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。     

岩土类材料率相关性及硬化-软化特性模型研究

岩土类材料具有显著的率相关性,其应力-应变关系全过程一般表现为硬化-软化特征,研究如何描述这两类特征具有重要的意义。基于岩土类材料的物理变形机制分析,考虑到其结构性特征,采用弹黏塑性本构模型,引入反映材料结构变化的可变结构黏滞系数及其演化方程,并将其嵌入到弹黏塑性本构模型中去,建立能够反映材料结构变化的弹黏塑性本构模型。利用玄武岩常规三轴常应变率试验结果对所建立的模型进行试验验证,结果表明：所建立的弹黏塑本构模型能够完整、合理地描述岩土类材料应力-应变关系全过程以及材料本构关系的率相关性,同时还能够反映材料的峰值强度、残余强度特征。     

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。     

基于上下负荷面的弹黏塑性本构模型及应力积分算法实现

为了描述天然软土的时间相依以及结构性特征,提出了一种能考虑土体超固结和结构性的实用弹黏塑性本构模型。它以Asaoka和Hashiguchi的上下负荷面作为某一应变速率下的参考屈服面,按照相对过应力的基本思路,新引入了两个能通过不同应变速率三轴压缩试验测定的率敏性参数 和 ,建立了以当前应力、黏塑性应变以及黏塑性应变速率为状态变量的动屈服准则函数,并给出了基于Newton-Raphson迭代的应力积分算法,且成功地将其嵌入到大型有限元软件ABAQUS中。最终通过数值算例来验证模型的正确性以及应力积分算法的可靠性。结果表明：该模型能同时描述土体的率敏性、蠕变以及结构性特征,模型参数物理意义明确、易懂可测,预测结果与试验数据吻合良好,可用于复杂边值问题的有限元计算。     

黏弹-双曲线Drucker-Prager塑性模型应力更新隐式算法

黏弹-塑性模型是由黏弹性模型与塑性元件串联而成,可视为黏弹-黏塑性模型中黏塑性黏度参数趋于0的一种极限情况,为黏弹性材料的结构破坏分析提供了一个途径。把黏弹-塑性模型的应变增量分解为黏弹和塑性增量两部分,考虑黏弹性应变历史,把黏弹性积分型本构关系在一个时步内线性化,定义与时间增量相关的剪切模量和体积模量,导出应力递推公式,把黏弹-塑性本构积分转化为与弹塑性相似的形式。针对由黏弹性和双曲线Drucker-Prager塑性、各向同性硬化的黏弹-塑性模型,通过黏弹性预估和塑性校正"二步"算法实现对应力的更新,给出完全隐式算法和最终的计算公式。算例比较分析表明,由于迭代过程中仅需要简单的函数计算,该算法具有很好的收敛性。一般经过2次迭代运算后,屈服函数值已达到10-10的量级,应力点便返回到屈服面上。     

重塑超固结上海软土力学特性及弹塑性模拟

对典型上海软土重塑样进行了围压不变和平均主应力不变的三轴排水剪切试验,得到重塑上海软土在不同初始超固结比和围压条件下的应力-应变关系,弄清了超固结比、围压以及应力路径对重塑上海软土的变形和强度特性的影响;根据土体的应力-应变曲线得到重塑上海软土的临界状态应力比及内摩擦角。采用姚仰平等建议的基于伏斯列夫面的超固结土本构模型,并根据等向压缩及三轴排水剪切试验确定其模型参数,对保持围压和平均主应力不变的三轴压缩试验进行了模型预测。预测结果表明,此超固结土本构模型能较好地反映重塑超固结上海软土的变形和强度特性。     

胶结结构性土统一硬化模型

结构性土颗粒间的胶结使试样剪切破坏最终应力比高于相应重塑土,也限制了试样剪切时体积应变的自由发挥。在考虑结构垮塌为主的结构性土统一硬化(UH)模型基础上,将应力空间中静止的临界状态线扩展为动态的移动临界状态线。据此,通过建立新的屈服面方程并修正剪胀方程,将结构性土统一硬化(UH)模型扩展为胶结结构性土统一硬化(UH)模型。相对于原模型,新模型增加了1个模型参数,即初始胶结应力,反映土颗粒之间的初始胶结作用。通过4种结构性土试验数据与模型预测对照表明：所提模型能够较合理地描述结构性土等向压缩、常规三轴排水与不排水剪切等特性。     

土的三重屈服面应力-应变模型与SMP准则的结合

土的三重屈服面应力应变模型在国内有一定的影响力,它把土的塑性应变分成3部分,每一部分对应一个屈服面,分别为压缩屈服面、剪切屈服面和剪胀屈服面,从而在一定程度上反应了土的基本特性。但它在由三轴压缩应力状态向其它应力状态转化时,塑性系数需要重新确定,比较繁琐。而SMP准则能合理反映土的破坏特性,在国际上有一定的影响力。借用应力变换三维化方法,通过把土的三重屈服面应力应变模型和SMP准则相结合,使得原有的模型在不做任何假设的条件下,采用统一的塑性系数,由三轴压缩应力状态简单地转化到一般应力状态,并且能够考虑应变的分叉特性,能合理地预测已有的试验数据。     

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。     

硅藻质软岩的三维弹粘塑性模型分析

基于Perzyna的弹粘塑性理论的基本假设、粘塑性流动法则及殷建华和Graham的三维弹粘塑性模型,得出了在三轴应力状态下的本构关系表达式。殷建华和Graham的模型提出了“等效时间”,“瞬时时间线”,“参考时间线”,“极限时间线”等一系列新的概念。用三轴应力状态下的本构关系表达式对软岩的固结不排水三轴剪切试验进行了模拟计算,并与试验结果进行了比较。结果表明：数值模拟计算结果与试验结果几乎一致。该模型简单、实用、精度较高,可以模拟硅藻质软岩材料与时间有关的应力-应变关系、孔隙水压力与应变的关系,以及有效应力路径等。