适用于饱和粘土循环动力分析的新型边界面塑性模型

为了合理评估嵌入式海洋工程结构在海洋环境中的动力响应和工作性能，建立一种形式简单且能真实模拟饱和土体复杂动力特性的本构模型显得极为必要。本文基于广义各向同性硬化准则提出了适用于描述循环荷载作用下饱和粘土复杂动力特性的新型边界面塑性模型。模型引入广义各向同性硬化中心，实现边界面的等向硬化和运动硬化，以反映循环荷载作用下饱和粘土各向异性的演化；同时，土体的连续循环加载过程被分为三类加载事件：初始加载，卸载和再加载事件，采用不同的插值公式计算其塑性模量，以模拟循环塑性应变和孔压的累积；以该硬化中心作为映射中心，从而体现土体在卸载过程中产生的塑性变形，合理地模拟循环荷载作用下土体应力应变关系的滞回特性。应用该模型对饱和粘土在短期较高应力水平下和长期低应力水平下的循环动力特性进行预测，并与相关文献中的试验数据比较，证明了该模型的合理性。     

循环荷载下软黏土的各向异性边界面模型

在各向同性边界面理论框架中,通过引入各向异性张量,提出了适用于描述循环荷载作用下软黏土各向异性的边界面本构模型。本模型通过初始固结应力状态确定各向异性张量的初始值,并通过各向异性张量的旋转硬化准则反映循环荷载作用下各向异性的演化。同时,在映射准则中,将映射中心由固定改为可移动,以反映循环荷载作用下土体的滞回特性。从而将一般边界面模型扩展,使其可描述复杂应力状态下饱和软黏土的动力特性。通过与上海软黏土的室内循环三轴试验结果以及文献中相关试验结果的比较,验证了所提出的本构模型的合理性。     

长期循环荷载作用下粉质黏土动力特性及相关模型修正

循环荷载长期作用特征直接影响着粉质黏土的动力变形特性及土体结构的稳定性。运用SDT-10型动三轴仪对饱和粉质黏土进行高达20 000次的循环振动,分别控制固结围压、动应力比和振动频率,研究不同荷载条件下粉质黏土的塑性应变、残余孔压特性。研究结果表明:3项荷载条件都对土体的累计塑性变形和残余孔压有至关重要的影响。累计塑性应变在动力荷载持续作用下不断累积,曲线呈现出S型和J型,运用改进的种群增长模型以及改进的指数模型分别能很好拟合累计塑性应变随振动次数的发展规律,随围压、动应力比的增长呈正相关变化,随频率的增加呈反比下降。残余孔压比在正弦波的振动下不断增大,运用改进Seed孔压模型能在一定程度上模拟残余孔压变化规律,随动应力比、频率的增加而增大,随围压的增加而减小。研究成果深化了动力条件下黏土变形特性的认识,为循环荷载长期作用下土体的强度衰减和变形预测提供借鉴和参考。     

双向激振对饱和软黏土应力应变循环刚度软化的影响

地震荷载作用将引起土体孔隙水压力上升，从而使土体的刚度、强度发生软化现象。循环软化是地震荷载作用下土体发生破坏的主要原因。本文利用双向动三轴试验系统，通过双向激振循环荷载试验对地震荷载的作用进行了模拟。并对双向激振循环荷载作用下饱和软黏土每一次循环内刚度软化现象进行了初步的探讨。分析了循环次数、循环偏应力比、径向循环应力比、初始剪应力等因素对双向激振循环作用下软黏土刚度变化规律的影响。研究结果表明：双向激振下，当循环偏应力比小于临界循环偏应力比时，饱和软黏土存在临界屈服应变，当应变幅值小于该值时，割线剪切模量逐渐增加不发生软化现象；只有在应变幅值大于该值的情况下才发生软化。循环偏应力比的增加、径向循环应力的提高都将加快刚度软化。双向激振下，随着初始剪应力的增加，刚度有所提高。并在试验的基础上建立了双向循环荷载作用下饱和软黏土的刚度软化模型。以该软化模型作为Masing准则的放大系数对双向激振下土体的应力－应变关系进行了描述，得到了与实测较吻合的结果，同时也验证了本文软化模型的准确性。     

轴向循环加载卸载条件下饱和软土变形特性试验研究

研究循环加卸载条件下软黏土的强度和变形特性具有一定的工程实践价值。利用自行改进和研制的连续加载一维K_0固结仪对饱和软土进行轴向循环加卸载试验。结果表明:各级卸载应力-应变曲线是双曲线,再加载曲线应力-应变关系在上级卸载载荷之前为双曲线,超过卸载载荷为直线,呈现不断硬化的现象,试样产生塑性变形和弹性变形,且塑性变形和弹性变形分别与卸载等级呈线性关系;以原有双曲线本构关系为基础,利用各级加载轴向最大应力和初始切线模量,卸载曲线的轴向最大应变和初始割线模量,引入新的模型参数,从而建立轴向循环加卸载的本构方程,并验证了其可靠性。对各级塑性滞回能进行了计算,随着卸载应力水平的增大,塑性滞回能不断增大,且通过拟合加卸载过程中消耗的塑性滞回能与卸载应力水平呈良好的二次曲线关系。     

超固结非饱和土的弹塑性双面模型

为了研究超固结非饱和土具有的应变软化和剪胀等复杂的力学特性,在弹塑性理论框架内,将巴塞罗那基本模型（BBM）与一种可描述材料循环塑性的硬化法则相结合,建立一个在静态及循环荷载作用下超固结非饱和土的弹塑性双面模型。该模型含有一个边界面和一个加载面,二者在应力空间中随着加卸载进行演化。采用径向映射法则和移动的记忆中心原理来反映超固结非饱和土的循环塑性特征。模型考虑了吸力和超固结的影响,在吸力等于零的时候退化为饱和黏性土的弹塑性双面模型;在无超固结且吸力不等于零的情况下退化为BBM模型。通过与相关静态试验数据的比较,所建模型可以较好地反映静态加载下超固结非饱和土的力学特征;此外,还利用模型对超固结非饱和土的动态力学特性进行了预测。     

循环剪切作用下砂土变形特性的颗粒流模拟试验

循环荷载作用下,砂土的应力应变关系会出现非线性、滞回性的性质,且砂土的变形会出现加载剪胀、卸载剪缩的性质。采用颗粒流软件模拟砂土在循环剪切条件下的变形特性,包括循环应力比、应力水平对变形特性,阐明砂土宏观力学特性及细观工作机理,为建立更为合理的土体本构模型提供参考,并对不良砂土地基防治具有一定的指导。     

饱和砂土静动力剪切特性对比分析

在相同的初始应力条件下,通过进行循环扭剪试验和单调剪切试验,对比了初始固结应力状态完全相同时,饱和砂土的静动力剪切特性的相关性。试验结果表明,在初始固结应力状态相同的情况下,单调剪切和循环扭剪过程中,应力-应变关系的应变软化和硬化特性与流滑变形和循环流动特性具有密切的相关性,尽管在两种加载模式下都出现应变软化特性,但偏应力比增长均表现出硬化特性,增长模式也几乎一致,能作为静动力本构模型的物理基础。这一结果为对静力条件下的弹塑性模型进行修正和推广,从而进一步描述动荷载条件下的应力-应变特性的本构模型的建立提供了依据。     

混凝土在循环荷载下变形特性及加载曲线包络线的研究

为研究混凝土在循环荷载下的变形特性,进行了2种不同应变速率下(10^-5/s,10^-4/s)混凝土轴向循环加卸载试验,对混凝土残余塑性应变与卸载点应变的关系及其共同点应变与卸载点应变的关系进行深入分析,并采用改进的Weibull统计模型对循环加卸载曲线的包络线进行拟合。研究结果表明混凝土在循环加卸载作用下应力应变曲线的包络线与单调荷载作用下的应力应变全曲线基本一致;改进后的Weibull统计模型能较好地拟合包络线。     

循环荷载作用下软土中吸力锚变形过程拟动力算法

针对静荷载与循环荷载共同作用下软土中张紧式吸力锚的变形失稳过程进行了研究,通过拟动力有限元法模拟了静荷载和循环荷载共同作用下模型锚变形过程,验证了拟动力算法的可行性。分析过程中采用考虑循环荷载作用历史的等效线性黏弹性计算模型描述饱和软黏土不排水循环动力响应,依据蠕变理论描述土单元的循环累积应变响应。基于ABAQUS有限元软件,借助拟动力黏弹塑性模型提出了一种既能描述土体循环动力响应又能获得土体变形循环累积过程的拟动力算法。通过编制脚本程序PYTHON,将计算土体循环动力响应的过程与分析土体变形累积的过程连接起来,使计算机自动完成整个拟动力有限元算法的分析过程,最终实现了不通过详细跟踪循环荷载作用历史即可获得软土中吸力锚在循环荷载作用下变形逐渐循环累积至失稳过程的拟动力算法。     

基于统一硬化参量的海洋K0固结土动力本构模型

为方便海洋工程中桩土相互作用计算,根据海洋K₀固结土体特性,对现有相关土体本构模型进行简化。在修正剑桥模型的基础上,基于热力学理论,选用耗散功作为硬化参量,结合原状土体的固结属性,推导了适用于黏土与砂土的统一硬化模型。在此基础上,通过采用旋转硬化与等向硬化相结合的硬化理论来表征K₀固结土在循环荷载作用下的硬化规律,同时引入屈服面收缩参数Θ来描述循环荷载加载过程中土体屈服面的演化特性,进而建立了循环荷载下海洋K₀固结土体统一硬化模型。为验证本文提出的本构模型的合理性,开展了2个案例的对比研究,研究结果表明:新提出的统一硬化模型的计算值与实测值吻合,选用的计算参数少且物理意义明确。     

黏土的各向异性边界面模型

基于临界状态理论和边界面本构理论，通过引入各向异性张量建立各向异性的边界面和硬化法则，提出了一个可考虑初始各向异性和诱发各向异性对黏土应力应变行为影响的本构模型。黏土的初始各向异性由不等向的固结过程产生，因此假定各向异性张量的初始值可由初始应力状态确定，并且提出了一个由塑性体应变和塑性剪应变共同决定的各向异性张量的演化规律来描述在后续应力作用下土的各向异性的变化(诱发各向异性)。文中对具有不同初始固结应力状态的多组高岭土试样的三轴试验结果进行了模拟，吻合较好。     

混凝土短期荷载下变形的一个本构模型

提出了一个混凝土一般应力状态下的变形模型。它建立在应变功硬化塑性增量流动理论的基础上，使用一个完整的二次型载荷函数，包含３个应力不变量，以模拟材料在拉、压应力偏量作用下的性质差异。为应用方便，文中详细列出数值计算步骤。     

土体循环塑性模型研究进展

简要归纳了循环荷载作用下土体本构特性和循环塑性模型需满足的力学条件．综合评述了多面、无限多面、两面、单面、边界面、多机构和次加载面模型等常见的土体循环塑性模型及它们预测土的循环加载特性的能力．提出了土体循环塑性模型有待进一步研究的若干问题．     

基于虚强度参数的塑性硬化模式

 塑性理论中常采用等向硬化、随动硬化和混合硬化的假定来描述硬化函数的演化规律,这需要在屈服函数上增加相应的函数项,但这些关于硬化模式的假定不是必须的。提出了利用虚强度参数来描述介质塑性硬化规律,即在不改变屈服/破坏函数形式的条件下,只将其中的强度参数替换为塑性硬化参量的函数,便可以实现既避免硬化规律的先验假设,又可体现介质的硬化过程。采用一组煤岩的三轴加卸载试验数据研究了基于Coulomb-Mohr准则和基于Drucker-Prager准则及其强度参数的塑性硬化函数。结果表明,这2个函数的塑性硬化面子午线在应力空间中以平移和旋转2种方式体现介质的塑性硬化过程,并与已有煤岩试验数据一致。所提出的虚强度参数的概念为破坏准则中真实强度参数替换后作为硬化函数提供了一个逻辑的桥梁。     

循环加载条件下土的应力路径本构模型

土的应力应变关系与应力路径密切相关，充分接近的两条加载路径所产生的变形基本相同，因此可将任意应力路径转化为与其充分接近且易于计算变形的应力路径，从而获得变形。在此基础上，本文通过定义两个应力状态的参量，分别描述等应力比循环加载和等平均应力循环加载条件下土的塑性变形规律，以及两者的相互影响，并给出一个新的加卸载准则，在不增加任何土性参数的条件下，将现有的土的应力路径本构模型扩展应用于循环加载条件，建立了循环加载条件下土的应力路径本构模型。通过与试验结果的比较表明，本文提出的循环加载模型可较合理地反映土在往复荷载作用下的变形特性。模型简单易用，只含5个土性参数，并具有明确的物理意义。