一种土的非线性弹性本构模型参数的反演方法

旨在提出一种土的非线性弹性本构模型参数反演的方法。以现今普遍实行的地基载荷试验为基础,依据遗传算法的组合优化理论,采用正演计算和遗传算法优化相结合的方式,建立了土层非线性弹性本构模型参数反演的方法;并依据某黄土场地地基载荷试验数据,实施了黄土土层非线性弹性本构模型参数反演的全过程。计算结果表明,所建立的方法可以实现土层非线性弹性本构模型中相互关联的多个参数的组合优化,并在对初始值要求较低的情况下,可以获得良好的参数反演精度。从而为土的变形特性分析和土与其中及相邻结构的共同作用分析,提供了较好的土体本构模型参数的确定方法。     

筑坝硬填料三轴试验及本构模型研究

硬填料是一种筑坝新材料,在坝工建设中有广阔的应用前景。其应力-变形特性介于堆石体和混凝土之间。通过进行硬填料不同龄期的大型三轴试验,着重分析了硬填料的胶结作用在不同龄期对应力-应变关系的影响,进一步揭示了硬填料的强度和应力-应变特征。将表征硬填料初始形成状态的堆石体概化为“堆石元件”,将胶凝材料的胶结作用概化为“胶结元件”,进而提出了基于应变一致假定的二元并联概念模型,确定了模型参数并与试验结果进行对比,表明该模型既能描述硬填料应力-应变非线性特征又能描述变形模量随着龄期增长的特征。结合二元并联模型的特点,提出了求取模型参数的简化方法。     

武汉黏土Duncan本构模型参数研究

通过常规三轴压缩排水试验,确定了武汉正常固结黏土的Duncan Et-?t模型、Et-Bt模型及常值?t模型参数;通过三轴试样的有限元变形分析,验证了模型参数的合理性与有效性,为武汉地区Duncan本构模型的应用提供了参考。针对Duncan Et-?t模型基于?1-?3曲线为双曲线关系假设,而实际试验曲线常常偏离理想的双曲线关系,造成?t参数拟合的困难,提出利用通过应力水平为70 %与95 %对应点的直线拟合?3 /?1与?3之间线性关系从而确定?t模型参数的改进方法,并将该模型参数用于三轴试样的体积变形预测,经与Duncan Et-Bt、Duncan Et和常值?t模型参数预测结果的对比,发现该方法与试验结果有更好的一致性,并具有简单方便的优点。     

考虑孔隙变形的孔隙介质本构关系初探

孔隙存在是孔隙介质材料结构的本质特征,它决定了孔隙介质的本构关系呈现更为复杂的性质。首先给出了孔隙介质的视应力、视应变、骨架实际应力和骨架实际应变的定义,并在理想孔隙介质的物质模型假定下讨论了理想孔隙介质的本构关系,表明即使孔隙介质的骨架结构满足虎克弹性体本构关系的假定,即假定骨架的实际应力与实际应变之间呈现线性关系,但由于孔隙的存在,孔隙介质的视应力与视应变之间还是呈现非线性,说明应力与变形之间的非线性是孔隙介质的固有特性。     

泥岩弹塑性损伤本构模型及其参数辨识

以连续介质力学和不可逆热力学为基础,将损伤引入到修正的Mohr-Coulomb准则中,建立了泥岩弹塑性损伤本构模型反映泥岩软硬化行为,通过构建损伤势函数导出了泥岩的损伤演化方程,编制了泥岩弹塑性损伤本构模型及其参数反演程序。并根据非排水条件下泥岩三轴试验结果,采用多目标函数优化反分析法获得了泥岩本构模型参数。研究成果表明,所提出的弹塑性损伤本构模型能有效地描述泥岩在不同应力状态下的力学特性。     

岩石损伤软化统计本构模型及参数确定方法的新探讨

基于现有岩石损伤软化统计本构模型研究,通过探讨岩石损伤软化统计本构模型参数与岩石应力-应变全程曲线特征参数即峰值应力与应变的关系,建立起特定围压下模型参数与围压的解析表达式。引进岩石Mohr-Coulomb强度准则,建立不同围压下岩石应力-应变全程曲线峰值应力与围压之间的关系,再通过探讨不同岩石应力-应变全程曲线峰值应变与围压的关系,导出了具有普遍意义的不同围压下岩石峰值应变计算公式,从而建立岩石损伤软化统计本构模型参数确定的新方法,由此得到能够模拟不同围压下岩石应变软化全过程的统一损伤软化统计本构模型。该模型较同类模型具有参数少和易于确定等特点,理论计算和实测结果比较分析表明了该方法与模型的合理性。     

基于试验的花岗岩渐进破坏本构模型研究

对取自大渡河流域大岗山电站的花岗岩进行了系统的试验研究,得到了不同围压下的应力-应变曲线。根据岩样受力过程中内部微裂纹的活动状态,定义了4个特征应力,即闭合应力、起裂应力、破损应力、峰值应力,来反映花岗岩的渐进破坏过程,特征应力也反映了岩石内部的损伤程度。依据特征应力,将试验曲线分为4个阶段,并对每一阶段分别求取变形模量和泊松比。结果表明,变形模量不仅与围压有关,且与岩石的损伤程度有关,而泊松比只取决于岩石的损伤程度。特征应力可由体积应变曲线结合线性回归技术准确求取。在此基础上,提出了一个考虑花岗岩渐进破坏的本构模型。在该模型中,变形参数(弹性模量、泊松比)是应力状态的函数,强度参数（凝聚力、内摩擦角）是塑性变形的函数。将该模型嵌入大型有限元分析软件ABAQUS,对不同围压下的花岗岩室内压缩试验进行模拟,结果表明,模拟所得的应力-应变曲线与试验曲线的吻合程度较高,模型能反映花岗岩等脆性岩石的峰前非线性力学行为。     

黄土的小形变本构特征及参数研究

常规三轴的CU剪切试验表明,非饱和马兰黄土的应力应变关系呈现出弱软化的特征。从工程应用角度出发,本文给出了一个含有两参数的指数型模型,对比分析表明该模型不仅能很好地描述轴向应变小于15%时的应力应变关系,而且具有模型参数少、容易确定和物理意义明确的优点。进一步研究表明该模型参数均随着非饱和黄土的含水量和围压而呈指数形式变化。     

混凝土损伤塑性本构模型研究

提出了一种新的损伤塑性本构模型,强调了应力三轴比对塑性屈服的影响.采用本研究设计的专门用于本构校验的计算机软件,对上述模型的应力应变加载曲线进行了数值模拟,数值结果与实验结果吻合得比较好.     

基于摩尔-库仑模型的非线性本构模型的开发及其在应变局部化中的应用

以FLAC中的Mohr-Coulomb（M-C）本构模型为基础,在C++环境下实现了考虑拉伸截断的非线性本构模型的二次开发。针对应力及位移的分布规律,将理想弹塑性的Hoek-Brown（H-B）本构模型、M-C本构模型及自定义本构模型的数值解及H-B本构模型的理论解进行了比较,验证了自定义本构模型的正确性。采用弹-脆-塑性的自定义本构模型,以先加载,后挖洞的方式模拟了圆形巷道围岩的应变局部化过程,在计算模型的边界条件对称及均质本构参数的条件下,模拟出了4个对称的V型坑,模拟结果与静水压力条件下岩爆的现场观测及试验结果吻合,而采用接近脆性的H-B应变软化模型所得结果的对称性较差     

Pastor-Zienkiewicz状态相关本构模型及其参数确定方法研究

当考虑无黏性土初始密实度及围压时,Pastor-Zienkiewicz本构模型需采用多组参数模拟同种材料,给其在实际中的应用带来了困难。针对原始Pastor-Zienkiewicz本构模型存在的这一问题,将新近发展的状态相关参数引入剪胀方程、塑性势方向矢量、加（卸）载方向矢量及塑性模量方程中,提高了模型在考虑初始密实度及初始围压时模拟无黏性土力学特性的能力;详细探讨了修正模型参数的拟定方法,明确了各参数的物理意义;通过试验资料对修正模型的预测能力进行了验证,预测结果与试验资料吻合良好,表明了修正模型的可行性和合理性。     

一种新的本构理论及其在基桩分析中的应用

首次将岩土体荷载与位移特征曲线划分为3种类型,并定义高地应力的判别标准。提出一种新的本构理论,可以描述在不同正压力（或不同围压）下应力（或荷载）与应变（或位移）的全过程特征,只有3个描述材料结构和状态的力学参数。该理论不仅可以描述单个材料,也可以描述多种材料组成的复合材料和两种不同材料界面等力学特性,变形可达任意值。对于长沙湾特大桥基桩,在不同静载荷作用下不同土体与桩之间的力学特性采用新本构理论进行数值模拟,结果表明该本构理论可以描述不同岩土体和岩土体与基桩之间的力学特性。     

岩体结构面新型本构模型研究

对于涉及需要单独考虑岩体结构面的工程岩体结构分析,采用能反映岩体结构面主要力学特性的合理的本构模型是取得合理解答的关键问题之一。针对在经典连续介质力学理论框架内建立岩体结构面本构模型的缺点,基于岩体结构面的实际受力变形特性,采用直接法建立了一种新型岩体结构面本构模型。所建立的模型依据岩体结构面切向应力变形曲线及剪胀曲线的实际特征,将其分为峰前线性段、峰前非线性段以及峰后软化段,并分别给出了用于描述岩体结构面变形和强度等主要力学特性的数学模型,进而推导建立了结构面各变形阶段的增量型本构模型。最后,编写相关计算程序,采用所建立的新型本构模型以及被广泛采用的Plesha模型对经典的岩体结构面直剪试验成果进行拟合分析。结果表明,所建立的新型本构模型能更为合理的描述岩体结构面的主要力学特性,且模拟能力优于Plesha模型     

A hierarchical thermo‐hydro‐plastic constitutive model for unsaturated soils and its numerical implementation

Unsaturated soils are highly heterogeneous 3‐phase porous media. Variations of temperature, the degree of saturation, and density have dramatic impacts on the hydro‐mechanical behavior of unsaturated soils. To model all these features, we present a thermo‐hydro‐plastic model in which the hydro‐mechanical hardening and thermal softening are incorporated in a hierarchical fashion for unsaturated soils. This novel constitutive model can capture heterogeneities in density, suction, the degree of saturation, and temperature. Specifically, this constitutive model has 2 ingredients: (1) it has a “mesoscale” mechanical state variable—porosity and 3 environmental state variables—suction, the degree of saturation, and temperature; (2) both temperature and mechanical effects on water retention properties are taken into account. The return mapping algorithm is applied to implement this model at Gauss point assuming an infinitesimal strain. At each time step, the return mapping is conducted only in principal elastic strain space, assuming no return mapping in suction and temperature. The numerical results obtained by this constitutive model are compared with the experimental results. It shows that the proposed model can simulate the thermo‐hydro‐mechanical behavior of unsaturated soils with satisfaction. We also conduct shear band analysis of an unsaturated soil specimen under plane strain condition to demonstrate the impact of temperature variation on shear banding triggered by initial material heterogeneities.     

A hypoplastic constitutive model for clays

This paper presents a new constitutive model for clays. The model is developed on the basis of generalized hypoplasticity principles, which are combined with traditional critical state soil mechanics. The positions of the isotropic normal compression line and the critical state line correspond to the Modified Cam clay model, the Matsuoka–Nakai failure surface is taken as the limit stress criterion and the non‐linear behaviour of soils with different overconsolidation ratios is governed by the generalized hypoplastic formulation. The model requires five constitutive parameters, which correspond to the parameters of the Modified Cam clay model and are simple to calibrate on the basis of standard laboratory experiments. This makes the model particularly suitable for practical applications. The basic model may be simply enhanced by the intergranular strain concept, which allows reproducing the behaviour at very small strains. The model is evaluated on the basis of high quality laboratory experiments on reconstituted London clay. Contrary to a reference hypoplastic relation, the proposed model may be applied to highly overconsolidated clays. Improvement of predictions in the small strain range at different stress levels is also demonstrated. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

循环加-卸载岩石本构模型研究

循环加-卸载岩石本构模型是预测压气储能洞室长期稳定性的关键,但目前还没有适用的本构模型,因此,提出了一种能够描述岩石循环加载和卸载的本构模型。鉴于岩石在循环作用下损伤不断累积,将基于Weibull分布的岩石损伤软化模型进行拓展,并用内变量疲劳本构模型描述每个循环的初始模量和卸载模量的变化,进而得到循环加-卸载作用下的岩石本构模型,然后将该模型与现有的试验结果进行对比。该模型物理意义明确,涉及的参数较少,且便于拟合。提出的循环加-卸载下岩石本构模型对试验数据拟合效果较好,能较准确地反映循环荷载上、下限值对应的轴向应变,也能反映出循环内部变形模量衰减的趋势。该模型的成功建立为循环加-卸载下岩石本构模型的研究提供了新思路。