损伤模型接触面单元在有限元计算分析中的应用

简要介绍了接触面损伤模型 ,推导了接触面单元的有限元格式 ,编制了平面和轴对称问题有限元计算程序 ,对土与结构相互作用问题进行了有限元分析。对单个接触面单元进行了有限元计算 ,与损伤模型理论解比较 ,验证了计算程序的正确性。对不同边界约束条件的土工织物拉拔试验和桩土相互作用问题进行有限元计算 ,对接触面非线性模型和损伤模型的计算结果进行比较。计算结果表明 ,损伤模型能够反映土与结构物接触面剪切过程中的应变软化和剪胀特性 ,较非线性弹性模型接触面单元有显著的优越性 ;土体与结构物刚度、边界约束等条件对土与结构相互作用有明显的影响 ,这些影响在桩基础、加筋土与周围土体相互作用等问题的研究中必须加以考虑。     

上埋式涵洞顶部垂直土压力计算方法探讨

根据上埋式涵洞顶部垂直土压力的受力特点,涵洞上覆土体采用完全损伤土的应力应变关系--结构性粘土的弹塑性损伤模型,地基采用线弹性模型,利用力的变形协调条件和力的平衡条件对上埋式涵洞顶部土压力的计算方法进行探讨,提出了考虑土的应力损伤和扰动损伤的垂直土压力计算公式.结果可用于指导工程实践.     

考虑残余强度影响的结构面与接触面剪切过程损伤模拟方法

岩土结构面和接触面剪切变形全过程的模拟是岩土结构设计与计算的重要依据。首先在深入探讨结构面和接触面剪切变形过程特征和剪切变形机理基础上,从结构面和接触面剪切单元微观受力入手,并将剪切单元抽象为未损伤和损伤两部分组成,其剪切荷载由这两部分共同承担,且损伤部分所受应力即为残余强度,建立出可以反映结构面和接触面破坏后仍具有残余强度特征的剪切损伤模型;然后,引进统计损伤理论,假定结构面和接触面剪切微元破坏服从Weibull分布,在探讨剪切微元强度度量方法基础上,建立出结构面和接触面剪切变形全过程的统计损伤演化模型,进而建立出模拟结构面和接触面剪切变形全过程的统计损伤本构模型。该模型不仅可以反映结构面和接触面应变软化特性,还可反映法向正应力的影响以及残余强度变形阶段特征;最后,通过实例分析并与同类模型进行比较,表明该模型的合理性与可行性。     

土-结构物接触面统计损伤本构模型

结合连续强度理论和统计理论，从接触面内部缺陷分布的随机性出发，首次建立了土与结构物接触面的统计损伤本构模型。该模型能反映接触面的应力应变特性，具有参数少、概念明确及应用简便的特点。对接触面厚度的分析表明，指出存在临界厚度，而且接触面厚度的大小与应力峰值点无关。与试验结果的比较表明，文中建议模型合理，具有工程实用价值。     

湿载耦合作用下黄土结构性损伤演化及本构关系

 针对增湿、加荷作用下黄土结构性损伤演化的变形问题,通过压缩变形特性和三轴剪切变形特性,分析黄土结构性损伤的宏观力学反映。分析结果表明,土的含水量增加、固结压力增大和剪切作用均会引起黄土的结构性损伤。随着含水量的增大,压缩作用损伤和剪切作用损伤更加突出;固结压力较大时,压剪作用对土原生结构破损更突出,其次生结构和剪缩性增强。将结构性损伤土视为原状结构体和完全损伤体的复合体,综合应用应力比损伤方程和应变损伤方程,在比较原状土与饱和重塑土应力比建立结构性参数的基础上,建立黄土的结构性损伤演化方程;在原状结构体服从弹性定律、完全损伤体服从修正剑桥模型的基础上,从结构性损伤土变形为原状结构体弹性变形和完全损伤体弹塑性变形叠加出发,建立结构性土的损伤弹塑性本构方程。同时,比较分析不同湿度黄土试验测试的应力–应变曲线和损伤弹塑性本构方程描述的理论曲线,两者比较一致,验证了该本构关系的合理性。     

土与结构物接触面物理力学特性试验研究

利用改进的直剪仪进行了砂土与结构物的接触面剪切试验 ,研究了不同接触面相对粗糙度对接触面物理力学性质的影响 ;并通过数字照相技术记录了接触面附近砂土颗粒的位移情况 ,分析了土与结构物接触面剪切破坏的变形机理。试验结果表明 ,存在接触面临界相对粗糙度Rcr,土与结构物接触面可依据Rcr 分为光滑接触面和粗糙接触面。光滑接触面剪切变形时沿土与结构物接触表面产生滑动破坏 ,接触面附近体积变化很小 ,剪切破坏时无明显的剪应力峰值 ,为理想弹塑性模式 ;粗糙接触面剪切破坏时在接触面附近产生应变局部化 ,形成剪切带 ,并伴有应变软化和剪胀现象。剪切带厚度约为 5D50 。     

群桩与土和承台结构非线性相互作用机理的数值分析

利用ABAQUS对常规桩筏基础(3D桩距)和复合桩基(6D桩距)进行了三维弹塑性分析。利用无厚度接触面单元模拟筏板—桩—土的非线性接触特性,采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型描述土的非线性特性,桩取为弹性。得到了沉降,桩土荷载分担比、桩周土体水平位移变化情况,并对二者进行了对比分析。分析结果基本反映了桩—土—筏的实际工作性状,验证了复合桩基理论的正确性。     

深海沉积物剪切变形过程模拟的统计损伤方法

深海沉积物剪切变形过程模拟方法是深海资源采运设备设计的重要依据。从探讨深海沉积物土工力学特性及其剪切变形过程的特点出发,首先,从深海沉积物土体单元微观受力分析入手,建立出深海沉积物剪切变形损伤模型;其次,引进统计损伤理论,在深入研究深海沉积物微元强度度量方法的基础上,假定微元屈服或破坏服从Weibull随机分布,建立出深海沉积物剪切变形过程的统计损伤演化模型;然后,利用建立的深海沉积物损伤模型和统计损伤演化模型,建立了模拟深海沉积物剪切变形过程的剪切变形损伤统计本构模型。该模型可较好地反映深海沉积物剪切应变软化特征,同时可反映其剪切变形过程中剪切面法向正应力的影响;最后,通过试验曲线和模型曲线以及现有同类模型曲线的对比分析,验证了该模型的合理性与可行性。     

土与结构材料接触面的变形及其数学模拟

本文分析了土与混凝土接触面上的剪切变形特性，否定了接触面上剪应力与相对错动位移间的双曲线渐变关系，提出了刚－塑性变形的观点。在此基础上提出了一种有厚度的接触面单元，可以与土体的非线性弹性模型或弹塑性模型相衔接，能合理地反映接触面及其邻近区域剪切破坏带中的变形性状，并提出了确定单元厚度的方法。     

桩-承台基础-土共同作用的非线性有限元分析

利用有限元方法,对桩—承台—土共同作用进行了探讨．采用邓肯张非线性弹性模型,并在桩与土的接触面上设置了ＤａｎｃａｎＣｌｏｕｇｈ 非线性弹性界面模型来模拟两种不同介质接触面形状     

岩石破坏全过程的连续–离散耦合分析方法

 在变形体离散元的框架内引入界面单元,提出模拟岩石等准脆性材料破坏过程的连续–离散耦合分析方法。假定损伤和断裂只发生在界面单元上,实体单元只产生弹性变形,采用带拉断的Mohr-Coulomb准则和标量损伤因子来模拟界面单元的损伤、失效过程,实现岩石由连续性向非连续性转换的物理过程。在数值试验中,岩石细观尺度上单元的弹性模量和单轴抗压强度服从Weibull概率分布并满足一定的相关性。数值模拟结果表明：本文方法能反映岩石在加载过程中的线弹性、非线性、软化、残余4个阶段和主要特点;能显式地模拟微裂缝的萌生、扩展直至贯通形成宏观裂缝的全过程;反映岩石强度的围压依赖性和脆–延–塑转换力学特性。     

岩石类材料损伤黏弹塑性动态本构模型研究

 针对岩石类材料的动态力学特性,基于损伤演化和元件模型理论,将岩石类材料视为由具有损伤特性、弹性特性、塑性特性及黏滞特性的非均质点组成,建立考虑损伤的黏弹塑性动态本构模型,并推导出本构方程的微分表达式。将下山单纯形法嵌入自适应混合遗传算法中,编制反演分析程序,在岩石冲击试验数据的基础上,确定出损伤动态本构方程的待定特征参数。利用确定出来的动态本构方程得到的再生应力–应变曲线与试验曲线之间有很好的一致性,从而可验证该损伤黏弹塑性动态本构方程的适用性。     

从本构模型研究到试验和光纤监测技术研发

为研究土的基本性质,验证土的本构关系,监测建筑岩土结构,进行了以下5方面的研究:①土的次弹性本构模型和弹黏塑模型;②一维应变黏性土沉降计算;③一维应变下黏性土非线性蠕变和压缩;④双室三轴装置、真三轴加载装置、非饱和土-结构界面直剪装置和土钉抗拔箱等试验技术的研发;⑤岩土结构光纤监测技术研发.研究结果表明:①次弹型模型较...     

基于模型确认的结构概率损伤识别方法研究进展

基于静动力特性改变的结构损伤识别方法在过去几十年中得到了长足发展。相对于确定性的损伤识别,基于概率统计理论框架的损伤识别方法能够更好地反应损伤问题的不确定性本质,是一种非常有发展潜力的损伤识别方法,有望解决当前大多数损伤识别方法对于测量误差和噪声敏感的问题,从统计意义上实现复杂工程结构健康监测早期损伤的诊断。在回顾结构确定性损伤识别方法的基础上,主要介绍不确定性损伤识别方法和有限元模型确认的研究进展,分析比较各种方法的优点和不足之处;最后对有待进一步研究的问题和基于模型确认的概率损伤识别方法发展趋势进行展望。     

利用模态曲率差法进行弹性薄板的损伤检测

弹性薄板在工程中被广泛应用,对弹性薄板进行在役无损检测具有重要意义。本文在前人的研究基础上,以四边固支薄板为研究对象,运用ANSYS分析软件,采用改变单元弹性模量的方法模拟结构损伤,应用基于模态曲率差的损伤识别方法对板结构进行损伤检测。算例表明:在薄板的一个比较小的区域损伤的情况下,有损伤单元的模态曲率差的值变化明显,因此可以采用模态曲率差法对结构进行损伤识别并能准确判定损伤的位置。     

岩石三维破裂过程的数值模拟研究

采用细观弹性损伤模型和有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。考虑到岩石非均匀性的本质特征，通过引入简单直观的单元本构模型，采用细观单元材料性质退化的办法，利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过干旱；模拟单轴压缩、单轴拉伸和剪切破裂3种基本试验，得到岩石非线性应力-应变曲线和不同载荷阶段三维损伤破裂演化系列图像；分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明，三维破裂比二维破裂更为复杂，RFPA^3D可以有效地模拟脆性材料的三维破裂。     

Development and application of an interface constitutive model for fully grouted rock-bolts and cable-bolts

This paper proposes a new interface constitutive model for fully grouted rock-bolts and cable-bolts based on pull-out test results.A database was created combining published experimental data with in-house tests.By means of a comprehensive framework,a Coulomb-type failure criterion accounting for friction mobilization was defined.During the elastic phase,in which the interface joint is not yet created,the proposed model provides zero radial displacement,and once the interface joint is created,interface dilatancy is modeled using a non-associated plastic potential inspired from the behavior of rock joints.The results predicted by the proposed model are in good agreement with experimental results.The model has been implemented in a finite element method(FEM) code and numerical simulations have been performed at the elementary and the structural scales.The results obtained provide confidence in the ability of the new model to assist in the design and optimization of bolting patterns.     

复杂应力条件下原状饱和海洋黏土孔压与强度特性

利用土工静力–动力液压三轴–扭转多功能剪切仪,进行了非均等固结条件下的应力控制式轴向－扭转双向耦合循环剪切试验,探讨了初始大主应力方向角、循环剪切荷载分量比值及循环应力水平对饱和海洋黏土孔压与强度特性的影响。结果表明：初始大主应力方向角对双向耦合剪切下孔压特性影响显著,随着角度的增大,残余孔压发展水平升高,同时波动孔压幅值也在增大,同时建立不同初始大主应力方向角下归一化残余孔压比与归一化循环次数比拟合关系。在固定加载路径所形成的椭圆面积不变条件下,竖向与扭转向荷载分量的比值存在某一临界值,对应此临界值,残余孔压最低。随着循环应力比的增大,波动孔压幅值与残余孔压均在增大,但高应力水平与低应力水平下孔压发展存在较大差异。此外由不同循环应力比下孔压时程曲线确定出临界循环应力比。初始大主应力方向角对动强度影响显著,随角度的增大动强度逐渐降低。动强度曲线显示循环应力比与循环剪切破坏次数的对数基本呈直线关系。