基于状态相关本构模型的砂土非共轴特性模拟

基于屈服面角点非共轴理论中采用Gram-Schmit正交化方法,提出了一种新的非共轴本构模型。模型修正了原有的流动法则,其中非共轴流动方向被定义为将单位应力增量方向在参考主应力正交方向上的投影,同时与塑性标量因子相关联。另外,根据广义应力的状态下的剪胀方程推导了一种新的塑性函数形式。以状态相关砂土模型为基本模型,分别采用新的非共轴模型和未修正的模型模拟了Toyoura砂的空心圆柱单剪试验和空心圆柱扭剪试验,将模型模拟的结果与试验数据进行对比,结果表明,新非共轴模型能更为合理地反映试验中非共轴现象及其变化规律,特别是固定主应力轴方向的单调剪切试验。     

非共轴本构模型的数值计算问题

应用角点非共轴本构模型结合有限元方法分析浅基础的受力沉降问题。当非共轴塑性模量较小时,包含非共轴模型子程序的ABAQUS的非线性计算可能不收敛。深入地分析表明,不收敛问题是由于在塑性变形刚开始时,非共轴的塑性应变增量明显大于共轴的塑性应变增量。为了克服数值不收敛问题,对原有的角点非共轴模型加以改进。在改进的模型中,非共轴塑性模量是累加塑性剪应变的函数。计算结果表明,这个改进的非共轴模型提高了非线性计算的收敛性,同时保持了原有非共轴模型的功能。     

基于临界状态模型的砂土非共轴本构模拟

传统的砂土本构理论隐含了应力和塑性应变率的共轴条件,无法客观描述主应力轴旋转试验中的非共轴现象,并且当密度和围压变化较大时也不适用。基于材料状态相关砂土临界状态概念,将Pietruszczak和Stolle所提出的砂土本构模型进行了改进,并在模型中引入非共轴塑性流动理论来描述非共轴现象。通过对单剪试验和空心圆柱试验进行数值模拟,表明基于临界状态理论的非共轴模型能够合理描述主应力轴旋转过程中砂土的非共轴变形特性     

列车荷载引起心形应力路径下软土非共轴应变特征研究

采用空心圆柱仪对重塑空心软黏土试样开展了一系列非破坏试验,研究了列车循环动荷载作用下的性状。试验中主要选取心形应力路径,以圆形应力路径为辅助,对比分析了两种应力路径下软土的非共轴应变特征,探究循环振次对非共轴特性的影响、荷载频率的大小对非共轴角与大主应力方向角关系曲线形态变化的影响,同时进行了机制分析,并与另一动应力水平下试验结果进行了对比论证。此外,在不考虑频率影响下建立了简化的非共轴角与大主应力方向角之间的关系模型。研究发现,在大主应力方向角旋转的任意周期内,心形与圆形两种应力路径下非共轴角随大主应力方向角变化趋势各自有明显特点,相同动应力水平下两种应力路径产生的偏应力增量引起的单位偏应变增量大小也有所区别,但在大主应力方向角旋转的局部角度内,两种应力路径下的偏应变增量相近;心形应力路径下的非共轴角以及偏应力增量引发的单位偏应变增量大小受循环振次的影响不明显,任意振次中大主应力方向角在[-30°,40°]弧度区间内对应的偏应变增量远大于该区间之外的偏应变增量;随着频率增大,非共轴角随大主应力方向角的变化呈现越来越明显的波动。     

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。     

从各向异性的角度解释和模拟土的非共轴特性

从发挥面的角度出发,分析论证各向异性是引起岩土材料出现非共轴现象的根本原因,得到与材料力学一致的结论。当共轭的两发挥面与沉积面的夹角不相等时,主应力面上将出现塑性应变增量的切向分量,所以塑性应变增量的主方向与应力的主方向非共轴。按照这一结论,对非共轴的数值模拟,也应当根据各向异性本构模型进行。为考虑各向异性影响新近提出的各向异性变换应力法,改变了各应力分量的相对大小,得到的各向异性变换应力张量与真实应力张量的主方向不一致,因此也能反映非共轴。利用各向异性变换应力法,能够在现有的弹塑性本构模型的框架下,描述土的非共轴现象。以各向异性UH模型为例,预测各种加载条件下的非共轴变形,验证了该方法的有效性。     

三维应力状态下砂的临界状态本构模型分叉分析

就服从非关联流动法则软化型砂的临界状态本构模型,在不同应力路径下的分叉进行了理论和数值分析。理论分析表明：分叉现象强烈依赖于应力路径,即当平均应力p一定时,应力路径在洛德角在-25o～15o之间时,均会在应力-应变关系硬化阶段出现分叉现象,而其他应力路径下不会产生分叉。并且分叉时对应的应力比、主应变及剪切带倾角都随洛德角的增加而变化,其值是先增加而后减小。采用回映应力更新算法,编写了该本构模型材料子程序,借助有限元软件ABAQUS及材料子程序,通过数值计算方法预测到了分叉点所对应的应力状态,表明了分叉现象在数值计算中的存在性,并通过数值预测值和理论解的对比,两者结果基本一致。     

极限分析有限元法讲座Ⅲ--增量加载有限元法求解地基极限承载力

利用有限元法,通过增量加载的方式来求解地基极限承载力。随着荷载的逐渐增加,地基由初始的线性弹性状态逐渐过渡到塑性流动的极限破坏状态,此时有限元的计算将不收敛。它不但可以获得地基的极限荷载的值及荷载-位移关系,而且还能得到经典极限分析法中所采用到的破坏机构。当采用关联流动法则或采用剪胀角为 φ/2 的非关联流动法则时,获得的破坏机构与 Prandtl 的破坏机构一样。对 Prandtl 解的经典算例进行了分析,结果表明:屈服准则的选用对计算结果的影响很大,选择与实际问题相匹配的屈服准则方能得到比较精确的结果。在求解平面应变问题时,在关联流动法则条件下,采用Mohr-Coulomb 内切圆屈服准则,或在非关联流动法则下采用 Mohr-Coulomb 匹配 DP 准则所得结果与 Prandtl 精确解极为接近,可望应用于实际工程分析中。     

主应力轴变化下非共轴对砂土剪胀特性影响

传统塑性剪胀模型在描述应力比和塑性应变增量关系时都是基于共轴塑性流动法则,从而认为土体的剪胀性仅与应力比有关。大量试验结果表明,在涉及主应力轴变化的复杂应力条件下塑性流动过程中应力-应变是非共轴的,因而在分析砂土剪胀特性时非共轴是不可忽视的因素。为了研究主应力轴变化的复杂应力条件下非共轴对砂土剪胀特性的影响,利用空心圆柱仪对饱和砂土进行了一系列定轴剪切试验、纯主应力轴旋转试验以及组合加载试验。试验结果表明,不同应力路径下应力-应变非共轴都会引起剪胀曲线偏离Rowe直线,通过Gutiereez提出的考虑非共轴因子的修正剪胀方程可以修正非共轴引起的偏差,从而使得Rowe剪胀方程适用于涉及主应力轴旋转等更加复杂的加载条件。     

岩石应变软化本构模型建立及NR-AL法求解研究

针对岩土工程材料应变软化问题及有限元对其数值计算时切线刚度矩阵负定造成求解困难的问题进行研究。建立了基于Drucker-Prager（D-P）强度准则的岩石弹塑性应变软化本构模型,本构积分算法采用一种完全隐式返回映射算法,它具有无条件稳定和精确的特点,详细论述了如何进行本构模型的程序化求解;考虑弧长法在判断切线刚度矩阵正定性导致效率低的缺点,在弹塑性增量有限元方程的迭代计算中尝试采用Newton-Raphson法和arc-length法（NR-AL法）联合迭代求解的思路,即在结构未达到极限荷载前采用NR迭代法,而当结构接近极限荷载时转换为AL法控制迭代,从而使结构越过峰值点进入软化区直至破坏,NR-AL法汲取了2者迭代求解中具有的优势;利用C++语言对所建应变软化模型的本构求解和弹塑性增量有限元方程迭代求解过程给予程序实现,应用所编程序进行数值计算,分析了D-P理想弹塑性模型、应变软化模型、应变硬化模型计算的应力-应变曲线的区别,同时将应变软化模型计算结果与试验数据进行了对比。研究结果表明：所建应变软化本构模型可以较好地模拟岩石材料的峰后软化特性,能够揭示峰后应变软化特性和破坏机制,同时NR-AL法能够求解由于应变软化造成的负刚度问题,也克服了单独使用弧长法时判断切线刚度矩阵正定性效率低的缺点。     

Implicit integration of elastoplastic relations with reference to soils

The stress solution in plasticity with an associated or a non-associated flow rule is considered. Upon fully implicit integration of the relevant constitutive relations the stress is obtained as the projection of the (fictitious) elastic stress onto the yield surface for given values of the hardening softening variables. This projection is defined, for a general non-associated flow rule, in adjusted complementary elastic energy, which becomes exactly the complementary energy when the flow rule is associated. Isotropic elasticity and mean-stress dependent isotropic yield criteria (pertinent to soil) are considered and the implications of a certain class of non-associated flow rules are evaluated. This class relates to dilatant (or contractant) materials and involves non-associated plastic volume change. The corresponding stress solutions are shown to be strongly influenced by Poisson's ratio and by the dilation angle.     

Structural softening,mesh dependence,and regularisation in non-associated plastic flow

A severe dependence of numerical simulations on the mesh density is usually attributed to the presence of strain softening in the constitutive relation. However, other material instabilities, like non-associated plastic flow, can also cause mesh sensitivity. Indeed, loss of ellipticity in quasi-static analyses is the fundamental cause of the observed mesh dependence. It has been known since long that non-associated plastic flow can cause loss of ellipticity, but the consequence for mesh sensitivity, and subsequently, for the difficulty of the equilibrium-finding iterative procedure to converge have remained largely unnoticed. We first demonstrate at the hand of a biaxial test structural softening and a marked mesh dependence for an ideally plastic material equipped with a non-associated flow rule. The phenomena are then analysed in depth using an infinitely long shear layer. Finally, it is shown that the mesh effect disappears when the standard continuum model is replaced by a Cosserat continuum, a well-known regularisation method for strain-softening constitutive relations.     

基于光滑粒子流体动力学的流动法则对土体滑坡大变形的影响探讨

光滑粒子流体动力学（SPH）是近年来发展起来的一种纯拉格朗日无网格法,并因其在大变形领域内的优势而受到广泛关注。在进行滑坡大变形分析时,流动法则及剪胀角的选取对于边坡失稳后的运动特性有重要的影响。采用Fortran自行编写了基于SPH的边坡稳定性及失稳后大变形分析程序,然后通过2个经典的算例,讨论了不同流动法则及剪胀角的选取对滑坡大变形分析精度的影响。结果表明：（1）剪胀角的选取对土体失稳后的滑动距离有显著影响,随着剪胀角的增大,土体的滑动速度与距离呈明显增大趋势;（2）在关联性流动法则及非关联性流动法则? =1/2? （? 为剪胀角,? 为摩擦角）条件下,土体在大变形过程中会产生过度膨胀,且运动速度与距离要大于实际情况,而采用关联性流动法? =0时,对于非膨胀土可以得到比较令人满意的结果,但对于膨胀土体会使得运动速度和运动距离过小,不符合实际情况。建议在计算膨胀土大变形时,采用非关联性流动法则且适当考虑膨胀性（? =(0.1～0.2)? ）,可以得到较好的结果。     

基于统一强度理论深埋圆形隧道围岩的剪胀分析

基于连续介质理论中岩体的剪胀角与围压和塑性剪切应变密切相关,隧洞周边岩体的应力状态因开挖卸荷而发生应力重分布,迫使其围压由原地应力逐渐衰减,塑性剪切应变不断增加,引起剪胀效应呈非线性变化。首先,基于统一强度理论和非关联流动法则,将潜在塑性区围岩按等围压释放划分为若干同心圆,提出了考虑中间主应力和非线性剪胀性的有限差分法,计算应变软化围岩的力学问题,并以实例验证其正确性。其次,通过参数分析,研究塑性区内岩体的剪胀角受中间主应力、临界软化系数和支护力的影响规律。研究结果表明,中间主应力主要影响剪胀角的峰值,随着中间主应力效应增加,剪胀峰值增加;临界软化系数主要影响剪胀角的变化率,随着临界软化系数的增加,剪胀角变化缓慢;中间主应力和临界软化系数共同影响塑性区剪胀角的变化;随着支护力的增加,洞壁处的剪胀角增加;双剪强度理论计算的位移值较小,应谨慎采用,同时采用Mohr-Coulomb强度准则时可以适当考虑围岩的承载潜力。     

Constitutive modelling of granular materials using a contact normal-based fabric tensor

This paper presents a fabric tensor-based bounding surface model accounting for anisotropic behaviour (e.g. the dependency of peak strength on loading direction and non-coaxial deformation) of granular materials. This model is developed based on a well-calibrated isotropic bounding surface model. The yield surface is modified by incorporating the back stress which is proportional to a contact normal-based fabric tensor for characterising fabric anisotropy. The evolution law of the fabric tensor, which is dependent on both rates of the stress ratio and the plastic strain, rules that the material fabric tends to align with the loading direction and evolves towards a unique critical state fabric tensor under monotonic shearing. The incorporation of the evolution law leads to a rotational hardening of the yield surface. The anisotropic critical state is assumed to be independent of the initial values of void ratio and fabric tensor. The critical state fabric tensor has the same intermediate stress ratio (i.e. b value) and principal directions as the critical state stress tensor. A non-associated flow rule in the deviatoric plane is adopted, which is able to predict the non-coaxial flow naturally. The stress–strain relation and fabric evolution of model predictions show a satisfactory agreement with DEM simulation results under monotonic shearing with different loading directions. The model is also validated by comparing with laboratory test results of Leighton Buzzard sand and Toyoura sand under various loading paths. The comparison results demonstrate encouraging applicability of the model for predicting the anisotropic behaviour of granular materials.

     

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。     

基于Hoek-Brown准则的隧洞围岩变形研究

由于在许多实际条件下,比如节理岩体中,线性的M-C准则不太适用,非线性的Hoek-Brown比较适用,因此,可以尝试使用这一非线性屈服准则对洞室变形进行研究。研究隧洞变形时,将围岩分为弹性区、应变软化区、塑性流动区。采用Hoek-Brown准则和非关联流动法则对洞室变形进行了理论推导;软化区域围岩参数随着塑性变形增加而变化,解析法难以求得应力,采用龙格－库塔方法进行数值计算,求解得到塑性软化区和流动区半径,并最终求得洞室变形。通过算例计算表明,在不考虑软化区和流动区时,方法和Carranza-Torres计算结果相差甚小;随着原岩应力的增加,膨胀角对洞室变形的影响增大。     

岩土材料在非关联流动法则下剪胀角选取探讨

岩土材料属于摩擦型材料,其强度特性时参数指标的选取至关重要。当前对剪胀角存在模糊认识,导致在理论分析和数值模拟分析中常会产生较大误差。在分析传统的滑移线场理论的基础上,采用广义塑性理论,证明了岩土材料在非关联流动法则条件下的剪胀角应取? /2,且此时体变必为0。通过对具有精确理论解的经典Prandtl地基承载力课题的数值模拟分析,分别对关联流动法则、非关联流动法则剪胀角取? /2及非关联流动法则剪胀角取0三种情况下地基的承载力进行了计算。结果表明,上述3种情况下得到的极限荷载的误差为2 %,但滑移线场与理论解有较大差异。其中,在非关联流动法则条件下,采用剪胀角? =? /2所得到的滑移线场与Prandtl理论解一致,而采用? =0所得到的滑移线场与理论解有较大的偏差。这说明目前在非关联流动法则条件下采用? = 0虽然可得到相应的正确的极限荷载,但是相应的滑移线场具有较大的误差,同时也证明了岩土材料在非关联流动法则条件下的剪胀角应该选取? /2,而不是目前通常采用的0。     

Application of a non-coaxial soil model in shallow foundations

The influence of a non-coaxial model for granular soils on shallow foundation analyses is investigated. The non-coaxial plasticity theory proposed by Rudnicki and Rice (J. Mech. Phys. Solids 1975, 23, 371–394) is integrated into a Drucker–Prager model with both perfect plasticity and strain hardening. This non-coaxial model is numerically implemented into the finite-element program ABAQUS using a substepping scheme with automatic error control. The influence of the non-coaxial model on footing settlement and bearing capacity is investigated under various loading and boundary conditions. Compared with the predictions using conventional coaxial models, the non-coaxial prediction results indicate that the settlement of a footing increases significantly when the non-coaxial component of plastic strain rate is taken into consideration, although ultimate footing bearing capacities are not affected significantly. The non-coaxial model has a different effect on footing settlements under different loading and boundary conditions. In general, the discrepancies between coaxial and non-coaxial predictions increase with increasing rotation of principal stresses of the soil mass beneath a footing. It can be concluded that if the non-coaxial component of plastic strain rate is neglected in shallow foundation problems using the finite-element method, the results tend to be non-conservative when designs are dominated by settlement of footings.