散粒体间接触面单剪试验及数值模拟

完成了两种散粒体间接触面的单剪试验,对试验过程进行了有限元数值模拟,对比了刚塑性、理想弹塑性和Clough-Duncan接触面本构模型对计算结果的影响,并分析了计算模型的破坏过程。计算取得了与试验基本一致的接触面破坏规律。结果表明,用刚塑性模型描述两种散粒体间接触面的本构关系是合理的。     

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。     

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。     

考虑土体结构性的弹塑性硬化模型

在对人工制备结构性土样等应力比压缩试验结果分析基础上,确定出结构性土体初始屈服面形状和土体初始屈服后塑性应变增量的方向,推导出结构性土体屈服函数的表达式;硬化参数采用塑性功的函数,根据三轴排水剪切试验结果确定出土体的硬化规律。由此构建能反映土体结构性的弹塑性硬化本构模型,并用试验进行了验证。本文提出一种基于试验的建模方法,不依赖经典塑性力学理论的正交流动规则,并建立可考虑土体结构性影响的本构模型,对土体结构性研究具有借鉴意义。     

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。     

基于旁压试验土体弹塑性本构模型初探

在大量旁压试验数据分析的基础上,通过曲线拟合,建立了旁压试验弹塑性阶段曲线的椭圆方程,利用土体SMP屈服准则和Rowe流动法则,推导出土体塑性阶段应力增量与应变增量间关系矩阵。在弹性阶段,假设土体应力-应变服从广义虎克定律,建立了基于旁压试验的土体弹塑性本构模型。编制了相应的计算程序,将文中模型计算结果与实际旁压试验曲线进行对比,初步验证了模型的正确性。将本构模型编译为ABAQUS自定义材料子程序UMAT,通过有限元对比分析,文中模型计算变形较弹性模型小,较摩尔-库仑模型大,与模型建立的假设一致。基于旁压试验的土体弹塑性本构模型参数少,且易于获取,便于在实际工程中应用。     

考虑冻融循环的季冻区高等级公路路基填土本构模型研究

在季冻区高等级公路路基场地取土,制成重塑土试件进行冻融循环试验。而后对经历不同冻融循环次数的土体进行三轴固结排水（CD）剪切试验,测得应力、应变数据。在大量试验数据的基础上,遵循岩土本构变化规律,以岩土弹塑性力学为理论基础,在p-q空间,以椭圆方程拟合体变屈服面,以抛物线方程拟合剪切屈服面,采用塑性关联流动,得到考虑冻融循环条件下融土的弹塑性本构方程。通过编程计算后,对比计算与试验结果,证明该双屈服面本构模型能够较为准确地预估冻融循环土体的应力-应变关系,该本构模型对季冻区路基土体长期稳定性分析和工程预测具有重要参考意义。     

堆石料Gudehus-Bauer亚塑性本构模型改进及参数确定方法

研究了Gudehus-Bauer亚塑性本构模型和模型参数的求取方法。采用侧限压缩试验曲线求取模型参数颗粒硬度hs和指数n。根据模型方程的推导,建立了拟合指数 和 与围压之间的关系,并提出了新的拟合参数。考虑到堆石料具有明显的剪胀、剪缩性,在Gudehus-Bauer模型线性项中增加了主要控制体积应变项 ,以改善模型对堆石料体积应变曲线的描述。采用堆石料大型侧限压缩试验、常规三轴试验分别验证了新的拟合参数和改进后的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型。与堆石料试验成果比较,提出的新拟合参数与改进后的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型可以较好地模拟堆石料的应力-应变特性,并较好地改善了堆石料体变曲线的模拟结果。对改进后的模型作了常规三轴加、卸载模拟,模拟结果反映了改进的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型具有一定的卸载适应性。     

Gudehus-Bauer亚塑性本构模型研究

无黏性土的应力-应变关系可以用Gudehus-Bauer亚塑性本构模型来模拟,该模型强调应力增量的大小和方向不仅与当前应力状态有关,而且还取决于当前应变增量的大小和方向。为分析其与传统弹塑性理论的不同之处,对Gudehus-Bauer理论的线性项和非线性项进行了研究,并对不同初始孔隙比下Gudehus-Bauer亚塑性模型的应力-应变关系进行了探讨。结果表明Gudehus-Bauer亚塑性模型不用把应变分为弹性和塑性部分就能考虑不可逆变形,并能体现密砂的剪胀特性和应变软化特性以及松砂的剪缩特性和应变硬化特性。     

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。     

Theoretical investigation of the cavity expansion problem based on a hypoplasticity model

The problem of the symmetric quasi‐static large‐strain expansion of a cavity in an infinite granular body is studied. The body is assumed to be dry or fully drained so that the presence of the pore water can be disregarded. Both spherical and cylindrical cavities are considered. Numerical solutions to the boundary value problem are obtained with the use of the hypoplastic constitutive relation calibrated for a series of granular soils. As the radius of the cavity increases, the stresses and the density on the cavity surface asymptotically approach limit values corresponding to a so‐called critical state. For a given soil, the limit values depend on the initial stresses and the initial density. A comparison is made between the solutions for different initial states and different soils. Applications to geotechnical problems such as cone penetration test and pressuremeter test are discussed. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

A hypoplastic model for granular soils incorporating anisotropic critical state theory

It is well known that soil is inherently anisotropic and its mechanical behavior is significantly influenced by its fabric anisotropy. Hypoplasticity is increasingly being accepted in the constitutive modeling for soils, in which many salient features, such as nonlinear stress-strain relations, dilatancy, and critical state failure, can be described by a single tensorial equation. However, within the framework of hypoplasticity, modeling fabric anisotropy remains challenging, as the fabric and its evolution are often vaguely assumed without a sound basis. This paper presents a hypoplastic constitutive model for granular soils based on the newly developed anisotropic critical state theory, in which the conditions of fabric anisotropy are concurrently satisfied along with the traditional conditions at the critical state. A deviatoric fabric tensor is introduced into the Gudehus-Bauer hypoplastic model, and a scalar-valued anisotropic state variable signifying the interplay between the fabric and the stress state is used to characterize its impact on the dilatancy and strength of the soils. In addition, fabric evolution during shearing can explicitly be addressed. Modifications have also been undertaken to improve the performance of the undrained response of the model. The anisotropic hypoplastic model can simulate experimental tests for sand under various combinations of principle stress direction, intermediate principal stress (or mode of shearing), soil densities, and confining pressures, and the associated drastic effect of different principal stress orientations in reference to the material axes of anisotropy can be well captured.     

Modelling the time‐dependent behaviour of granular material with hypoplasticity

This paper presents a constitutive model for time‐dependent behaviour of granular material. The model consists of 2 parts representing the inviscid and viscous behaviour of granular materials. The inviscid part is a rate‐independent hypoplastic constitutive model. The viscous part is represented by a rheological model, which contains a high‐order term denoting the strain acceleration. The proposed model is validated by simulating some element tests on granular soils. Our model is able to model not only the non‐isotach behaviour but also the 3 creep stages, namely, primary, secondary, and tertiary creep, in a unified way.     

基于颗粒物质力学与连续介质热力学的岩土本构模型初探

首先简要介绍颗粒物质力学与模拟岩土材料本构特性的热力学方法,其次对力链及其对应的强弱网络的形成、力学特性与能量耗散特点与机制进行深入地分析,随后在Collins提出的土体热力学模型的基础上,考虑强弱网络结构的应力应变特征,引入合理的假设,探讨建立符合热力学原理的宏细观结合的岩土本构模型的思路与步骤     

基于广义位势理论的土的非共轴特性研究

传统的塑性位势理论隐含了应力主方向和塑性应变增量主方向共轴的假定,无法客观地描述主应力轴旋转过程中的非共轴现象。基于广义位势理论提出的拟弹性弹塑性本构模型,把总的塑性应变分解为满足弹性分解准则的拟弹性部分和符合传统塑性理论假设的纯塑性部分,分解后建立的模型更为合理和简便,同时又可以解决土的非共轴问题。通过单剪试验结果的验证表明,基于广义位势理论的拟弹性弹塑性模型的模拟效果较好,传统的弹塑性模型（共轴模型）模拟得到的主应力方向和塑性主应变增量方向保持共轴,而拟弹性弹塑性模型（非共轴模型）的模拟结果则能够合理地描述主应力轴旋转过程中的非共轴特性,结果更符合实际,从而为解决土的非共轴特性问题提供了一种有效的方法。     

考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性统一本构模型

粗粒土作为无黏性散粒状材料具有状态依赖特性,土体的剪切特性受密度和应力水平影响。易破碎是粗粒土的另一个特点,颗粒破碎影响粗粒土的剪胀、内摩擦角、峰值强度和渗透系数。为了能够准确地描述粗粒土的应力-应变关系,采用初始状态参量描述粗粒土的内部状态,根据三轴试验数据建立考虑颗粒破碎耗能的应力-应变关系,采用相关联流动法则推导考虑颗粒破碎的粗粒土剪胀性“统一本构模型”,并建立初始状态参量与模型参数之间的关系。所建立的统一本构模型既考虑了颗粒破碎对剪胀、内摩擦角的影响,又考虑了剪切特性对土体初始状态的依赖。采用变异粒子群算法拟合试验曲线,确定模型参数。模型计算结果能够很好地拟合试验曲线。采用同一组参数对假定的初始状态进行模拟计算,计算结果表明,模型能够模拟不同初始密度和应力水平下粗粒土变形的一般规律。