非饱和土剑桥模型的基本框架

分析了用有效应力原理和用两个应力变量建立非饱和土力学理论的区别与联系，借助于有效应力原理将饱和土的剑桥模型推广到非饱和土，并与现有的几种塑性模型作了对比分析。     

ANSYS软件中修正剑桥模型的二次开发

ANSYS软件具有很强的非线性计算功能和前、后处理能力,是目前世界上最强大的通用分析程序之一。标准ANSYS程序中包含众多的材料本构模型,但尚缺少岩土工程数值计算中常用的修正剑桥模型。为扩展ANSYS在岩土工程领域的计算能力,利用二次开发工具UPFs和数据接口将修正剑桥模型连接到标准ANSYS程序中。二次开发的核心是本构模型子程序UMAT.F的编制。子程序的编写一方面要符合修正剑桥模型的本构关系式和弹塑性有限元计算的特点;另一方面变量名和输入输出格式必须和标准ANSYS程序一致。对二次开发后的ANSYS程序进行了典型算例的验证。结果表明,在ANSYS中加入修正剑桥模型的方法是可行的,可推广到ANSYS对于其他材料本构模型的二次开发中。     

修正剑桥模型参数对计算结果的影响

修正剑桥模型是土工计算中广泛应用的弹塑性模型,模型参数的取值是计算分析的重要内容之一,运用实测位移资料采用反分析方法可以有效地确定模型参数。通过有限元计算分析了模型中各参数的变化引起的钻孔灌注桩码头前沿的水平位移的改变,计算结果表明,影响水平位移的主要参数是与弹性模量有关的无量纲参数,与弹性模量有关的指数,泊松比和原始各向等压加荷试验常数,其中尤以与弹性模量有关的无量纲参数对计算结果的影响最为显著,这为反分析参数的选择提供了依据。     

基于修正剑桥模型的挤密桩挤土效应分析

将挤密桩挤土过程视作沿桩长不变的一系列点位形成的球形孔扩张过程,把扩张过程中的桩周土体分为3个区域：流动破坏区、塑性变形区、弹性变形区。应用圆孔扩张理论,结合修正剑桥模型推导出了球孔扩张引起的土体应力、位移分布解析解。结果表明,挤密桩塑性区半径为桩半径的2.92倍,与试验结果基本吻合,验证了该分析方法的可行性。其结果可为挤密桩挤土效应的研究提供一种新的思路。     

剑桥模型可反映剪切变形的一种修正

由于剑桥模型不能很好地反映土的剪切变形,因此,在工程应用中不能够反映土的实际受力变形特征。对剑桥模型的这一缺点进行理论分析,指出产生此现象的原因,提出由剪应力和体应力引起的应变分量,分别采用不同的分配比例系数,基于这种思想并采用剪切试验结果对剑桥模型进行修正,给出了基于不同分配比例系数修正后的剑桥模型的应力-应变关系计算式。通过采用剪应力与轴向应变修正后的模型与剑桥模型的预测结果的对比,揭示了修正后的模型能够较好地反映剪切变形,同时模型含有可直接测定的4个独立的试验参数。     

修正剑桥模型在DPC桩—土结构层中的应用分析

针对DPC桩-土结构层开展大型直剪试验,基于试验分析,在考虑DPC桩-土结构层注浆影响上引入临界应力比,构建了可描述应变软化的修正剑桥模型应力应变方程。直剪试验表明DPC桩-土结构层剪切特性表现为剪切软化,具有明显的峰值强度和残余强度,呈现出明显的结构性,其特征与超固结的黏土的剪切应力应变曲线特性类似。推导出的修正剑桥模型能较好的解释实验结果,所得出的结论对DPC桩的设计有一定的指导意义。      

基于应力空间变换的修正剑桥模型改进

从岩土类材料极限应力状态线所致的各向异性出发,提出了应力空间变换的思想。以修正剑桥模型屈服面的中心为映射中心,给出了重塑土的应力空间变换、应力增量变换的公式, 并考虑了应力洛德角的影响。在变换应力空间中对修正剑桥模型进行了重新表述与改进,给出了基于应力空间变换的改进模型的具体应力应变计算式。通过4种应力路径的基于应力空间变换的改进模型与修正剑桥模型预测结果的对比,揭示了改进后模型的优越性：可以较好的反映各向异性的影响;可以很好地反映三轴伸长等应力路径的应力应变特性;可以反映 等路径所致的软化现象。     

软土修正剑桥模型参数反演及其应用研究

土体本构参数的合理取值是数值模拟的重要前提。为准确获取湖州软土修正剑桥模型参数,针对该地区两种典型软土,提出了基于室内试验-神经网络的软土修正剑桥模型参数反演方法。首先,开展了室内三轴固结不排水试验及标准固结-回弹试验,基于室内试验结果确定了湖州地区典型软土修正剑桥模型参数反演区间;其次,基于正交试验设计原理,对基坑开挖过程中不同参数水平下维护结构侧移进行数值计算,根据数值计算结果构造出64组PSO-BP神经网络训练样本;最后,利用构造的训练集对湖州地区软土修正剑桥模型参数进行反演。研究结果表明：反演得到的两种典型软土修正剑桥模型参数临界状态有效应力比M₁、M₂,压缩参数λ₁、λ₂,回弹参数κ₁、κ₂及孔隙比e₁、e₂分别为M₁=1.076、λ₁=0.050、κ₁=0.021、e₁=1.712,M₂=1....     

基于旋转运动硬化理论的修正剑桥模型的改进

修正剑桥模型是最早建立和得到广泛承认的经典土体弹塑性模型之一,但不能模拟应力路径转折时土体的应力-应变特性以及应力引起的各向异性。将旋转运动硬化理论引入到剑桥模型中,给出了椭圆屈服面的旋转运动硬化机制,在不增加任何模型参数的情况下,把等向硬化的修正剑桥模型扩展为旋转运动硬化模型。扩展的新模型既保留了单调加载时的等向硬化的特性,又能反映应力路径转折时土体的本构特性与应力诱发的各向异性,初步验证了模型的有效性。     

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。     

基于广义位势理论的类剑桥模型

广义位势理论直接从数学原理出发建立本构模型,避开了传统塑性理论中塑性势函数等复杂概念,为研究岩土本构模型提供了新的思路。基于广义位势理论中土的应力空间多重势面模型,对剑桥模型“能量方程假设”的数学原理进行分析,从数学角度上建立了一个改进的剑桥模型（即类剑桥模型）,而修正剑桥模型等可作为其特例。利用不同应力路径下的试验数据对其合理性进行验证,并与剑桥模型进行对比分析。结果表明：类剑桥模型的参数确定方便、自由,计算结果与试验较一致,甚至优于修正剑桥模型;类剑桥模型所采用的数学原理更明确,且避免了确定塑性势函数和能量方程的困难及其所带来的误差,是一个具有较好实用价值的模型。     

黏土的应力路径本构模型

根据黏土应力-应变曲线的特点及其应力路径的相关特性,将作者所建立的砂土应力路径本构模型扩展用于黏土,建立了黏土的应力路径本构模型,利用变换应力方法将SMP准则用于黏土的应力路径本构模型,使模型得到了合理的三维化。黏土的应力路径模型与修正剑桥模型相比,在双向加载A区和卸载D区二者完全相同;在单向加载B区和F区,两种模型均可计算塑性应变;特别是在C区和E区,黏土的应力路径模型可计算塑性应变,而修正剑桥模型的塑性应变为0。通过与修正剑桥模型比较和对藤森黏土试验结果的预测,反映了黏土应力路径本构模型描述黏土在不同应力路径条件下应力-应变特性的优越性。     

软土初始应力各向异性弹塑性模型

自然土体处于初始应力状态,其强度和应力-应变关系都呈现出各向异性,而以往广泛使用的剑桥模型是建立在重塑土试验结果的基础上的,因此,计算实际问题时有一定缺陷.在总结了一些在修正剑桥模型基础上进行扩展而得到的各向异性模型,尤其是S-CLAY1模型.然后,假定了初始屈服面的倾角为K0线,这样使S-CLAY1的计算更加简单.此外,还编制了相关程序,进行了比较计算.结果表明,该模型简单合理,参数正确,可以在实际工程中应用.     

考虑饱和黏土初始各向异性的循环边界面塑性模型

天然土体的初始各向异性通常可对其后继循环特性产生显著影响。现有考虑循环载荷作用的土体弹塑性模型,往往采用类似修正剑桥模型的椭圆形屈服面,已有研究表明,该椭圆形屈服面因其拉伸弹性区域偏大,针对天然K0固结状态的土体,其计算精度较差。基于新近提出的广义各向同性硬化准则,在边界面方程中引入初始各向异性张量,并采用空间滑动面破坏准则（SMP）的变换应力法,建立了能考虑饱和黏土初始各向异性的循环边界面塑性模型。分别针对等压和偏压固结的饱和黏土静、动三轴试验进行模拟,结果表明,该模型能合理反映土体的初始各向异性及其后继循环动力特性。     

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。     

考虑土体结构性的弹塑性软化模型

采用在原料土中掺入水泥的方法,人工制备试样模拟天然大孔隙结构性土。根据人工制备试样在不同应力路径下等应力比压缩试验结果,确定出结构性土体初始屈服面和初始屈服后塑性应变增量方向;另外,根据三轴排水剪切试验结果建立了土体屈服后硬化规律。在此基础上,提出了一个能够反映土体结构性的弹塑性应变软化模型,并用试验进行了验证。结果表明,所建模型能够较好地反映结构性土体的应力变形规律。