基于广义塑性力学的土体次加载面循环塑性模型(Ⅱ):本构方程与验证

按广义塑性力学原理，导出了土体次加载面循环塑性模型的本构方程，建立了相应的加卸载准则以及模型参数的确定方法。通过多种应力路径下土的本构响应的模拟，表明次加载面循环塑性模型能较好地反映循环荷载作用下土体呈现的非线性、滞回性与变形的积累性三方面主要特征，初步验证了模型的有效性。     

一个基于广义塑性力学的土体三屈服面模型

按照广义塑性力学原理 ,以前人试验结果为依据 ,首次提出应力洛德角方向上剪切屈服面 V θ p的数学表达式 ,并建立土体的三屈服面模型。 结合数值算例 ,设计多种计算方案 ,通过对计算结果的分析和比较 ,表明模型的合理性和有效性 ,并探讨各种因素对土体变形的影响。     

广义塑性力学的加卸载准则与土的本构模型——广义塑性力学讲座(3)

首先介绍了广义塑性力学的加卸载准则,该准则能准确判断各应变分量的加卸载状态,可以方便地应用于数值分析。然后提出了基于广义塑性力学的土本构模型。通过试验,给出了硬化压缩土和硬化剪胀土的屈服条件与计算参数,并由算例说明了其合理性。     

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。     

一种基于广义塑性力学的硬化剪胀土模型

分析弹塑性模型的特点之后,提出了一种以塑性功w^p和塑性剪应为εs^p作为硬化参量的双屈服面模型,它可以较好地反映硬化剪胀土的变形。模型符合广义塑性力学,可能方便地用于有限元计算。     

广义塑性力学理论

实验表明 ,经典塑性力学难以反映岩土材料的变形机制 ,究其原因在于经典塑性力学作了传统塑性势假设、关联流动法则假设和不考虑应力主轴旋转的假设。 广义塑性力学放弃了这些假设 ,采用了分量理论 ,由固体力学原理直接导出塑性公式 ,它既适用于岩土材料 ,也适用于金属。     

广义塑性力学中的屈服面与应力-应变关系

详细讨论了广义塑性力学中屈服面和塑性势面的对应关系以及岩土材料的三类屈服面(即体积屈服面与 q 方向上及方向上的剪切屈服面)的基本特征, 尤其是提出了能考虑剪胀与剪缩的体积屈服面和应力 Lode 角θσ方向的剪切屈服面。指出在广义塑性力学中不必采用硬化定律, 就能得出塑性应变增量与应力增量的关系, 给出了求弹塑性矩阵的方法。     

基于广义塑性力学的黄土湿陷变形本构关系

分析了黄土湿陷变形的塑性特性,基于广义塑性力学原理建立了湿陷变形的增量本构关系。将增湿含水量作为内应力,应用常规三轴浸水试验拟合得出了湿陷体积屈服面和剪切屈服面,并且给出了黄土湿陷变形的起始屈服面。该模型能够反映湿陷性黄土在不同湿陷作用,即水和力的不同组合作用下的湿陷变形特性,考虑了湿陷体积变形和湿陷剪切变形以及球应力和偏应力对它们的交叉影响。     

统一硬化模型与下加载面模型的理论关系

Hashiguchi下加载面本构模型是国际上具有较大影响力的超固结土本构模型之一。因此,选取该模型进行理论和构建方法分析,并与UH模型进行对比。对比结果表明,Hashiguchi下加载面模型通过定义单一的数学公式来拟合超固结土内变量的变化规律,从而得到了超固结土应力−应变关系的公式;而统一硬化（unified hardening,简称UH）模型掌握了超固结土体的强度特性,因而能够更准确、合理地描述超固结土的应力−应变关系。相较于Hashiguchi下加载面本构模型,UH模型在理论上更为先进。同时,两个模型的试验预测与试验数据的对比也验证了UH模型在数值计算上的正确性与优越性。     

往复荷载作用下土体的广义塑性分析

针对往复荷载作用下土体变形和孔压发展的特点，应用能模拟低应力水平下塑性变形的边界面模型，将其线弹性卸载过程改进为弹塑性，从而建立土的边界面广义塑性本构理论，数值模拟结果与三轴试验数据吻合较好。     

基于修正Drucker-Prager准则的岩石次加载面模型

为模拟岩石在循环加、卸载作用下的变形特性,结合Drucker-Prager(简称D-P)屈服准则与次加载面理论,建立了能考虑岩石材料实际抗拉强度和应力角效应的循环加、卸载模型。首先考虑岩石在三轴压缩和在三轴拉伸状态下不同的强度特性,在传统的D-P屈服准则中引入角隅模型,并借鉴殷有泉提出的D-P-Y准则,形成了修正的D-P屈服准则;进一步结合修正屈服准则和次加载面理论,提出了适用于岩石循环加、卸载的次加载面模型,并通过自编程序,实现了循环加、卸载模型的数值表达与岩石循环加、卸载试验数值仿真。计算结果表明,基于修正D-P屈服准则的次加载面模型能较好地描述岩石的曼辛效应和棘轮效应;通过改变抗拉强度的大小,可以发现随着抗拉强度的减小,岩石的变形量相应增加,且增加的幅度逐渐提高,说明修正模型可准确反映抗拉强度对岩石的循环加、卸载变形的影响。     

浅析传统塑性位势理论与广义塑性位势理论

就传统塑性位势理论与广义塑性位势理论(考虑和不考虑应力主轴旋转两种情况下)进行了系统的综述与比较。两种位势理论就解决金属与岩土变形机制问题均获得了很大的成功(尤其是后者);浅析了广义塑性位势理论遇到的困境和发展前景。     

对土体动力黏塑性记忆型嵌套面模型的改进

在对土体动力黏塑性记忆型嵌套面本构模型已有的研究基础上,对该模型进行改进,不再对空间锥形屈服面变化时屈服面锥角 的变化规律作假定,按照土体在循环荷载作用下空间屈服面在子午平面上投影线的实际变化规律,建立屈服面硬化参数的增量表达式,完善了该模型的理论基础,为进一步对该模型的试验验证和改进提供了理论依据,并对比分析了分别使用改进后模型和改进前模型计算同一场地地震反应的计算结果。     

黄土的修正上下加载面模型研究

由于天然沉积的黄土具有显著地结构性,在湿度及荷载变化条件下,其宏观力学特性发生显著的变化。为了分析增湿和加载条件下黄土的结构性损伤演化特性及应力-应变关系的变化特性,引入上、下加载面的概念,在原有超固结及结构性参数的基础上,考虑了含水率变化的影响,定义了新的初始超固结及结构性参数;运用上、下加载面概念,通过引入构度及黄土结构屈服强度,推导了结构性黄土的一般应力-应变关系,并进行了参数的影响变化分析;最后,通过不同含水率条件下的黄土压缩及三轴试验数据与模型预测数据的对比分析,验证了模型的合理性。     

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。     

有厚度天然结构面法向循环加载变形特性研究

采用室内试验和理论分析相结合的方法,对有厚度天然结构面的法向循环加载变形特性进行研究。研究的天然结构面属平直稍粗型,厚2~3 mm,层间充填以岩屑为主,夹少量泥,母岩为灰岩。首先,对工程作用下的结构面应力演化过程进行梳理,并根据对结构面法向应力-闭合变形曲线特征的总结,设计了室内试验的法向荷载应力路径。其次,介绍了取样、基本物理和力学特性测试以及试件制备,分别开展了单次和多次法向加、卸载试验,并对试验曲线特征和法向变形力学机制进行分析。然后,对结构面法向循环加载本构关系进行研究,认为当法向应力在20 MPa以内时,分别采用双曲线模型和考虑修正参数的改进双曲线模型,可较好地模拟不同荷载阶段时的结构面法向应力-闭合变形关系;同时,发现当法向应力进入高应力区间后(定义大于20 MPa的应力为高应力,低于20 MPa的应力为中低应力),试验数据呈现新的特点,试验变形值与模型预测值的差距越来越大。最后,分析了造成差异的可能原因,认为在研究高应力条件下的结构面法向变形特征时,采用天然结构面试样是必要的。     

堆石料的剪胀特性与广义塑性本构模型

以三轴试验成果为基础,考虑颗粒破碎引起堆石料剪胀比与应力比之间的非线性关系,提出了能够反映堆石料低围压剪胀、高围压剪缩特性的剪胀方程。在广义塑性理论框架内构造堆石料的塑性流动方向向量和加载方向向量,引入依赖于密实度与平均应力的压缩参数,构造随平均应力、剪应力比和密实度变化的塑性模量,建立了一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型。阐述了该模型10个参数的确定方法,并通过模拟不同围压和不同应力路径下堆石料的三轴压缩试验资料验证了模型与参数的合理性。     

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     

干湿循环作用下砂岩力学特性及其本构模型的神经网络模拟

基于不同干湿循环作用下砂岩单轴压缩试验结果,分析了干湿循环效应对砂岩变形、强度、破坏特征等力学特性的影响规律,认为随着干湿循环次数的增加,弹性模量及峰值强度均有降低的趋势,降低幅度先大后小,而且会以某一具体值为临界值发展变化,就本次试验而言为干湿循环20次时的抗压强度和弹性模量值;砂岩的破坏特征亦会受到干湿循环试验次数的影响,干湿次数越少,脆性破坏越明显,反之则延性特征增强,即砂岩会呈现一种从脆性到延性转化的破坏规律。以应变和干湿试验次数为输入层,应力为输出层,构建了2-12-1的三层神经网络本构模型。通过样本的学习与检验,证明该模型能较好地描述干湿循环作用下砂岩的力学性能,验证了利用神经网络方法建立岩石本构模型的可行性与可靠性。基于预测结果,建立了完整的考虑干湿循环效应的砂岩力学特性变化规律的数学函数关系式。     

基于广义塑性理论的尾砂本构模型在ABAQUS中的二次开发

建立尾砂的本构模型是开展尾矿坝数值模拟和安全评价的重要基础,而目前尾砂的本构模型研究多集中于非线性弹性模型,如Duncan-Chang模型,关于弹塑性模型的研究较少。结合尾砂的应力-应变特性,提出了一种适用于描述尾砂力学特性的改进广义塑性模型。基于用户自定义材料子程序UMAT,将提出的模型在ABAQUS中二次开发实现,应力积分采用Runge-Kutta显式积分。通过三轴试验模拟验证,偏差应力曲线表明,有限元计算结果可以反映围压对应力-应变关系的影响,抗剪强度随应变逐渐硬化,达到峰值强度,随后发生应变软化,抗剪强度有所下降。体应变曲线结果表明,广义塑性模型可以很好地描述体应变曲线的体缩-体胀发展过程,与试验曲线吻合较好。同时有限元数值模拟结果和理论值误差很小,且和试验结果拟合较好。该研究成果可进一步用于尾矿坝的应力变形计算和安全评价。