象.挡土墙中的土体考虑为非关联的理想弹塑性材料,而边坡开挖中的土体为应变软化弹塑性材料.数值结果表明,基于经典连续体的有限元分析不能完成整个破坏过程的模拟,而所发展的基于Cosserat连续体模型的有限元过程具备保持由非关联塑性或应变软化引起的应变局部化边界值问题的适定性和模拟土工结构物中整个渐进破坏过程的能力.     

基于广义位势理论的非共轴本构模型验证

基于广义位势理论提出的考虑拟弹性塑性变形的弹塑性模型,把塑性应变增量分解为满足弹性分解准则的拟弹性部分和符合传统塑性理论假设的纯塑性部分,这样得到的塑性应变增量方向不仅与应力状态有关,而且与应力增量相关,为解决土的非共轴性问题提供一种有效的方法。通过单剪试验结果及含主应力轴旋转的土体平面问题数值模拟对模型的合理性进行检验。研究结果表明:本文模型计算结果与试验结果吻合较好,且能够描述单剪试验过程中的非共轴现象;此外,与共轴模型数值模拟结果相比,本文模型能够考虑主应力轴旋转产生的土体塑性变形,计算结果更符合实际。     

应变局部化数值模拟中的网格依赖性问题研究

应变局部化现象是岩土材料在工程应用中的普遍现象,当达到承载力极限状态之后岩土材料会发软化行为,由于软化行为的发生,以经典连续体理论研究局部化问题会产生网格依赖性。为了解决这一问题,本文以ABAQUS有限元分析软件为有限元分析基础平台,通过接入子程序UMAT建立模型模拟应变局部化现象。结果发现在UMAT接口下得到不同尺寸的网格划分等效塑性应变图的剪切带会随着网格密度的增加而变宽,这样我们就可以证明应用微极理论可以有效地解决网格依赖性问题,从而避免经典连续体划分网格尺寸对数据的影响。     

基于广义位势理论的岩土塑性应变增量方向非唯一性问题

基于广义位势理论提出的考虑拟弹性的弹塑性模型(拟弹性弹塑性模型)把总的塑性应变分解为满足弹性分解准则的拟弹性部分和符合传统塑性理论假设的纯塑性部分,这样分解后建立的模型更为合理和简便,同时又可以解决岩土塑性应变增量方向非唯一性的问题。研究结果表明:基于广义位势理论的拟弹性弹塑性模型的模拟效果较好,传统的弹塑性模型只能反映塑性应变增量方向的唯一性,而拟弹性弹塑性模型则能够同时反映塑性应变增量方向的唯一性(高应力水平时)和非唯一性(低应力水平时),结果更符合实际,从而为解决塑性应变增量方向非唯一性问题提供了一种有效的方法。     

微极亚塑性颗粒状物体中的剪切局部化

本书是Springer《地质力学和地质工程》系列丛书之一。书中介绍用亚塑性本构模型来进行颗粒状物体中剪切局部化的数值模拟,计算中以平均颗粒直径的形式来增大微结构的特征长度,由于特征长度的出现,边值问题是适定的,数值结果是与网格无关的,因此,捕获了与平均颗粒直径和试样尺寸之比相关的确定性尺度效应。书中全面地阐述亚塑性本构方程以及在微极连续介质框架中的扩展,所模拟的问题有平面应变压缩、无限长地层的单次剪切与循环剪切、直接剪切与简单剪切等,也讨论了一些复杂的问题：壁的边界条件、非共轴性、应力可膨胀法则和构造各向异性等,最后还研究了确定性和统计尺度效应。     

竖向偏心荷载作用下吸力桶荷载-变形特性非共轴本构数值分析

在竖向偏心荷载作用下建立吸力式桶形基础数值分析模型,采用砂土非共轴弹塑性本构模型研究土体主应力方向旋转和非共轴角度的变化规律,探讨非共轴特性对吸力桶力学特性的影响.主要研究结论表明:在地基变形过程中,非共轴角度呈现先增大后减小的发展趋势.随着偏心距的增加,等效塑性应变在地基中的分布范围逐渐减小,非共轴特性也将减弱,非共轴特性对荷载-变形特性的影响逐渐减弱.对于桶壁端部阻力和桶壁外侧摩擦阻力,非共轴特性的影响随着偏心距的增加而减弱.对于桶体顶部阻力和桶壁内侧摩擦阻力,非共轴特性的影响随着偏心距的增加而逐渐显著.     

基于Hoek-Brown准则的非常规态型近场动力学弹塑性模型

岩石介质在不同荷载环境下具有显著的弹塑性变形特征和断裂力学行为。为了同时描述岩石的弹塑性变形连续场以及断裂力学行为的非连续场,提出了一种基于Hoek-Brown强度准则的非常规态型近场动力学（non-ordinary state-based peridynamics, NOSBPD）弹塑性模型。首先,基于非局部变形框架下的材料对应性关系,建立了以Hoek-Brown强度准则为屈服准则的NOSBPD弹塑性本构方程,通过主应力空间的返回映射算法得到给定应变增量对应的应力增量,并给出了相应的增量模型积分算法;其次,提出了基于等效塑性应变的断裂准则,实现了岩石弹塑性断裂全过程力学行为的表征;最后,通过引入非均匀变形状态消除了NOSBPD模拟存在的零能模式问题。基于数值模拟结果与有限元结果以及试验数据进行对比分析,验证了所建立模型的正确性,可为岩石的弹塑性断裂力学行为研究提供有效分析手段。     

非线性准则下多孔岩土体弹塑性变形推导与数值模拟

基于临界状态塑性模型,针对多孔岩土材料,从非线性的弹性本构方程出发,对其率形式进行积分求解,得到弹性行为下切线应力-应变模量的表达式;在此基础上,引入一致性系数,对非线性准则下弹塑性变形本构方程的增量形式进行应力积分求解;编制大型有限元计算程序以及积分求解核心算法程序,再现饱和砂土边坡液化的形成过程。研究结果表明:在边坡局部剪切带即将形成的区域,孔隙水压力明显增大,而且沿着剪切带的外法线方向向外流动;在远离剪切带区域,水压力分布较均匀,且流动方向趋于水平;根据液化发生准则,得到了边坡发生液化的滑动面。     

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。     

岩土材料物质成分对峰后性能影响的力学模型

利用混合定律,对仅适用于均匀直径颗粒体材料的梯度塑性理论进行了修改。对多直径颗粒体材料的剪切带的分析表明,构成岩土材料的各组分尺寸及含量都对剪切带内部的局部塑性剪切应变分布及其宽度有影响。在三轴压缩条件下,得到了由多直径颗粒体材料构成的岩样的差应力-应变曲线的峰后斜率的表达式。该斜率受各组分的力学性质、几何性质、含量及剪切带倾角影响。将不同围压及不同超径颗粒含量条件下的实验结果和理论结果进行了比较,验证了理论模型的正确性。     

考虑中间主应力与剪胀的新邓肯张模型

邓肯-张模型是岩土工程中广泛应用的非线性弹性模型,但由于其建立在Mohr-Coulomb强度准则基础上,不能考虑中间主应力的影响,且邓肯-张模型应用广义胡克定律时,假定体应变与轴应变之间为双曲线,不能反映岩土材料的剪胀性.基于统一强度理论,在沈珠江模型的基础上,采用二次抛物线体变公式,改进其参数形式,建立同时考虑中间主应力和剪胀的新邓肯-张模型.经与粗粒土和粘性土等试验结果比较,验证了新模型的正确性.研究结果表明:该新模型克服了邓肯-张模型的不足,可以合理地反映岩土材料的中间主应力效应和剪胀性.该结果为邓肯-张模型的改进提供了理论依据,对实际工程设计具有一定的参考价值.     

采用应变梯度硬化模型预测黄铜薄板微弯曲弯矩

通过黄铜板料微弯曲实验,发现其弯曲弯矩存在明显的尺寸效应现象,随板料厚度的减小,弯曲弯矩增大.采用经典塑性理论和不同的应变梯度理论对微弯曲弯矩进行了预测,对比分析结果表明：修正的Nix Gao模型的预测结果更接近于实验结果,并且得出了合理的内禀尺寸表达式;该内禀尺寸与材料的剪切模量、初始屈服极限、柏氏矢量和板料厚度方向上的孪晶数有关.     

陶粒砼大开洞剪力墙剪力调幅法的研究

通过12片陶粒砼大开洞剪力墙1:3比尺的模型试验,提出采用塑性内力重分布的剪力调幅法计算大开洞剪力墙的内力。该方法较弹性理论更符合结构实际受力状态,与塑性铰理论计算及试验结果相比偏于安全。     

Generalized Plastic Mechanics and Its Application

The development of geotechnical plasticity is reviewed and some problems of applying the classical plastic mechanics （CPM） to geomaterials are analyzed, and then CPM＇ s three hypotheses not fitted the deformation mechanism of geomaterials are pointed out. By giving up the three hypotheses, a generalized plastic potential theory can be obtained from solid mechanics directly, and then the traditional plastic mechanics can be changed to a more generalized plastic mechanics, namely generalized plastic mechanics （GPM）. The GPM adopts the component theory as theoretical base, so it can reflect the influence of transition of stress path. The unreasonable phenomena such as excessive dilatancy caused by adopting the normality-flow law can be avoided, and the error caused by the arbitrary assumption of plastic potential surfaces cannot be produced. The yield surface theory, hardening laws and stress-strain relations of GPM are given, and a GPM including the rotation of principal stress axes is also established. It is pointed out that the yield condition is a state parameter as well as a test parameter, and it can only be given by test. After the practical application, it is shown that the GPM cannot only be applied to the modeling theory of geomaterials but also to other fields of geomechanics such as limit analysis.     

基于修正塑性功函数的砂土硬软化本构模型

基于与应力路径无关的修正塑性功函数,提出了一个新的可以考虑砂土变形强度应力路径效应的弹塑性硬化-软化本构模型.模型所采用的与应力路径不相关的修正塑性硬化函数是基于砂土多应力路径平面应变压缩试验结果、经过数学拟合而得到的.文中建议的本构模型属于等向硬化-软化、考虑非关联流动的弹塑性模型.有限元计算结果与室内试验结果比较表明,该模型不仅可以较好地模拟砂土变形强度的应力路径效应,同时也可以模拟砂土变形强度的应力水平依存性、强度的固有结构性各向异性、初始空隙比依存性,以及砂土伴随剪切破坏的软化效应.     

挤密桩夯填过程的塑性分析

挤密桩夯填过程中,土体的塑性变形分析多采用Mohr-Coulomb强度准则,未考虑中间主应力的影响。为了全面考虑土体的三向应力状态,采用统一强度理论和厚壁圆筒理论,对挤密桩夯填施工阶段的受力状态进行了分析,得出了土体夯填塑性影响比例半径计算公式的统一解,散体模型和理想弹塑性模型公式为其特例。该公式适用于不同土体材料夯实塑性影响区的计算,可以用于分析夯实土体所需能量,从而确定重锤的质量、落距以及夯击次数。