基于Hardin曲线的土体边界面本构模型在ADINA软件中的实现

为了提出一种适合于岩土地震数值模拟的土体本构模型,基于土体动应力-应变关系的Hardin曲线及其在非等幅往返荷载下的Pyke修正,采用von Mises准则在偏应力平面上构造边界面,以反向加载点和当前应力点的连线在边界面上投影的比例作为硬化参数,推导了塑性硬化模量并给出该边界面本构的具体增量表述。在有限元软件ADINA中通过自定义材料的二次开发实现了该本构模型,并利用动三轴试验对该本构模型进行了验证。数值模拟与试验结果的对比表明,本构模型能如实反映土体的应力-应变关系。针对实际工程场地的地震反应,应用边界面本构模型在ADINA中进行了二维数值模拟,与SHAKE91的计算结果进行了对比,说明了该本构模型应用于岩土地震工程问题的合理性。     

渤海海冰动力学中的粘弹塑性本构模型

在粘塑性海冰本构模型的基础上,将Kelvin-Voigt粘弹性本构理论引入到海冰动力学中,进而建立了粘弹塑性海冰本构模型.该模型可较好地反映渤海海冰在小应变和小应变率条件下的粘弹性力学行为,同时还考虑了大应变率下的海冰粘塑性力学行为.对渤海辽东湾海冰进行了48h数值模拟.结果表明:粘弹塑性海冰本构方程较Hibler的粘塑性本构模型可更好地处理渤海的冰间相互作用,提高海冰数值模拟的计算精度.     

黏土的应力路径本构模型

根据黏土应力-应变曲线的特点及其应力路径的相关特性,将作者所建立的砂土应力路径本构模型扩展用于黏土,建立了黏土的应力路径本构模型,利用变换应力方法将SMP准则用于黏土的应力路径本构模型,使模型得到了合理的三维化。黏土的应力路径模型与修正剑桥模型相比,在双向加载A区和卸载D区二者完全相同;在单向加载B区和F区,两种模型均可计算塑性应变;特别是在C区和E区,黏土的应力路径模型可计算塑性应变,而修正剑桥模型的塑性应变为0。通过与修正剑桥模型比较和对藤森黏土试验结果的预测,反映了黏土应力路径本构模型描述黏土在不同应力路径条件下应力-应变特性的优越性。     

混凝土混合硬化黏塑性损伤统本构模型

传统的黏塑性统一本构模型只能用于金属类材料的本构分析,而不适用于混凝土的本构分析.基于此,以不可逆热力学理论为基础,选定了涉及混合硬化参量的Helmholtz自由能函数,推导出混凝土的黏塑性损伤耦合本构模型.通过对混凝土硬化模型的分析,构造了含运动硬化和等向硬化内变量的非相关流动势函数,又推导出流动方程以及内变量演化方程.所建模型对混凝土试验曲线的数值模拟显示,其能够正确描述混凝土的率相关性、非弹性体积膨胀特性、加载过程的软硬化特性以及由断裂和损伤引起的应力软化现象.     

一种高温下混凝土化学塑性-损伤耦合本构模型

提出了一个用于模拟高温下混凝土化学塑性-损伤耦合本构行为的数值模型。发展了一个化学塑性-损伤耦合分析的一致性应力返回映射算法。为了保证对于全局守恒方程Newton迭代过程的2阶收敛率,推导并形成了一致性切线模量矩阵。数值算例显示了文中发展的化学塑性-损伤耦合本构模型在模拟高温下混凝土中复杂破坏过程的能力和有效性。     

硅藻质软岩的三维弹粘塑性模型分析

基于Perzyna的弹粘塑性理论的基本假设、粘塑性流动法则及殷建华和Graham的三维弹粘塑性模型,得出了在三轴应力状态下的本构关系表达式。殷建华和Graham的模型提出了“等效时间”,“瞬时时间线”,“参考时间线”,“极限时间线”等一系列新的概念。用三轴应力状态下的本构关系表达式对软岩的固结不排水三轴剪切试验进行了模拟计算,并与试验结果进行了比较。结果表明：数值模拟计算结果与试验结果几乎一致。该模型简单、实用、精度较高,可以模拟硅藻质软岩材料与时间有关的应力-应变关系、孔隙水压力与应变的关系,以及有效应力路径等。     

膨胀土弹塑性本构关系数值建模方法研究

按照数值建模理论,建立了不同含水率条件下膨胀土的应力-应变关系。通过可视化绘出了在整个应力场（p,q）中的三维应力-应变关系曲面和屈服轨迹。经过对比可见含水率的变化对膨胀土本构关系的影响是明显的。未使用传统的塑性势理论,而是采用数值建模方法,既克服了寻找塑性势解析表达式的困难,又可以任意选择含水率等初始条件,从而使建立的本构数值模型能够真实地反映膨胀土的变形过程     

基于广义位势理论的接触面本构模型一般表述

基于广义位势理论建立的岩土体材料本构模型以及岩土体材料与结构接触面本构模型原理相通,只是前者是在三轴剪切试验条件下的三维应力空间建模,后者是在单剪试验条件下的二维应力空间建模。单剪试验条件下土与结构的接触面问题可以看作是法向与切向应力空间上的二维问题,其试验结果可以表达成由应力、应变组成的二维矢量。结合接触面力学特性,确定应力空间中的势函数以及塑性状态方程,可以推导出双重势面接触面弹塑性本构方程的一般表达式。进一步取两个势函数分别为法向应力和切向应力,建立简化双重势面接触面弹塑性模型的本构方程,该方程可直接应用于有限元等数值分析。结合试验实例对建模方法的合理性进行验证,模型拟合效果良好。研究结果表明,基于广义塑性位势理论建立接触面本构模型无需推求塑性势函数和屈服函数,可以直接得到弹塑性刚度矩阵,且建模方便。     

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。     

基于应力空间的多重势面模型及其与邓肯-张模型的比较

多重势面模型直接从数学原理出发建立本构关系,避开了传统塑性理论中屈服面的概念,为研究岩土工程材料本构模型提供了新的思路.本文推导了基于应力空间的多重势面模型本构关系,对同一单元体在不同加载方式下,分别利用多重势面模型和邓肯-张E-μ模型,采用完全相同的模型参数进行了应力、应变计算,并在此基础上对比分析了计算结果.本文的计算分析成果有助于进一步理解和研究多重势面模型.     

基于HBP本构模型的泥石流动力过程SPH数值模拟

本构模型是描述泥石流流变特性的关键,也是决定其动力过程数值模拟准确性的核心问题之一。泥石流流体属多相混合物,现有的研究已证实其存在剪切增稠或剪切变稀的现象,传统基于Bingham及Cross线性本构关系的数值模型难以准确描述泥石流流变特性。文中探讨了Bingham模型在低剪应变率下的数值发散问题,在光滑粒子流体动力学（SPH）方法框架上建立了整合Herschel-Bulkley-Papanastasiou(HBP）本构关系的稀性泥石流动力过程三维数值模型。相比传统基于浅水波假设的二维数值模型,所述方法从三维尺度建立SPH形式下的泥石流浆体纳维?斯托克斯方程并进行数值求解,可获取泥石流速度场时空分布及堆积形态,同时采用HBP本构关系描述泥石流流变特性,能在确保数值收敛的前提下反映泥石流流体在塑性屈服过渡段及大变形状态下应力?应变的非线性变化。为验证提出方法的合理性,结合小型模型槽实验观测进行了对比,结果表明数值模拟与实测结果基本吻合。     

A physical and numerical investigation of the failure mechanism of weak rocks surrounding tunnels

The large-scale construction of railway tunnels in China is hindered by several challenges, including large depths, large tunnel cross-sections, and fragile geological conditions. In this paper, we explored a new physical and numerical simulation method that improves upon the currently used methods to investigate the deformation and failure modes of weak rocks surrounding a tunnel. We also compared the results from physical tests and numerical simulations with the field measurements to demonstrate the effectiveness of the proposed numerical simulation method. In the physical model test, an artificial speckle field was developed by staining quartz sand particles and mixing the particles with barite powder and petroleum jelly in preset proportions. The artificial speckle field was employed in the digital speckle correlation method (DSCM) to monitor the evolution of the strain field on the surface of the plain strain model for tunneling during loading. A secondary strain-softening constitutive model using the numerical modeling code FLAC^3D was developed (degradation constitutive model) by considering the deformation modulus degradation in the numerical simulation. The failure mode of weak rocks surrounding a tunnel in the physical model test was examined using the developed degradation constitutive model. Both the physical and numerical results revealed that the least stable area was the shear wedge along the minimum principal stress, which was confirmed in the damage zone of the surrounding rocks. The results were consistent with previous research findings. The results of the DSCM in the physical model test indicated that the shear wedge in the middle part of the tunnel and the cracks around the arch of the tunnel were induced by shear strain, whereas the collapse of the arch was attributed to a combination of tensile strain and shear strain. A comparison of the physical and numerical simulation results demonstrated that the degradation constitutive model can be used to describe the extent and depth of the excavation damage zone of tunneling. A comparison of the displacements from the numerical simulation and field measurements indicated that the degradation model can be used to capture the displacement of weak rocks surrounding tunnels.     

多块体形状堆石体碾压颗粒破碎数值模拟

通过6种典型堆石块体的形状近似,分别采用两种接触本构模型建立了多块体形状堆石体离散元数值模型,研究堆石体在碾压荷载作用下的颗粒破碎过程,建立颗粒破碎的量化计算方法,分析碾压前、后堆石级配曲线的变化,讨论接触本构模型和颗粒形状对块体破碎的影响。模拟结果显示,碾压荷载下堆石颗粒以张拉破碎为主,随着碾压遍数的增加,局部开始出现剪切破碎;提出的颗粒破碎量化计算方法,在大粒径范围对粒径变化幅度预测偏大,但级配曲线整体趋势与实测结果比较吻合;相比较于接触连接模型,平行连接模型与现场碾压试验结果更接近。6种块体形状的数值结果显示,随着形状系数的增加,在其他条件不变的情况下颗粒破碎率逐渐降低,其中类长方形块体在碾压荷载作用下颗粒破碎最明显。相比较于纯圆颗粒或者单一非圆颗粒,采用的6种颗粒形状建立的堆石体振动碾压离散元模型,更接近现场实际情况。     

基于广义位势理论的土的数值弹塑性模型及其初步应用研究

广义位势理论从数学角度出发建立土的本构模型,可克服传统本构理论的不足,而又同时包含了传统理论作为其特例,从而为土的本构模型研究提供新的和适用性更广的理论。以广义虎克定律为基础的邓肯-张模型以其简单方便、参数确定容易且有明确的物理意义而得到广泛的应用,而其最大缺点则是不能反映土的剪胀性;此外,邓肯-张模型采用双曲线函数拟合试验曲线也有一定的局限性。为保留其参数确定简便的优点,并弥补其不足,基于广义位势理论建立了数值弹塑性模型。该模型保留了邓肯-张模型在参数确定方面的简单性,同时由于采用了广义位势理论来建模,不再受广义虎克定律的限制,因而可弥补邓肯-张模型在反映土体剪胀性方面的缺陷。此外,该模型采用数值手段来表示试验曲线的建模方法,可以克服邓肯-张模型采用双曲线函数表示试验曲线方法的局限性,具有更为广泛的适应性。通过对一碎石桩复合土体三轴试验结果的数值模拟表明：基于广义位势理论的数值弹塑性模型计算与试验结果吻合良好,且在反映碎石的剪胀特性方面优于邓肯-张模型,从而初步证明了该模型的合理性及优越性。     

Analysis of liquefaction susceptibility of nearly saturated sands

A new constitutive formulation for simulating the behaviour of nearly saturated sands under seismic loads is presented. The formulation is based on combining the Henry's law for dissolution of gas in water, the ideal or perfect gas law and the law of conservation of mass. The effects of transient air dissolution in water on the compressibility of partially saturated soils are also taken into account. The model was calibrated based on numerical simulations of isotropically consolidated cyclic triaxial tests conducted on partially saturated samples of Toyoura sand. A multi‐yield plasticity soil constitutive model implemented in the finite element code DYNAFLOW was used for these numerical simulations. It is shown that the formulation proposed here is able to reasonably predict the soil cyclic undrained behaviour at various degrees of saturation (95% and higher). Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

冻融作用下岩石力-热-水耦合本构模型研究

在寒区隧道工程中,冻胀的水分迁移作用加剧了隧道围岩的冻融破坏。耦合水分迁移作用的岩石本构模型对防治冻融渗漏、崩塌等隧道围岩灾害有着重要意义。基于内状态变量理论,将冻胀过程中的水分迁移量作为本征变量引入Helmholtz自由能,在热力学框架下建立了一个岩石力-热-水耦合本构模型。模型描述了温度和水分迁移对冻融后岩石损伤阈值、等向强化饱和值、等向强化速率等力学参数的影响。模拟了岩石冻融后力学性质的劣化。区别于全量经验公式,本模型以增量形式给出,为复杂应力历史条件下的数值模拟提供了便利。通过将模型模拟曲线与冻融后岩石常规三轴压缩试验曲线进行对比,初步验证模型的可靠性,为实际寒区工程的冻胀破坏预测提供参考。     

A comparison of field measured and numerically simulated seasonal ground movement in unsaturated clay

This paper presents the results of a numerical simulation of field measured seasonal ground movement. The constitutive model employed was proposed as a practical method of modelling the complex stress/strain behaviour of unsaturated soil. Its use within a consolidation-type analysis is explored here, as a means of assessing its suitability for practical application. Comparisons are given of numerical results and field measured behaviour over a 9 month period of time. Overall good correlation is achieved, covering a series of drying and wetting cycles. Confidence can thus be ascribed to the performance of the constitutive model.     

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     

Formulation of a three‐dimensional constitutive model for unsaturated soils incorporating mechanical–water retention couplings

Wheeler, Sharma and Buisson proposed an elasto‐plastic constitutive model for unsaturated soils that couples the mechanical and water retention behaviours. The model was formulated for isotropic stress states and adopts the mean Bishop's stress and modified suction as stress state variables. This paper deals with the extension of this constitutive model to general three‐dimensional stress conditions, proposing the generalized stress–strain relationships required for the numerical integration of the constitutive model. A characteristic of the original model is the consideration of a number of elasto‐plastic mechanisms to describe the complex behaviour of unsaturated soils. This work presents the three‐dimensional formulation of these coupled irreversible mechanisms in a generalized way including anisotropic loading. The paper also compares the results from the model with published experiments performed under different loading conditions. The response of the model is very satisfactory in terms of both mechanical and water retention behaviours. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

上海第4层黏土力学特性的弹塑性本构模拟

上海第4层黏土是典型的结构性海相软土,用一个本构模型统一地模拟不同应力路径下的力学特性对数值计算具有重要意义。对UNIFIED模型的结构性及超固结发展函数进行了改进,并提出了一种确定原状土材料参数和初始状态的方法。为了验证修正模型的正确性,用块状取土法取得上海第4层原状土样,进行了固结试验和三轴排水、不排水剪切试验。通过比较试验结果和本构模拟结果,明确了新的本构模型仅用一组材料参数就能统一地模拟上海第4层黏土在固结、排水及不排水三轴试验得到的应力-应变关系。模拟结果揭示了上海第4层黏土的结构比较稳定,即使在经历三轴剪切发生35%轴应变后仍能保持较高位的结构性。