基于广义塑性力学的土体次加载面循环塑性模型(Ⅰ): 理论与模型

简要地介绍了次加载面理论的基本思想、假设及其物理解释。在广义塑性力学的框架内，引入次加载面的思想，把常规的椭圆-抛物线双屈服面模型，扩展为次加载面循环塑性模型，以反映循环荷载作用下土体的曼辛效应与棘轮效应。模型能考虑塑性应变增量对应力增量的相关性，既能反映土体的循环加载特性，又能反映正常固结土和超固结土的单调加载特性。     

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。     

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.     

各向异性弹黏塑性模型在ABAQUS中的研发

通过将Perzyna过应力理论与临界状态理论相结合,并引入Wheeler旋转硬化法则,提出一个能描述土体初始各向异性及应力诱发各向异性的三维弹黏塑性本构模型。模型考虑流变发生的下限,在三维应力空间,模型存在形状相似的静屈服面及动态加载面。采用缩放形式的幂函数。本构模型数值算法采用回映算法,借助ABAQUS软件UMAT子程序接口实现。并通过对三轴不排水蠕变试验的模拟,确定合适的积分步长。此后,分别对三轴不排水蠕变试验及常应变率三轴不排水剪切试验进行了模拟。模拟中通过设置不同参数值,可将模型退化为各向同性模型,并对这两种模拟结果进行了比较。模拟结果表明：(1) 对于三轴不排水蠕变,在低剪应力水平下,各向同性模型和各向异性模型模拟的结果相差不大,而在高剪应力水平下,各向异性模型模拟结果更接近试验结果;(2) 对于常应变率加载试验的模拟,模型合理反映了土体不排水强度随着加载速率的增大而增大现象。     

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。     

考虑物态变化的粗粒土亚塑性本构模型

建立了可描述粗粒土单调和循环力学特性的一个亚塑性本构模型。基于亚塑性理论的基本框架,引入临界状态参数,建立了一个新的粗粒土亚塑性模型,给出了数学公式及参数确定方法。采用该模型对粗粒土单调和循环加载试验进行了模拟和预测。该模型无需判断加卸载、参数较少、易于三维化,能够较全面地描述单调和循环荷载作用下粗粒土的主要力学特性,如强度与围压的非线性关系,胀缩规律与围压相关、卸载体缩、体变随加载过程累积等主要体变特性等。     

亚塑性理论简介

简要介绍了亚塑性理论和亚塑性本构模型以及在颗粒材料力学分析上的应用。详细地介绍了亚塑性模型参数的确定方法。亚塑性本构模型不是从弹塑性理论发展而来,它是以非线性张量为基础,没有屈服面、塑性势、流动法则、硬化定律以及把变形分解为弹性和塑性部分等概念。亚塑性在很多方面具有一定的优越性,特别是涉及到应力水平非常低或者非常高的情况。     

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。     

一类新型的散粒型土体本构理论

详细地介绍了国际上近30才发展起来的具有独特建模思想的一类新型的散粒型土体本构建模理论--亚塑性本构理论。将该理论与经典的弹塑性理论进行比较后发现,亚塑性理论的本构表达式自动隐含了弹塑性理论中相对应的一些基本概念和假定,无需额外引入,因此增加了模型的客观性。以Gudehus-Bauer亚塑性模型为例,分析了模型在临界状态时的本构特征。此外,通过三轴试验和循环剪切试验的亚塑性数值模拟表明,亚塑性本构模型能很好地反映无黏性散粒型土体的非弹性、非线性及剪胀（剪缩）性等主要应力-应变特性。     

一种旋转塑性势面模型及非关联塑性流动法则

为了较好地描述软土塑性应变发展规律,提出了一种改进的塑性流动模型。该模型采用了与屈服函数形式相同,但具有一定倾角 的塑性势函数。土体在变形过程中,塑性流动方向会依赖于塑性势面的旋转而变化,直至达到破坏状态。通过对常规三轴试验结果的分析可以发现：在剪切过程中,塑性势面旋转角的初值 与终值 较为稳定,不受围压变化影响。在此试验观察基础上,引入了归一化的旋转角参数 以及描述土体应力状态的参数 ,在采用蛋形势函数的情况下二者具有良好的分段线性关系。利用该关系,建立了改进的塑性流动法则,只需要2个额外的模型参数。对所提出的塑性流动模型进行了验证,计算结果表明该模型能较好地反映塑性应变的变化趋势。     

基于Coulomb准则的混凝土塑性损伤本构模型及其数值验证

以连续介质不可逆热力学为基础,采用了Mohr-Coulomb屈服准则,提出混凝土塑性损伤耦合的新的本构方程。在该模型中采用了塑性应变 、各向同性损伤标量D作为内变量。这个新的本构关系模型严格满足热力学的基本方程。以不同围压作用下混凝土试件的单轴压缩行为为例,采用开发的程序进行了局部水平上本构模型数值验证。结果表明,模型损伤演化数值结果符合试验趋势。     

基于弹塑性理论的修正分层总和法

建议了土体的非线性弹性-塑性本构方程,其中弹性矩阵采用Duncen-Chang本构模型,塑性部分则采用修正剑桥模型;提出了基于弹塑性理论的修正分层总和法新理论;该理论既有常规分层总和法简单,便于理解运用的优点,又能考虑土体的弹性非线性以及塑性变形特性,同时还能考虑土体三向应力对其变形的影响。为基础变形计算提供了一种较为理想的算法。     

不饱和土动弹塑性本构模型研究

以饱和度与有效应力为状态变量,通过引入描述不饱和与饱和土孔隙比差的状态变量,将Zhang等提出的饱和土体应力诱导各向异性动弹塑性本构模型推广到不饱和土体中,使其可描述不饱和土在动力循环荷载作用下的力学特性行为。通过对已有不饱和土体在完全不排水条件下的动三轴试验进行理论模拟,验证了所提出不饱和土本构模型的正确性。最后基于所提出本构模型,讨论了在不排水条件下初始饱和度对不饱和土动力特性研究。结果表明,不饱和土在动力荷载作用下,土体的孔隙比将减少,导致饱和度增加;当初始饱和度较高时,不饱和土会转化为饱和土,从而发生液化现象。该研究成果对研究不饱和土在地震等动力荷载作用下的力学特性行为具有重要意义。     

泥质粉砂岩统一黏塑性模型的研究

统一黏塑性理论假设材料的应变仅由弹性应变和黏塑性应变组成。包含应力的黏塑性应变率表达方式,可以清晰地体现岩石材料应力增长率随应变加载速率相关的特性、在持续的偏压下的蠕变特性以及在恒定的应变下的松弛特性,但微分方程表示的本构模型在实际运用中存在计算上的困难。将无损伤Lemaitre统一黏塑性模型转换成关于应力的积分形式,并运用一致渐进展开算法得到其近似解,最后建立了基于近似解的牛顿迭代格式。开展了不同围压条件下泥质粉砂岩的三轴松弛试验,并将试验数据用于黏塑性模型的参数反分析,结果表明模型能够较好地反映泥质粉砂岩在长期作用下的力学行为特征。     

土的本构模型研究现状及发展趋势

从两方面总结了前人关于土体本构关系的成果以及目前的发展状况：一方面,从宏观现象学角度介绍了剑桥模型、弹性－硬化塑性模型以及为描述循环荷载条件下土的本构特性所建立的多重屈服面模型和边界模型;另一方面,阐述了土的微观结构和土微结构力学模型的研究状况。认为今后的土本械模型研究趋势必将与土的结构性研究紧密相联,成为２１世纪土力学的核心。     

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。     

率相关本构模型的临界状态描述

临界状态是土的重要破坏特征,是当今许多土本构模型建立的基础。由于工程和试验中不能忽略时间因素,临界状态实际上是土在一定的时间作用下或者说一定的加载速率作用下表现出的破坏规律。率相关本构模型作为考虑了时间对土应力-应变关系影响的本构模型,理应可以描述临界状态。通过使用较为常用的率相关本构模型——过应力弹黏塑性模型对三轴不排水和排水剪切进行预测,探讨了这些模型对临界状态的描述情况。预测结果表明:(1)第1类过应力弹黏塑性模型(该模型认为屈服面是黏塑性体积应变率的等值面)计算所得的三轴不排水应力路径在临界状态线的下方出现应变软化,并且应力路径趋向于坐标原点,不能终止于临界状态;(2)第2类过应力弹黏塑性模型(认为屈服面是黏塑性标量因子的等值面)在对高应变率三轴排水剪切进行预测时,所得的最终应力比超过临界状态应力比;(3)第3类过应力弹黏塑性模型,亦即时间UH模型(认为屈服面是统一硬化参量变化率的等值面,并认为土产生应力塑性变形)在三轴不排水和排水剪切条件下均能较好反映临界状态。通过3种模型的公式分析了前述预测结果产生的原因。     

海积软土弹粘塑性Biot固结的数值分析

为了全面分析海积软土的蠕变特性，采用弹粘塑性理论，并选取了Mohr-Coulomb屈服面模型和Adachi模型。针对海积软土多级加荷固结蠕变试验和堆载预压现场的变形分别进行了数值计算。通过分析对比，验证了Adachi模型的有效性和实际场地的土体变形的预测性。     

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。     

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。