纯摩擦型岩土介质本构积分算法及其在ABAQUS中开发应用

提出了基于Euler向后积分的自适应子增量本构积分算法,推导了相应的一致切线模量矩阵;通过引入伪屈服函数(塑性势函数),提出了对屈服面角点应力区进行两个方向应力投射的本构积分算法,使超出屈服面的试应力收敛到角点;推导了两个投射方向的一致切线模量矩阵;采用赋小值方法解决0应力屈服的问题。用上述方法编制了基于D-P准则的理想弹塑性模型ABAQUS-UMAT子程序,并进行了算例验证。     

基于Drucker-Prager准则的岩石弹塑性损伤本构模型研究

大多数岩石材料软化本构模型在硬化函数中引入塑性内变量来表示材料的硬化/软化性质,但并不能反映岩石微裂隙损伤对材料力学性能的影响及单轴拉伸和压缩所表现的初始屈服强度f0与屈服极限fu的差异。基于D-P准则同时考虑塑性软化及损伤软化,建立岩石类材料的弹塑性本构关系及其数值算法。塑性屈服函数采用Borja等的应力张量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;由于岩石损伤软化是微裂隙扩展所导致的体积膨胀引起的,因此,提出用体积应变表征岩石损伤变量的演化,并用回映隐式积分算法编制了岩石的弹塑性损伤本构程序。对单轴压缩及拉伸荷载作用下的岩石材料试验进行数值模拟,结果表明,所提出的岩石弹塑性损伤本构模型可以较好地符合岩石材料的力学特性。     

单轴压缩非贯通节理岩石尖端塑性区及弹塑性断裂模型研究

基于Drucker-Prager（下简称D-P）准则,建立压缩载荷作用下的非贯通节理岩石的弹塑性断裂模型。针对节理岩石小范围屈服翼裂纹尖端塑性区,推导了D-P屈服准则的纯I、纯II及I、II复合型3种翼裂纹无量纲塑性区径长函数,并与Mises准则的塑性区进行对比;结果表明,D-P准则的I型和复合型塑性区较Mises屈服准则的塑性区大,且其II型及I、II复合型塑性区在翼裂纹上下表面不连续。进一步,引入断裂软化因子以表征节理岩石裂隙断裂扩展后的断裂软化规律,考虑非贯通节理岩石复合型断裂软化,是由于节理尖端翼裂纹应变能密度超过最小应变能密度导致其成核扩展引起的,提出用应变能密度的指数函数形式表征断裂软化变量的演化;塑性屈服函数采用Borja等的应力张量3个不变量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;建立节理岩石的弹塑性断裂本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性断裂模型的程序。以单轴压缩下非贯通节理岩石为例,分析岩石断裂韧度、节理摩擦系数和节理倾角等参数的影响,结果表明,所提出的弹塑性断裂模型与数值和试验结果比较吻合。     

基于修正Mohr-Coulomb准则的弹塑性本构模型及其数值实施

针对Mohr-Coulomb准则高估岩土体抗拉性能的局限性,建立考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型;系统地论述隐式本构积分算法的主要内容,推导相应的一致性刚度矩阵。以ABAQUS软件为平台,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序,对单轴拉伸试验和三轴压缩试验进行数值模拟,对比分析ABAQUS自带模型和自编模型的优劣,结果表明编写的修正Mohr-Coulomb模型能够有效地反映岩土介质的抗拉性能,弥补了ABAQUS自带模型的不足。     

土体非线弹性-塑性本构模型

把本质上属于亚弹性本构模型,在岩土工程界广为应用的Duncan-Chang模型与服从Drucker-PragerMohr-Column屈服准则的弹塑性本构模型相结合,推出了非线弹性-塑性的组合本构模型,以克服经典的弹塑性模型不能考虑岩土材料在塑性屈服前的非线性行为以及一般的Duncan-Chang模型不适用于应力水平接近于屈服或破坏状态等缺点。所建议的本构模型简单实用,能较好地综合利用工程地质勘察资料和常规的土工试验数据。针对实际边坡具体地层条件的分析表明,该模型及其非线性析算法的正确性和可行性,而且在岩土工程方面具有广泛的实际应用价值。     

基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型及应力积分算法实现

为了描述天然软土的时间相依以及结构性特征,提出了一种能考虑土体超固结和结构性的实用弹黏塑性本构模型。它以Asaoka和Hashiguchi的上下负荷面作为某一应变速率下的参考屈服面,按照相对过应力的基本思路,新引入了两个能通过不同应变速率三轴压缩试验测定的率敏性参数 和 ,建立了以当前应力、黏塑性应变以及黏塑性应变速率为状态变量的动屈服准则函数,并给出了基于Newton-Raphson迭代的应力积分算法,且成功地将其嵌入到大型有限元软件ABAQUS中。最终通过数值算例来验证模型的正确性以及应力积分算法的可靠性。结果表明：该模型能同时描述土体的率敏性、蠕变以及结构性特征,模型参数物理意义明确、易懂可测,预测结果与试验数据吻合良好,可用于复杂边值问题的有限元计算。     

弹塑性有限元分析中几个难点问题的一揽子方案

Mohr-Coulomb准则在Mohr应力空间中具有最简形式,同时也因其非常可靠而在经典的极限分析或极限平衡法中得到了最广泛的应用。然而,应力空间中的Mohr-Coulomb屈服面是非光滑的,这给基于变形分析的弹塑性有限元法中的本构积分带来了巨大的麻烦。此外,在求解强度问题时,基于载荷控制法(LCM)的求解器很难将有限元模型带入极限平衡状态。针对这些问题,本研究给出了以下解决方案。首先,设计了适用于带非光滑屈服面的塑性本构积分算法GSPC。GSPC对任意大小的应变增量都收敛,数值特性远优于现有的返回-映射算法。还为弹塑性有限元分析定制了一个位移控制法(DCM)求解器,该DCM能将有限元模型带入极限平衡状态而不存在收敛性方面的问题,计算效率和鲁棒性都远优于现有的基于LCM的求解器。最后,结合强度折减法,建议了求解边坡安全系数的割线法,并给出了极限平衡状态下坡顶拉裂缝位置和深度的确定技术。     

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。     

岩石破坏非连续变形分析弹脆性本构模型的二次开发

岩石非连续变形分析方法DDARF成功实现了模拟岩体裂纹萌生、扩展、贯通、破碎的全过程,但算法只考虑了岩体的线弹性本构模型,没有分析岩体的非线性应力-应变关系。为更符合真实岩体工程,同时扩展岩石非线性本构模型的应用范围,分别采用摩尔-库仑强度准则和最大拉应力强度准则对岩体进行剪切和拉伸破坏判断;对理想弹脆性本构模型进行算法分析,并在VC++平台下程序实现;对“自定义”的岩体非连续变形分析方法弹脆性本构模型与室内单轴压缩试验进行比较分析;将岩体非连续变形分析方法弹脆性本构模型应用于大型地下洞室开挖,并与线弹性本构模型进行对比。结果表明,非连续变形分析方法中自定义岩体弹脆性本构模型是可行的,它能够反映岩体变形的非线性特征,与室内试验吻合度较好;非连续变形分析方法弹脆性本构模型应用于大型地下工程,能更安全且真实地分析洞室围岩的稳定性,进而更好地指导地下洞室的防护措施。     

堆石料状态相关弹塑性本构模型

堆石料的强度变形特性与初始孔隙及应力状态等因素相关。建立了能够预测不同初始孔隙与初始围压影响的堆石料弹塑性本构模型。在剑桥类本构模型框架内,模型能够反映随着孔隙与围压的增大,变形特性由剪胀趋于剪缩的规律。模型采用了基于颗粒体材料细观结构变化的屈服函数和非关联流动准则,提出了能够反映堆石料正常固结线不唯一的硬化参数。为了反映状态相关性,假定堆石料存在唯一的临界状态面,探讨了考虑状态相关性需要满足的数学条件,从而对剪胀方程与硬化参数进行了修正。提出了基于粒子群优化算法的模型参数快速确定方法,将某筑坝堆石料不同初始孔隙比与围压条件下模型预测结果与三轴试验结果对比,验证了模型的合理性。     

非饱和土化学-塑性耦合本构行为的数值模拟

基于Hueckel提出的饱和黏土化学-塑性本构模型和Gallipoli提出的非饱和土弹塑性本构模型,提出了一个新的非饱和多孔介质的化学-塑性本构模型,并建立了该模型的隐式积分算法,算法中考虑了化学软化和非饱和吸力的影响。在已有的非饱和多孔介质有限元分析程序平台上进行了程序研发,对孔隙水中化学污染物浓度变化对非饱和土力学行为的影响进行数值模拟,使所研制的程序能够进行岩土工程问题的化学-力学耦合非线性分析。     

An adaptive finite element model for wellbore breakout simulation

A finite element formulation is proposed and implemented for analysing the stability of excavated wells using the DiMaggio-Sandler constitutive elastoplastic model with a typical carbonate reservoir configuration. The quality of the finite element approximation is ensured by applying smooth curved elements adapted to the wellbore geometry, and h − p adaptive finite element meshes in the plastic zone. General purpose procedures are defined to transfer the elastoplastic deformation history to newly created integration points. A breakout damage criterion is proposed based on the second invariant of the deviatoric plastic deformation tensor. This damage criterion is used to apply a mesh movement algorithm to represent material collapse. The automatic successive application of the breakout damage criterion results in elliptical realistically looking geometries obtained in experiments reported in the literature.     

A fully coupled non-linear dynamic analysis procedure and its verification using centrifuge test results

The equations governing the dynamic behavior of saturated porous media as well as a finite element spatial discretization of these equations are summarized. A three-parameter time integration scheme called the Hilber–Hughes–Taylor α-method is used together with a predictor/multi-corrector algorithm, instead of the widely used Newmark's method, to integrate the spatially discrete finite element equations. The new time integration scheme possess quadratic accuracy and desirable numerical damping characteristics. The proposed numerical solution and bounding surface plasticity theory to describe the constitutive behaviour of soil have been implemented as the computer code DYSAC2. Predictions made by DYSAC2 code are verified using dynamic centrifuge test results for a clay embankment. Importance of initial state of a soil on its dynamic behaviour is demonstrated.     

Ramberg-Osgood土动力非线性模型在 ABAQUS软件上的开发及应用

基于ABAQUS有限元软件开发平台,对Ramberg-Osgood土动力非线性本构模型进行了修正。通过合理的假设得出了模型修正参数?、R的取值方法和算法。滞回曲线加卸载规律符合修正后的Masing准则。并进行了三维场地地震动非线性分析,分析了不同输入峰值的地震波对土体应力-应变关系的影响,并与一维场地动力分析Shaking程序的计算结果进行了比较。分析结果表明,非线性分析时的水平位移和相对位移要大于等效线性情况下的相应位移,这表明采用何种本构关系将影响到得到的场地的地震动反应结果,因此,在工程应用时需加以合理的选择,并对最终结果做出合理的判断     

Finite element modelling of pressuremeter tests and footings on frozen soils

A finite element code is developed to model the structure-frozen soil/ice interaction using a time incrementing, fully implicit, iterative algorithm, and a constitutive model based on the concept that total strain tensor consists of an elastic and a creep component. The code is used to investigate the applicability and limitations of the power law as the creep model for frozen soil by simulating two pressuremeter tests. Two extended phenomenological models based on the generalized power law are used in axisymmetric finite element analyses to simulate two, long-term, stage-loaded pressuremeter tests, and comparison of results with test data indicates that one model demonstrates a better ability to approximate the actual response to subsequent load steps, under certain restrictions. Stress analyses demonstrate the ability of the constitutive model to show transient as well as subsequent quasi-stationary stress stages in creep analysis. Additional simulations of short-term pressuremeter tests on ice are performed to further illustrate some limitations of the power-law model. Examples for prediction of creep settlements on frozen geomaterials are demonstrated by considering the interaction of fully flexible circular footings and concrete cylindrical footings (of different embedment depths) with frozen sands.     

Implicit integration algorithm for Hoek-Brown elastic-plastic model

A realistic strength criterion often used to describe the yielding behaviour of a jointed rock mass at a continuum level is the well-known Hoek and Brown criterion. This paper is concerned with a 3-D stress generalization of the Hoek-Brown failure criterion by means of an elliptical functional which leads to a smooth deviatoric trace in the stress space. For its incorporation into a finite element analysis involving plasticity calculations, the formulation of an implicit stress integration algorithm is presented. The key computational methodology alludes to the notion of consistent tangent modulus and implicit return mapping schemes (radial and closest point return) for stress integration in a finite element analysis. Within the context of non-linear elastoplastic analysis, it is found that formulation of such consistent modulus and success into achieving numerical efficiency are closely intertwined. Indeed, the procedure results into accurate and rapid convergence of the displacement finite element scheme during the search for equilibrium. This means that considerable savings in computational time can be achieved for large scale problems. Numerical examples which focus on the Hoek-Brown plasticity model are presented in order to fully appreciate the robustness of the algorithm, and hence the viability of such method to practical problems.