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。     

含水量对高含冰量冻结砂土屈服面的影响

以往关于冻土屈服特性的研究很少考虑含水量的影响,但实际工程中经常遇到的是变含水量情况,因此本文通过-5.0℃条件下高含冰量冻结砂土的一系列三轴压缩试验,系统地研究了含水量对屈服特性的影响,并且由此建立了带有含水量参数的偏应力-剪应变增量型关系式。试验结果表明：随含水量的变化,应力-应变曲线类型有明显变化,即在不同的含水量区间,含水量对硬化规律有不同的影响特性,因此为了使屈服函数的形式更加简单和提高拟合准确度,对于屈服函数的具体形式应该根据塑性剪应变（硬化参数）和含水量不同区间进行分别确定;当塑性剪应变较小时（0.00%~1.00%）,随含水量的增大,偏应力逐渐增加,而当塑性剪应变较大时（大于1.00%）,随含水量的增大,偏应力有一个先减小后增大的变化过程,并且42.0%可以作为含水量转折点;通过分段硬化原则建立的带有含水量参数的屈服函数与偏应力-剪应变的增量型关系式的模拟值与试验点基本相吻合,这说明得到的屈服函数与偏应力-剪应变的增量型关系式可以用于不同含水量条件下屈服面和偏应力-剪应变曲线的预测。     

非饱和黄土的弹塑性软化本构模型

通过对陕西杨陵地区的非饱和黄土进行等应力比压缩试验和常规三轴试验,在对试验结果的应力-应变曲线特性进行分析的基础上,由试验结果直接确定屈服函数,根据Drucker公设,即相适应的流动法则,选择合适的硬化参数,建立了非饱和黄土的弹塑性本构模型,并将模型计算结果与试验结果进行比较。结果表明,该模型能够较好地模拟非饱和黄土与固结应力有关的应变软化现象,计算的变形规律与试验结果基本吻合。     

基于热力学的临界状态模型的返回映射算法及实现

相对于其他临界状态模型,基于热力学的临界状态（TCS）模型不需要引入塑性势假设,能够自动满足热力学定律。通过对TCS的修正,使其能够模拟初始K0固结的影响,利用了返回映射算法进行了TCS模型的ABAQUS本构二次开发,通过与ABAQUS内嵌的修正剑桥模型（MCC）计算结果的对比,证实了该程序的可靠性。对模型中的2个控制屈服面形状的参数进行了讨论,分析了它们对应力-应变关系与剪胀关系的影响,修改TCS模型参数可以实现非椭圆的屈服面,进而拓展了模型的适用范围,不同的参数对于屈服面形状和大小的影响也有所不同。同时还比较了采用考虑K0固结及旋转硬化的TCS模型与不考虑K0固结及旋转硬化的MCC模型所得到的应力-应变关系与剪胀关系的差异。对于真实土体,K0固结及旋转硬化是土体的基本力学特性。最后证明了TCS模型较MCC模型（模型中没有考虑旋转硬化与K0固结对硬化规律的影响）可以很好地模拟该特性,所以更加有效。     

不同固结条件下黏土数值化建模的研究

研究了不同初始固结压力条件对黏土本构关系的影响。进行了2组不同固结条件下的排水压缩试验,即等压固结条件和K0固结条件。采用数值建模方法,以 和 为硬化参数的双屈服面模型为框架,通过对试验数据空间的反演获得两种不同初始条件下的黏土弹塑性本构关系,并在整个应力场 可视化。将该数值模型嵌入有限元程序对三轴压缩试验进行数值模拟,并与试验曲线及相同路径下的剑桥模型和Duncan-Chang模型关系曲线进行对比。结果表明,数值建模方法有较好的容错性,能很好地反映应力历史的影响,能模拟真实应力路径。     

适用于砂土循环加载分析的边界面塑性模型

基于临界状态土力学框架,建立了一个适用于砂土排水循环加载的边界面塑性模型。采用了考虑虚拟峰值应力比的偏应变硬化准则,初始加载阶段应力点位于边界面上,反向加载阶段以历史最大屈服面作为边界面,同时实现了对密砂软化现象的模拟和对历史所受最大应力的记忆。边界面采用修正的椭圆形,引入考虑密度与应力水平的状态相关剪胀函数,采用非相关联流动法则和以应力反向点作为映射中心的径向映射准则。模型仅有10个参数,通过常规三轴试验即可确定,并且使用一套参数可以模拟不同围压、密度的单调和循环加载情况。分别对饱和砂土的单调、循环排水三轴试验进行模拟,结果表明,该模型能够合理地反映饱和砂土排水条件下的应力-应变特性。     

堆石料状态相关弹塑性本构模型

堆石料的强度变形特性与初始孔隙及应力状态等因素相关。建立了能够预测不同初始孔隙与初始围压影响的堆石料弹塑性本构模型。在剑桥类本构模型框架内,模型能够反映随着孔隙与围压的增大,变形特性由剪胀趋于剪缩的规律。模型采用了基于颗粒体材料细观结构变化的屈服函数和非关联流动准则,提出了能够反映堆石料正常固结线不唯一的硬化参数。为了反映状态相关性,假定堆石料存在唯一的临界状态面,探讨了考虑状态相关性需要满足的数学条件,从而对剪胀方程与硬化参数进行了修正。提出了基于粒子群优化算法的模型参数快速确定方法,将某筑坝堆石料不同初始孔隙比与围压条件下模型预测结果与三轴试验结果对比,验证了模型的合理性。     

以塑性功为硬化参数的Q2原状黄土弹塑性模拟

为了研究非饱和Q2原状黄土的力学特性,通过三轴压缩试验、各向等压试验和三轴试验卸载、再加载试验获得Q2原状黄土的力学参数,并结合弹塑性力学理论,推导出Q2原状黄土的屈服函数和以塑性功为硬化参数的硬化规律,采用相关联流动规则,建立非饱和Q2原状黄土弹塑性本构模型。通过模型计算与试验实测值比较,表明该模型基本上能反映Q2原状黄土的力学特性。     

一个考虑循环荷载作用的简化模型

基于塑性硬化模量场理论和多重屈服面模型,结合各向同性硬化准则和移动硬化准则,在新的应力空间建立了一个新型不排水循环荷载作用下的多屈服面模型,并推导了一个适合三轴试验的简化的多屈服面模型。在此基础上,结合一个循环荷载作用下的动孔压模型,进行了饱和软黏土的动三轴模拟试验。结果表明,文中建立的多屈服面模型能够较好地模拟循环三轴试验、直剪试验和平面应变条件下的试验。     

高低压下不同力学特性的砂土统一模型

为构建能够反映砂土高低压下不同力学特性的统一模型,分析了砂土在较大的压力范围内的力学试验结果并获取其强度、等向压缩以及临界状态特性参数。通过引入应力路径相关因子来修正塑性应变增量中与应力路径相关的部分,从而使得模型硬化参量能够反映密实砂土在常压下的剪胀特性。同时,基于砂土的临界状态特性提出能够与砂土内部状态相对应的潜在状态面概念,由屈服面与潜在状态面间的动态关系确定加载过程中的动态密实参数及潜在强度,进而使得硬化参量也能够反映密实砂土在常压下的软化特性及高压下的剪缩、硬化特性。分析模型屈服面及潜在状态面间的演化规律并对不同压力等级下的砂土受荷力学行为进行模拟预测,证实了该模型能够反映密实砂土常压下剪胀软化及高压下剪缩硬化的特性。     

A theoretical framework for constructing elastic/plastic constitutive models of triaxial tests

Modern ideas of thermomechanics are used to develop families of models describing the elastic/plastic behaviour of cohesionless soils deforming under triaxial conditions. Once the form of the free energy and dissipation potential functions have been specified, the corresponding yield loci, flow rules, isotropic and kinematic hardening rules as well as the elasticity law are deduced in a systematic manner. The families contain the classical linear frictional (Coulomb type) models and the classical critical state models as special cases. The generalized models discussed here include non‐associated flow rules, shear as well as volumetric hardening, anisotropic responses and rotational yield loci. The various parameters needed to describe the models can be interpreted in terms of ratio of the plastic work, which is dissipated, to that which is stored. Non‐associated behaviour is found to occur whenever this division between dissipated and stored work is not equal. Micro‐level interpretations of stored plastic work are discussed. The models automatically satisfy the laws of thermodynamics, and there is no need to invoke any stability postulates. Some classical forms of the peak‐strength/dilatancy relationship are established theoretically. Some representative drained and undrained paths are computed. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

宏-细观结合的砂土单剪试验非共轴特性分析

针对传统本构理论无法描述土体单剪试验非共轴变形的不足,采用非共轴修正模型进行改进。模型基于材料状态相关临界状态理论,采用宏-细观结合的方法,将1个新的各向异性状态变量引入本构模型来描述砂土的各向异性。考虑细观组构张量和应力张量的几何关系的变化,模型可以描述砂土在主应力轴旋转条件下材料状态的变化,材料状态变化直接导致模型的硬化规律和剪胀性发生变化,因此,模型可以描述该条件下原生向异性对砂土变形的影响。引入非共轴理论对本构模型进行修正,建立了三维非共轴各向异性模型。单剪试验的加载条件会造成主应力轴相对土体沉积面发生旋转,修正模型不但能够描述砂土在主应力轴旋转条件下其原生各向异性对变形的影响,而且可以描述主应力轴旋转造成的应力诱发各向异性对土体变形的影响,因此,该模型能够对整个单剪试验的变形规律进行描述,而且物理意义清晰。通过铝棒堆积体和Toyoura砂单剪试验验证表明,非共轴修正各向异性模型能对单剪试验的整个变形过程进行较好的模拟。     

基于热力学定律的土体动力Hardin-Drnevich模型再认识

从Masing二倍法构造的Hardin—Drnevich模型的卸荷再加荷滞回曲线出发,以热力学定律为基础,考虑了塑性中心的移动为直线和骨架曲线两种情况下的耗散函数表达形式,应用Ziegler正交条件,通过对耗散函数求一阶偏导,得到耗散应力空间中的屈服函数表达式,并引入耗散应力和真实应力之间的差别项即转移应力,从而得到真实应力空间中的屈服函数。屈服曲线的绘制表明了对于塑性中心的不同转移规律,屈服曲线遵循同样的变化规律：应变在某一范围内,剪切形的屈服曲线是直线形式;当应变超过某一阈值时,剪切形的屈服曲线呈现弯曲。此外,还给出了应变的阈值。     

岩土材料应力路径无关硬化参量的构成方法

在分析砂土试验结果的基础上,揭示了基本硬化内参量（塑性体积应变、塑性剪应变）变化的应力路径相关性,提出了应力路径无关硬化参量的一般表达式。并指出了塑性功硬化参量及其提出的黏土和砂土统一硬化参量均是所提一般表达式框架下的特例。还将该统一硬化参量直接和修正剑桥模型结合,并与试验结果对比,表现出描述剪胀特性的简单性和有效性。     

Incrementalization of a single hardening constitutive model for frictional materials

The governing equations for an elasto‐plastic constitutive model for frictional materials such as soil, rock, and concrete are presented, and the incremental form is indicated in preparation for implementation of the model in a user‐defined module for finite element calculations. This isotropic, work‐hardening and ‐softening model employs a single yield surface, it incorporates non‐associated plastic flow, and its capability of capturing the behaviour of different types of frictional materials under various three‐dimensional conditions has been demonstrated by comparison with measured behaviour, as presented in the literature. The incrementalization procedure is indicated and the resulting equations for the single hardening model are presented together with parameters for a dense sand. Following the implementation of the model, these parameters are used for evaluation of different integration schemes as presented in a companion paper by Jakobsen and Lade (Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. 2002; 26 :661). Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

Improved rotational hardening rule for cohesive soils and definition of inherent anisotropy

Improved, microfabric‐inspired rotational hardening rules for the plastic potential and bounding surfaces associated with the generalized bounding surface model for cohesive soils are presented. These hardening rules include 2 new functions, f_η and , that improve the simulation of anisotropically consolidated cohesive soils. Three model parameters are associated with the improved hardening rules. A detailed procedure for obtaining suitable values for these parameters is presented. The first 2 parameters affect the simulation of constant stress ratio loading where, because of the presence of f_η, the third parameter is inactive. The second new function, , accelerates the rotation of the plastic potential and bounding surfaces during shearing, which is particularly important for overconsolidated soils tested in extension. This paper also describes the proper manner in which to define the inherent anisotropy. This seemingly straightforward test has rarely been discussed in sufficient detail.     

砂土海床中海底管道贯入阻力演化特征及细观机制研究

理解海底管道竖向贯入过程是科学评估管道安装期间初始埋深及服役期间安全性和稳定性分析的关键。通过土工离心机模型试验,结合离散元数值分析研究了真实应力水平下不同密实度砂土中海底管道竖向贯入阻力演化特征及细观机制。研究结果显示,对于中密砂,管道贯入阻力曲线主要表现为硬化特征;对于密砂,贯入阻力曲线整体上呈现周期性软化特征,且埋深越大,软化程度越大。离散元计算分析表明,造成该现象的原因是不同密实度砂土中管道贯入的土体流动及破坏机制不同,且贯入阻力的演化与剪切带的形成与发展密切相关。利用现行海底管道设计规范评估密砂中管道埋深时应充分考虑其贯入阻力随深度的演化特征,当管道埋深初步评估大于0.1D(D为管径)时,应结合计算结果上下限值合理预测管道埋深。