基于旋转运动硬化理论的修正剑桥模型的改进

修正剑桥模型是最早建立和得到广泛承认的经典土体弹塑性模型之一,但不能模拟应力路径转折时土体的应力-应变特性以及应力引起的各向异性。将旋转运动硬化理论引入到剑桥模型中,给出了椭圆屈服面的旋转运动硬化机制,在不增加任何模型参数的情况下,把等向硬化的修正剑桥模型扩展为旋转运动硬化模型。扩展的新模型既保留了单调加载时的等向硬化的特性,又能反映应力路径转折时土体的本构特性与应力诱发的各向异性,初步验证了模型的有效性。     

土体三维卸荷弹塑性模型及其试验验证

天然土体经历开挖卸荷应力路径后,其应力变形特性与常规加载应力路径条件下规律存在较大差异。目前常用土体本构模型大多建立在等向固结单向加载三轴试验基础上,没有考虑初始K0固结和开挖卸荷应力路径的影响。以剑桥模型为基础,借鉴关口-太田模型的建模思想,通过引入新的应力比参数,对p-q平面上屈服轨迹硬化轴进行旋转,调整弹性区范围,以反映初始K0固结的影响;再运用变换应力法将模型三维化处理,从而使模型可以描述土体三向不等向应力状态,最终得到一个能综合反映土体K0固结开挖卸荷应力-应变特性的三维弹塑性本构模型。通过和典型室内应力路径试验结果进行对比,验证了模型的合理性。     

基于广义位势理论的类剑桥模型

广义位势理论直接从数学原理出发建立本构模型,避开了传统塑性理论中塑性势函数等复杂概念,为研究岩土本构模型提供了新的思路。基于广义位势理论中土的应力空间多重势面模型,对剑桥模型“能量方程假设”的数学原理进行分析,从数学角度上建立了一个改进的剑桥模型（即类剑桥模型）,而修正剑桥模型等可作为其特例。利用不同应力路径下的试验数据对其合理性进行验证,并与剑桥模型进行对比分析。结果表明：类剑桥模型的参数确定方便、自由,计算结果与试验较一致,甚至优于修正剑桥模型;类剑桥模型所采用的数学原理更明确,且避免了确定塑性势函数和能量方程的困难及其所带来的误差,是一个具有较好实用价值的模型。     

软黏土的各向异性临界状态模型

剑桥模型只适用于正常固结软黏土,不能描述不等向固结土的应力-应变行为的各向异性特性。基于剑桥模型,在其椭圆屈服面中引入各向异性张量和一个形状参数,建立了一个各向异性屈服面,提出了一个适用于等向和不等向固结软黏土的本构模型。各向异性张量的初始值由初始固结应力状态确定,其演化过程由一个与塑性剪应变和塑性体应变都有关的硬化法则描述。形状参数的引入保证了各向异性屈服面的灵活性和适应性。通过对Boston Blue黏土、高岭土和Otaniemi黏土的三轴试验结果的模拟,验证了模型的模拟能力。     

软粘土的各向异性和小应变条件下的本构模型(ASM)

以能量方程为基础推导出各向异性和小应变条件下弹塑性的本构方程,并将屈服面与修正桥模型和试验测得的屈服面进行了对比,表明新的屈服面比修正剑桥模型更接近试验结果,采用从初始应力到状态边界面的距离为参数的系数来修正硬化准则以模拟土体小应谱条件下的应力－应变特征。将新的本构模型编入有限元程序,对小应变试验进行了计算分析,计算结果表明,新的模型比修正剑桥模型能更好地反映土体的主要力学特性。     

一个描述软黏土时效特性的一维弹黏塑性模型

为了描述软黏土一维应力-应变关系的时效特性,基于Bjerrum的等时间线体系,提出等黏塑性应变率线概念,推导了黏塑性应变率与黏塑性应变增量的关系,建立了软黏土的一维弹黏塑性模型;从理论上分析了新建模型与3种典型的一维弹黏塑性时效本构模型的内在联系,表明新建模型与其他3种模型在本质上是等效的,且形式更简洁,物理意义更明确;利用新建模型对软黏土的固结-蠕变耦合效应、应变率效应、应力松弛效应等时效特性进行了理论分析,并得到了相应的解析解;结合宁波软黏土的一维固结试验,阐述了模型参数的确定方法,并用新建模型对宁波软黏土的固结-蠕变试验、温州软黏土的一维多级等应变率试验、香港海相软黏土的一维应力松弛试验进行模拟,验证了新建模型的有效性。研究结果表明,新建模型能很好地模拟软黏土的一维时效特性。     

多孔隙岩石加卸载力学特性及本构模型研究

为了研究岩石在加载-卸载过程中的应力-应变关系,以砂岩为例,对其进行常规三轴加卸载试验。分析了峰后卸载阶段岩石的非线性特性,对岩石的损伤变量进行定义,给出了峰后卸载过程中用于描述应力-应变关系的弹性模量模型。通过分析加载-卸载过程中的轴向应变与径向应变的关系,得到了卸载过程中泊松比模型。引入D-P塑性模型,针对砂岩的塑性硬化特性,对硬化函数进行修正,建立了与等效塑性应变相关联的损伤模型。将计算模型矩阵化后进行数值计算。在此过程中得到如下结论:多孔隙岩石在加载过程中表现出明显的非线性特征,随着体应力的增大,岩石的弹性模量逐渐增大。岩石峰后卸载过程中,当轴向应力大于围压时,应力-应变可以利用峰前弹性阶段的弹性模量模型乘以连续性因子进行描述。随着等效塑性应变的增大,泊松比先增大后减小,最终趋于稳定。峰后卸载过程中,等效塑性应变不发生变化,此时泊松比保持不变。利用提出的本构模型进行了数值计算,数值计算结果与试验结果进行对比,结果表明,提出的模型能够反映出岩石在峰后卸载过程中的应力-应变规律。     

无状态变量的状态依赖剪胀方程及其本构模型

粗粒土的剪胀行为具有状态依赖特性。为了考虑这一特性,不同的状态依赖变量被唯像地提出,并被经验性地内嵌入已有剑桥、修正剑桥等剪胀方程中。基于分数阶梯度律,用理论推导出了分数阶状态依赖剪胀方程,并阐述了分数阶数的物理意义。所得剪胀比大小受3个因素影响：分数阶求导阶数、当前加载应力以及当前应力到临界状态应力的距离。当分数阶求导阶数从1开始增大时,分数阶剪胀曲线自修正剑桥剪胀曲线向剑桥剪胀曲线移动;而当求导阶数从1开始减小时,分数阶剪胀曲线逐渐远离修正剑桥剪胀曲线;当求导阶数等于1时,分数阶剪胀曲线与修正剑桥剪胀曲线重合。为验证所提出的状态依赖剪胀方程,基于该方程进一步建立了砂土的状态依赖分数阶塑性力学本构模型,并对砂土和堆石料的三轴排水与不排水试验结果进行了模拟。研究表明,基于状态依赖分数阶剪胀方程建立的本构模型,可以合理地描述砂土在不同初始状态及加载条件下的应力-应变行为。与砂土UH模型预测结果对比发现,UH模型预测较好。     

土的基本力学特性及其弹塑性描述

Cam-clay模型是在等向加载试验基础上建立起来的且能够描述正常固结土在常规三轴试验条件下应力-应变关系的最简单弹塑性模型,是建立各种土的弹塑性本构模型的基础。文中分别按加载方式的不同和土组构的不同,对描述与应力状态、应力历史、应力路径、持荷时间等因素有关的加载方式下土应力应变特性的弹塑性本构模型进行了归纳。对反映不同组构所形成的结构性、各向异性和颗粒破碎等特性的弹塑性本构模型进行了综述,并着重介绍了描述应力状态的三维化方法、反映应力历史影响的超固结土模型和模拟渐近状态路径的渐近状态模型等典型研究成果。     

非饱和黏土状态相关本构模型的数值实现

基于双重塑性机制,即剪切滑移和加载湿陷机制,及毛细滞回和变形间的耦合作用,提出了一个适用于非饱和黏土的状态相关本构模型。建立了该模型的隐式积分算法,并处理了双重固相屈服面交点处的应力积分问题。考虑了吸力与应力间的关系,推导了本构关系的一致性切线模量。最后,利用该模型预测了一组非饱和黏土的三轴试验,以此反映模型的描述能力;对比了不同应变步长下应变控制试验的计算结果,并以此验证算法的收敛性和准确性;利用有限元程序平台U_DYSAC2计算了二维情况下非饱和土地区地基固结问题,从而验证所得一致性切线模量的有效性。     

描述饱和黏性土应变软化的弹塑性双面模型

常规三轴压缩试验中具有较强结构性的黏性土在围压较低时其应力−应变关系会呈现应变软化现象,一般还伴有塑性变形,通常土体内部结构损伤是应变软化产生的主要原因。考虑到采用经典塑性理论描述材料的应变软化不仅会违背 Drucker 的稳定性假设,而且也不能描述卸载塑性。因此,基于修正剑桥模型及 Li 和 Meissner 提出的塑性硬化准则,建立了一个描述饱和黏性土不排水应变软化的弹塑性双面模型。该模型以应力−应变曲线的峰值点分界,将应变硬化和应变软化分别作为独立的加载事件进行分析,同时引入新的结构性参数表征剪切过程中土体结构损伤导致的塑性刚度衰退。对不同固结状态饱和结构性黏土的三轴固结不排水压缩试验结果的模拟表明,所建模型能够较好地描述饱和黏性土的不排水应变软化特性。     

岩土材料应力路径无关硬化参量的构成方法

在分析砂土试验结果的基础上,揭示了基本硬化内参量（塑性体积应变、塑性剪应变）变化的应力路径相关性,提出了应力路径无关硬化参量的一般表达式。并指出了塑性功硬化参量及其提出的黏土和砂土统一硬化参量均是所提一般表达式框架下的特例。还将该统一硬化参量直接和修正剑桥模型结合,并与试验结果对比,表现出描述剪胀特性的简单性和有效性。     

循环荷载下砂土的剪切硬化边界面本构模型

基于临界状态土力学框架,建立了一个适用于往返循环荷载作用的砂土边界面本构模型。采用无纯弹性域假设,认为受到反向荷载的瞬时土体就产生塑性变形,砂土的弹性区域退化为一个点。屈服面为倒子弹头型,由于砂土孔隙比与压力之间不存在惟一对应的关系,使得屈服面大小无法与体积应变直接耦合,故采用塑性偏应变而不是剑桥模型那种塑性体应变作为硬化参数。流动法则采用加入状态参数的修正的Rowe应力剪胀关系,体现了依赖状态的剪胀思想。屈服面大小的比值 反映了塑性模量的演化,并推导了 的表达式。只用1套参数,该模型就能合理地模拟砂土在不同密度和固结压力下循环荷载的应力-应变关系曲线。     

Method of Numerical Modeling for Constitutive Relations of Clay

INTRODUCTIONThe mechanical responses of soils are more com-plicated compared with metals.By comparing thephysical and mechanical properties of the metals withsoils,Lade(1988)found that there are17differentpoints between the metals and soils,which differfrom metals inthree basic mechanical characteristics:pressure sensitivity,dilatancy,and dependence ofstress path.Wang(2004)proposed a principle of theinteraction between plastic volume and shear strains,that is,there are two relatively inde…     

剑桥模型可反映剪切变形的一种修正

由于剑桥模型不能很好地反映土的剪切变形,因此,在工程应用中不能够反映土的实际受力变形特征。对剑桥模型的这一缺点进行理论分析,指出产生此现象的原因,提出由剪应力和体应力引起的应变分量,分别采用不同的分配比例系数,基于这种思想并采用剪切试验结果对剑桥模型进行修正,给出了基于不同分配比例系数修正后的剑桥模型的应力-应变关系计算式。通过采用剪应力与轴向应变修正后的模型与剑桥模型的预测结果的对比,揭示了修正后的模型能够较好地反映剪切变形,同时模型含有可直接测定的4个独立的试验参数。     

低幅值高循环荷载作用下土体的应变累积模型

高速铁路路基上的轨道以及附近区域的结构物承受低幅值、高循环振动荷载的反复作用。在此低幅值、高循环荷载作用下土体会产生不可恢复的应变累积,导致轨道及附近区域结构物发生附加沉降。当前,描述土体的循环变形特征的理论分为两类：一类是基于经典塑性理论的应力-应变滞回模型（例如边界面模型）,另一类是基于循环三轴试验经验规律的应变累积模型（例如Bochum累积模型）。为了能够预测土体在低幅值、高循环荷载作用下的应变累积行为,在前人对土体在低幅值、高循环荷载作用下大量试验研究的基础上,在经典弹塑性理论的框架下,提出一个土体在低幅值、高循环荷载作用下的应变累积模型。该模型通过用对数律来描述塑性体应变的累积规律,并以此作为应变累积的大小度量,然后通过修正Cam-clay模型的流动准则来描述应变累积的发展方向。最后,通过多组试验结果的模拟,表明所提出的应变累积模型能够较好地预测土体在低幅值、高循环荷载作用下的应变累积行为,具有广泛的应用前景。     

真三轴应力条件下修正邓肯-张模型的试验研究

邓肯-张非线性模型已经被广泛的应用于工程实践的应力-应变数值分析中。考虑轴对称应力条件下邓肯-张模型应用于复杂应力时存在的不足,依据原状土的真三轴试验数据对邓肯-张模型预测结果与实测结果进行比较,论证了复杂应力条件下邓肯-张模型的适用性。通过考虑真三轴试验应力条件下中主应力对大主应变的影响,邓肯-张E-B模型大主应变叠加中、小主应力差作用产生的变形,提出了不同中主应力比的邓肯-张E-B模型参数确定方法,建立了复杂应力路径条件下修正的邓肯-张E-B模型。经与西安原状土真三轴试验结果进行比较,验证了修正邓肯-张E-B模型的正确性,为邓肯-张模型在复杂应力条件下的应用提供了途径。     

砂土的物态本构模型

基于砂土的压缩回胀性、剪切非线性及剪缩剪胀性的系统分析和包括循环荷载、主应力轴旋转及应力路径偏转等复杂应力条件下的复杂变形反应,得到了三类应力-应变基本关系。在剪缩剪胀应力-应变关系中,引入了由偏应变分量确定的应变路径长度变量,揭示了应力主轴旋转、应力路径偏转引起的剪缩剪胀性。将这些基本关系与循环荷载下砂土的物态变化相联系,建立了砂土的物态动本构关系。