应变局部化弹黏塑性分析的内嵌局部软化带模型

针对岩土介质结构在破坏过程中局部化变形的问题,结合位移不连续的思想,提出内嵌局部软化带模型来捕捉结构中的局部化带。通过虚功原理建立了含局部化带影响的弹黏塑性的有限元计算模式,其中分叉理论作为局部化判断条件。模型将局部化带的形成视为一个黏塑性屈服流动过程,从而能够连续地描述局部化变形前后的力学性质。特点是计算量小、物理意义明确,可以方便地整合到传统有限元分析程序中。算例表明,计算模型是合理和有效的。     

涉及流体的岩土工程自然灾害统一机制探讨

渗透系数依赖于塑性剪切应变（率）。塑性区可以进一步划分为剪应变局部化区和非剪应变局部化区,采用应变梯度塑性理论将是描述塑性区内应变局部化区的材料性质矩较好方法之一。涉及流体的岩土工程自然灾害统一机制的过程可以分为4个阶段：（1）在孔隙充体存在的条件下岩土材料分叉,应变局部化启动;（2）应变局部化导致岩土材料剪胀或剪缩;（3）剪胀或剪缩引起孔隙流体的流向应变局部化区或流出应变局部化区的渗流运动;（4）在流体作用下岩土结构失稳。将涉及流体的岩土工程中自然灾害的发生机制统一在同一理论框架之中,有助于对这些灾害发生机制的认识和理解,而且对其预测乃至防治也会产生积极的意义。     

基于应变梯度理论的韧性剪切带理论研究

地质领域中存在的大量事实都可以归为应变局部化范畴,韧性剪切带是剪切应变局部化带。本文首次应用应变梯度塑性理论对韧性剪切带进行了理论分析。获得了韧性剪切带内部局部剪应变(率)分布规律,剪切带错动总位移及剪切带法向位移的理论表达式,以及韧性剪切带内部体积应变(率)和孔隙率分布规律。剪应变局部化导致了体积应变和孔隙率局部化。随着应变软化的加剧,剪应变、体积应变和孔隙率局部化加剧;随着应力率绝对值的增加,剪应变率、体积应变率集中程度增强。      

塑性梯度体元及应变局部化启动机制分析

利用代表性体元可较好地反映出并非理想连续均匀的岩土介质破坏前强度和变形行为。但当材料出现高的应变梯度(应变局部化)时,在体元上的应力、应变呈现高次非线性变化,代表性体元不能如实地反映出介质的力学性能。提出一种可包含局部化变形的研究基元--塑性梯度体元(Plasticity Gradient Volume Element) ,塑性应变在其内可用微分形式表达。该体元不但可反映介质的平均力学响应,而且可反映应变呈高次非线性变化时的影响。随着硬(软)化模量从正值变为负值,变形模式将由均匀变形模式变为局部化变形模式,这就是应变局部化的启动机制。     

基于CLoE与Gudehus-Bauer亚塑性模型的颗粒材料应变局部化对比研究

基于CLoE与Gudehus-Bauer亚塑性模型数值模拟了平面应变条件下Hostun砂的应变局部化现象。从侧向压力和初始缺陷两个方面对比研究了两种模型所预测应变局部化的产生及演化模式。结果表明：（1）两种模型均能反映Hostun砂刚度随着侧向压力提高而增大的现象。（2）相比Gudehus-Bauer亚塑性模型,CLoE亚塑性模型所得出的应变局部化形态与试验结果更加一致。（3）CLoE亚塑性模型能够反映随着荷载增加,砂的体积先膨胀后缩小的特点。（4）相比Gudehus-Bauer亚塑性模型,CLoE亚塑性模型所得到的应变-应力曲线能够更明显地反映应变局部化带中单元的软化现象。（5）CLoE亚塑性模型能够更好地模拟由初始缺陷导致的不均匀应变。总的来说,所得的数值结果表明,CLoE亚塑性模型能够较好地模拟侧向压力和初始缺陷对应变局部化的影响,在模拟应变局部化现象方面较Gudehus-Bauer更有优势。然而,现有CLoE亚塑性模型无法考虑孔隙比,也未包含颗粒材料内尺度变量,有待进一步完善。     

基于Cosserat理论的重力坝深层抗滑稳定分析

重力坝深层滑动主要表现为沿缓倾角的软弱结构面形成滑移通道,滑移通道内应变积聚且应变梯度急剧不连续,是典型的应变局部化现象,采用经典连续介质理论进行数值模拟时存在病态的有限元网格依赖性。引入Cosserat连续体理论作为正则化机制,提出了基于Cosserat理论的Mohr-Coulomb弹塑性模型,考虑非关联的流动法则,在经典塑性理论框架下采用向后Euler隐式积分算法进行应力更新。采用ABAQUS的自定义单元接口（UEL）进行二次开发,进行了平面应变条件下单轴受压的数值验证。数值模拟结果表明,该模型能保证应变局部化问题的正定性。基于Cosserat理论的重力坝深层抗滑稳定分析结果表明,采用超载法进行重力坝渐进破坏过程模拟时,基于经典连续体理论的模拟结果有较大的网格依赖性,而且结果偏于安全,而采用Cosserat连续体理论的结果对网格密度不敏感。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

单轴压缩下岩石应变局部化的应变梯度塑性解

通过在屈服函数中引入材料内部长度建立应变梯度塑性增量本构关系,对岩石材料在单轴压缩条件下应变局部化的二维情况进行了研究。首先,建立了在Mises屈服准则下平面应变情况的岩石材料应变局部化带的带宽与其倾角的关系式,讨论了其带宽的分布范围和最大值与最小值形成的条件,给出岩石材料破坏Ⅰ, Ⅱ类变形的条件,并推出破坏的临界角度;其次,对岩石材料Ⅰ类变形进行了详细地分析,讨论了在不同泊松比 和 条件下材料应变局部化带的倾角的变化范围;最后,利用所得的结论同材料破坏的库仑准则进行对比研究,对内摩擦系数给予了合理的解释。     

含裂隙组岩体的稳定问题

借鉴单晶体塑性理论,构建了岩体的多屈服面模型,用以模拟岩体中初始存在的多组裂隙。通过重构屈服函数,及简单的两种情况表明,可以采用常用的屈服准则作为屈服函数。随后,使用该多屈服面模型,分析了包含初始裂隙组岩体的稳定问题。在算例中研究了硬化模量随局部化条带方向的变化规律,并分析了不同破坏模式对临界硬化模量和临界局部化条带方向的影响。分析表明,该模型用于分析裂隙岩体的稳定问题是可行的。     

考虑围压及孔隙压力的岩石试件应力与应变关系解析

假设剪切带内部的岩体为剪切破坏,利用剪切应变梯度塑性理论,解析得出了考虑围压和孔隙压力的岩石试件应力与应变的关系,解析解与众多的实验研究结果比较一致,围压效应和孔隙压力效应是局部化所致,这一研究结果对于自然灾害的防治有一定的理论和实际意义。      

平面应变状态下土体的软化特性与本构模拟

在平面应变状态下,由于土体在应力峰值状态出现了应变局部化现象,从而变形模式失去了原有的均匀性而呈现软化特性。为此,采用常规的弹塑性本构模型模拟土体峰值前的均匀变形,对应力峰值状态则采用非共轴的分叉理论进行预测,而土样在峰值后出现不均匀变形的宏观力学特性则通过复合体理论加以描述。理论预测表明,构建这样的软化本构模型能真实反映平面应变状态下的应力-应变特性。理论分析还表明,经典的变形分叉理论中引入非共轴弹塑性模型,才能准确地预测土体的应力峰值,这是构建平面应变状态下土体软化本构模型的关键所在。     

土体应变局部化现象的理论解析

引起土体失稳的应变局部化现象是在特定应力状态下,土体本构产生的分叉特性。基于有限变形理论推导了应变局部化产生的三维解析解。基于应变局部化的理论解析,分析了轴对称和平面应变条件下应变局部化现象在弹塑性硬化阶段的存在性以及剪切带的方向性。 理论分析表明,在轴对称条件下,土体应变局部化产生于土体应力-应变的软化阶段,而平面应变条件下,土体应变局部化一般出现在应力-应变的硬化阶段,其剪切带方向角的理论预测与Arthur等[1]建议值较为一致。     

地质灾害中的应变局部化现象

首先介绍应变局部化现象及其研究进展，然后介绍地质灾害中常见的应变局部化现象，即边坡失效、圆形洞室失效、地震中的局部化现象和流固耦合应变局部化现象。采用材料的分叉分析方法和变形局部化的数值模拟研究，可望对地质灾害的机理分析、预测和控制提供新的思路。     

Analytical and numerical investigation of uniqueness and localization in saturated porous media

This paper presents first the applications of uniqueness and strain localization analysis of saturated porous media, where localization of deformation into well defined narrow zones in a saturated porous medium is studied in terms of discontinuous bifurcation theory. A generalized plasticity constitutive model and a Mohr–Coulomb model are used in both the theoretical and numerical analyses of shear band formations. The critical hardening moduli and shear band angle for localization are computed, and quantitative results are given for both constitutive models. Numerical results previously obtained and new ones are confirmed by this analytical and numerical investigation. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

The role of non‐coaxiality in the simulation of strain localization based on classical and Cosserat continua

It is normally accepted that materials inside the shear band undergo severe rotation of the principal stress direction, which causes non‐coaxiality between the principal stress and principal plastic strain rate. However, classical plasticity flow theory implicitly assumes that the principal stress and the principal plastic strain rate are coaxial; thus, it may not correctly predict the onset of the shear band. In addition, classical continuum does not contain any internal length scales; as a result, it cannot provide a reasonable shear band thickness. In this study, the original vertex non‐coaxial plastic model based on the classical continuum is extended to the Cosserat continuum. The corresponding codes are implemented via the interface of the user defined element subroutine in ABAQUS. Through a simple shear test, the effectiveness of the user's codes is verified. Through a uniaxial compression test, the influence of non‐coaxiality on the onset, the orientation, and the thickness of the shear band is investigated. Results show that the onset of the shear localization is delayed, and the thickness of the shear band is widened when the non‐coaxial degree increases, while the orientation of the shear band is little affected by the non‐coaxial degree. In addition, it is found that the non‐coaxiality can weaken the micro‐polar effect to some extent; nonetheless, the Cosserat non‐coaxial model still has its advantage over the classical non‐coaxial model in capturing the pre‐bifurcation as well as the post‐bifurcation behaviors of strain localization. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于罚函数偶应力理论的土体应变局部化研究

与 Cosserat 理论相比,偶应力理论在一定程度上可以降低数值框架的复杂度,已逐渐应用于岩土体应变局部化分析中。然而,一般的偶应力有限元法需要满足 C¹连续性,即单元内部和单元交界面上的应变都需要具有连续性。为了避免开发较为复杂的C¹型偶应力单元,在 Cosserat 连续体理论框架下,通过借助罚函数方法对 C¹连续性进行松弛来获得偶应力理论的逼近解,建立了基于罚函数的偶应力有限元方法 PCS-FEM。通过平面应变条件下的弹性圆孔应力集中问题对 PCS-FEM 方法的有效性进行了验证,并应用于土体应变局部化分析中。通过对Ottawa砂的平面应变试验进行数值模拟,发现 PCS-FEM 方法获得的应力−应变曲线及剪切带破坏形态与试验结果基本一致,且能够克服经典连续体理论病态的网格敏感性问题,保证应变局部化问题的适定性;通过对承受偏心荷载作用下的土坡应变局部化经典算例进行分析,发现 PCS-FEM 方法同样可以克服土坡应变软化阶段的网格敏感性问题,展现土体的渐进破坏过程。     

真三维状态下土体强度及变形分叉影响

通过引入应力Lode角建立合理的角隅函数描述偏平面形状,对三维Mohr-Coulmb强度准则进行修正,使之能合理反映中主应力比对土体峰值内摩擦角的影响。修正后的准则在偏平面上的强度线与Lade-Duncan准则相似,但更具灵活性,预测结果更符合松砂真三轴试验结果。由于土体在加载过程中常发生应变局部化现象,导致其强度得不到充分发挥。基于非共轴塑性模型的分叉分析研究了应变局部化发生对土体强度发挥的影响,通过与密砂真三轴试验结果对比表明,分叉强度能合理反映在不同中主应力比条件下应变局部化发生对土体强度的降低作用。