循环荷载作用下黏土改进边界面模型

为克服边界面模型应用不便、不能反映卸载过程中土体的弹塑性性质的缺陷,提出了一个循环荷载作用下可考虑弹塑性加、卸载过程的重塑黏土改进边界面模型。模型采用了简单的边界面形式,可大大简化该模型理论的推导与计算;采取了不预先定义边界面大小的方式,有效地降低了改进边界面模型在应用过程中的经验性;加入边界面胀缩规则,使模型可考虑土样卸载过程中的弹塑性性质,进而可反映土样的滞回特性。通过对重塑黏土进行循环三轴数值模拟试验,并与真实试验结果进行对比分析,验证了改进边界面模型的合理性和有效性。数值验证结果表明,改进边界面模型具有物理意义明确、参数易于确定、形式相对简单的特点,且该模型计算精度较高,计算结果与试验结果吻合得较好。     

一种适用于饱和黏土循环动力分析边界面塑性模型的隐式积分算法

修正了传统隐式回映算法,建立了适用于饱和黏土循环动力分析的边界面塑性模型的完全隐式积分格式。该模型基于无弹性域概念和临界状态理论,采用各向同性、运动硬化准则、旋转的边界面,并引入表征土体结构损伤和重塑程度的损伤变量以反映循环载荷作用下饱和黏土的各向异性、刚度、强度软化及塑性变形累积等特征。针对等压固结 和偏压固结 的饱和高岭黏土的不排水三轴试验进行模拟,采用不同的应变增量步长进行计算,并与试验数据对比,结果表明,修正隐式回映算法应用于该类边界面模型的合理性、积分格式的精确性和稳定性;另外,结合有限元软件自动时间步长的增量迭代解法,对饱和黏土应力控制的不排水动三轴试验进行预测,结果表明,修正的适用于该边界面的塑性模型隐式回映算法可以得到比较合理的数值分析结果,能够反映饱和黏土的循环刚度的退化和强度的弱化等动力特性。     

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。     

边界面模型在FLAC3D中的开发及验证

利用FLAC3D程序提供的二次开发平台UDM在VC++编译环境下实现了一基于修正剑桥模型的简化边界面模型的开发。介绍了边界面模型的基本原理,并给出了开发关键技术和具体实施方法。通过三轴加卸载试验、不排水静三轴试验、不排水动三轴试验等几种数值试验与修正剑桥模型进行了对比研究。计算结果验证了所开发的边界面模型的正确性及相对修正剑桥模型的优越性。     

适用于饱和砂土循环动力分析边界面塑性模型的显式积分算法

基于适用于饱和砂土循环动力分析的边界面模型,利用修正广义Mises方法将其推广至三维应力空间中,引入与状态相关的剪胀函数,采用历史最大加载面硬化准则,以反映饱和砂土排水条件下刚度变化、剪胀剪缩等特性。结合子增量步显式积分算法的思想,建立了适用于饱和砂土循环动力分析边界面模型的显式积分算法流程。借助有限元软件子程序接口,将该算法流程开发到有限元软件中,通过建立土体单元数值模型,对Toyoura砂在单调荷载和循环荷载下的三轴试验工况进行模拟。结果表明,利用子增量步显式积分算法对模型进行积分,能够准确有效地模拟砂土的应力-应变曲线、以及砂土在单调和循环荷载作用下均展现的剪胀剪缩现象,验证了显式积分算法的有效性。通过设置不同的增量步长,验证了子增量步显式积分算法对于较小应变增量步的高度稳定性和收敛性。     

修正剑桥模型的隐式积分算法在ABAQUS中的数值实施

利用大型有限元软件ABAQUS所提供的用户材料子程序UMAT接口,针对修正的剑桥本构模型开发了隐式积分算法,并且与自动选择时间步长的增量有限元方程迭代解法相结合,对正常固结土与超固结土的三轴排水与不排水试验进行了数值模拟。结果表明,所发展的隐式本构积分算法与时间步长自动选择方法具有较好的稳定性和较高的计算精度,能够得到比较合理的数值分析结果。     

压实黏土的脆性断裂模型及有限元算法

利用弥散裂缝理论,提出了压实黏土拉伸状态下的脆性断裂模型.当压实黏土达到其极限抗拉强度后,通过建立单元的各向异性刚度矩阵,将土体裂缝弥散于实体单元,构造了平面应变条件下考虑压实黏土脆性开裂的有限元计算模式.通过对某压实黏土单轴拉伸试验成果的模拟计算,验证了构建的脆性断裂模型和有限元算法对土体拉伸破坏特性和裂缝发展过程的适用性.本文还进行了模拟软弱面水压“楔劈效应”的简单数值试验,表明压实黏土脆性开裂模型和算法可较好地模拟裂缝扩展行为.     

粗粒土边界面塑性模型及其积分算法

粗粒土的强度、变形特性对土石坝、边坡和路基等工程的安全性与稳定性有着至关重要的影响。针对粗粒土在复杂应力状态下的强度和变形特性,在边界面塑性理论和临界状态理论框架下,通过引入状态参数和动态临界状态线建立了粗粒土状态相关边界面塑性模型。模型不仅能够模拟粗粒土的应变硬化和体积收缩行为,还能描述应变软化和体积膨胀特性。基于ABAQUS的二次开发平台,结合带误差控制的改进欧拉积分算法编写了边界面塑性模型的UMAT子程序。通过设置不同的应变增量步和误差容许值,对改进欧拉积分算法的精确性和收敛性进行了分析。对不同密实状态和围压下粗粒土三轴排水剪切试验进行了模拟,验证了带误差控制的改进欧拉积分算法应用于粗粒土边界面塑性模型的合理性,为进一步工程应用奠定了基础。     

软黏土在循环荷载作用下动力本构模型的研究

针对软黏土在循环荷载作用下的变形特性,即几乎不存在纯弹性变形阶段及应变趋于零时仍存在能量耗散,结合软土地铁车站振动台模型试验中对饱和软黏土进行的动三轴试验,利用边界面模型理论建立了软黏土的黏弹塑性动力本构模型。并进一步利用该模型对自由场振动台试验进行数值模拟计算,计算与试验的结果基本吻合。该本构模型可用于循环荷载作用下软黏土的动力响应分析。     

含气软黏土的不排水抗剪强度计算模型

含气软黏土广泛分布在世界五大洲,大量离散气泡的存在对软黏土的不排水抗剪强度具有强化或损伤作用,然而目前仍缺乏能综合考虑气相强化与气相损伤竞争机制的含气土不排水剪切强度解析表达式。结合临界状态土力学理论,基于笔者提出的含气土屈服函数,建立了v-lnp¢ 空间下临界状态线截距与土体含气特性(u_{w 0},y₀)的数学关系,进而推导了含气软黏土在三轴应力状态下不排水抗剪强度s_u的理论显式表达式。同时,采用所提出的含气软黏土不排水抗剪强度理论计算公式,分别对比了3种典型的含气软黏土在不同含气特性下的不排水抗剪强度理论预测与试验结果,包括马来西亚高岭土、Combwich 黏土和高岭黏土。另外,对比分析了4种不同的含气软黏土不排水抗剪强度理论计算模型的预测误差百分比,证明了提出的基于改进的含气软黏土本构模型的不排水抗剪强度理论计算式的合理性,能够更加准确地同时考虑含气软黏土的气相强化与气相损伤双重效应。