一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型

基于广义塑性理论建立了一个考虑堆石料颗粒破碎的弹塑性本构模型。模型采用随平均应力增加而减小的峰值摩擦角和特征点摩擦角来反映堆石料因颗粒破碎而表现出的峰值应力比与剪胀应力比的非线性,在此基础上确定塑性流动和加载方向向量;运用指数型压缩函数建立依赖于体积应变和平均应力的压缩参数 λ ,并构造随平均应力与剪应力水平而变化的塑性模量表达式。模型共有 8 个参数,均可通过等向或单向压缩和三轴压缩试验确定。为验证本文模型的合理性,依据试验资料确定了 3 种不同堆石料的本构模型参数,并对典型三轴压缩试验进行了模拟。 3 种材料的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明本文模型可合理反映了颗粒破碎对堆石料强度与变形特性的影响。     

堆石料流变的黏弹塑性本构模型研究

堆石坝流变变形主要是堆石料在环境因素作用下的劣化和高接触应力下的颗粒破碎重排引起的。在等向压缩方程中引入反映堆石料颗粒强度的固相硬度参数,选用双曲线型式的固相硬度衰减模型,以反映堆石料颗粒强度随时间劣化的特性;在分析堆石料流变试验结果的基础上,建立了流变变形的双曲线型流动准则;推导了流变变形的计算公式,并构建了流变模量表达式,从而建立了一个可统一考虑加载与流变过程的堆石料黏弹塑性本构模型。通过模拟两种典型堆石料的流变试验资料验证了模型的有效性。     

考虑堆石料破碎影响的黏弹塑性本构模型

通过对等向压缩条件下加载速率对堆石料应力-应变特性的影响规律的分析,提出与时间相关的应力-应变关系式。结合堆石料颗粒破碎的研究成果,将与时间相关的本构关系由等向压缩推广到剪切,从而建立能够考虑颗粒破碎和时间效应综合影响的本构模型。对试验数据的预测结果表明:新模型不仅能够合理地考虑加载过程中颗粒破碎及时间因素对变形的影响,而且还能较好地描述荷载稳定时变形随时间的发展规律。     

胶凝砂砾石料弹塑性本构模型研究

为了建立合理的胶凝砂砾石料弹塑性本构模型,对胶凝掺量60 kg/m3的胶凝砂砾石料进行了三轴剪切排水与加卸载试验研究,结果可描述不同围压下的胶凝砂砾石料的应力–应变特性。基于试验数据及一些专家的研究,确定模型的弹性部分,提出了胶凝砂砾石料的剪切屈服与体积屈服方程,引入广义塑性理论,建立了适用于胶凝砂砾石料的弹塑性本构模型。模型共有9个参数,参数较少且确定简单。利用三轴剪切排水试验数据验证该模型计算结果,表明其能够较准确地反映胶凝砂砾石料应力应变关系。     

基于广义塑性理论的堆石料动力本构模型研究

分析了堆石料在等幅与不等幅应力循环荷载作用下的变形特性,以此为基础,确定了不同加载过程中堆石料的剪胀方程,加载方向,切线模量及塑性模量,建立了一个可以考虑堆石料循环加载特性的广义塑性本构模型.模型将所有的加卸载阶段都视为弹塑性过程,并在剪胀方程中引入老化函数来考虑体积应变积累对剪胀(缩)性的影响.模型共有12个参数,均可通过常规室内单调及循环加载试验确定.为验证模型的有效性,依据试验资料确定了两种不同堆石料的本构模型参数,并对等幅循环三轴压缩与不等幅循环三轴压缩试验进行了模拟.两种材料在不同围压下的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明模型可以有效地反映循环荷载作用下堆石料应力应变曲线的滞回特性与永久变形的积累.     

本构模型试验研究及验证

就殷宗泽双屈服面模型参数的试验求解过程及模型的适用性验证做了较为深入的研究,研究结果表明,该模型能够较好地反映软粘土的应力应变关系,以推广该模型的应用。     

堆石料平面应变条件下统一强度理论参数研究

 堆石料的常规三轴、方形三轴和平面应变试验对比分析表明,方形三轴试验的应力–应变曲线与常规三轴的存在显著差异,方形三轴试验对应的峰值强度高于常规三轴试验,堆石料密度较大时,应力–应变曲线呈现软化特征,存在明显的偏应力峰值。任何一组方形三轴试验对应的莫尔圆大致具有同一条公切线,平面应变试验也具有类似的强度特性,可采用直线型Mohr-Coulomb破坏准则描述堆石料的强度特性,同一种堆石料在平面应变条件下破坏时的Lode参数基本保持不变,且在数值上近似等于方形三轴试验对应内摩擦角的正弦值。在试验结果的基础上,通过双剪强度理论建立平面应变条件下堆石料的强度与方形三轴强度的关系式。对平面应变状态下堆石料强度影响因素分析表明,在本文的模型框架内,平面应变状态下的内摩擦角仅与三轴应力状态下的内摩擦角相关,而对应的黏聚力主要取决于方形三轴试验对应的黏聚力,三轴应力状态下的内摩擦角对其影响较小。通过与试验数据的对比表明,本文建立的强度关系式基本可以描述堆石料在平面应变条件下的强度特性。     

等应力比路径下堆石料双屈服面弹塑性模型研究

 已有研究及实测资料表明,土石坝内堆石料在填筑期应力路径接近等应力比关系,且这种关系并不因材料混杂、施工分期复杂而发生本质性改变。应力路径较大程度上影响了堆石料的受力变形特性,以往按室内常规三轴试验路径建立的本构模型及标定的参数直接推广至实际坝体路径的计算可能存在较大的误差。通过分析糯扎渡、水布垭及三板溪等堆石料等应力比三轴试验应力–应变曲线特点,认为体积应力–体积应变( )及偏应力与广义剪应变( )曲线具有幂函数规律。以常规南水双屈服面模型(沈珠江模型)为基础,将等应力比应力–应变规律引入模型中,在p-q平面内推导适合等应力比应力路径的双屈服面弹塑性模型,通过对试样在等应力比三轴试验中塑性应变增量方向的分析,探讨适合等应力比路径变形特性的 屈服面的合理形态。以糯扎渡水电站主堆料等应力比三轴试验为例确定模型参数标定方法,且对模型适应性进行初步分析。     

混凝土弹塑性本构实用模型研究

在深入研究了混凝土弹塑性本构理论基础上,提出了一个混凝土弹塑性本构模型,将Mande模型骨架曲线做一定的改进作为模型的等效单轴应力—应变曲线,加载硬化阶段采用应力空间弹塑性模型,软化阶段采用应变空间弹塑性模型,推导了应变空间下硬化参数的计算公式。模型屈服面采用黄克智—张远高三参数破坏准则,并推导了屈服面三个参数与混凝土强度之间的关系,为屈服面参数的确定提出了一种实用方法。将本文提出的模型在ABAQUS中二次开发,数值算法采用图形返回算法,通过几个算例表明本文提出的模型具有较高的计算准确度。     

灰土浸水强度特性及本构模型的仿真分析

通过对浸水后灰土试样的室内三轴试验,分析了围压等因素对灰土强度的影响。随着围压的增加,灰土的强度相应增加。通过对试验曲线进行回归分析确定了有限元模型参数,进行有限元模拟。与实测数据对比分析,有限元计算结果可以较好地模拟灰土的应力一应变关系,验证模型的可行性。     

基于结构性黄土联合强度的邓肯–张非线性本构模型

基于Mohr–Coulomb强度准则建立的邓肯–张非线性本构模型可以较好地反映土体抗剪强度特性,但是不适宜反映土体的抗拉强度特性。为了合理反映结构性黄土的抗拉强度,首先,通过在邓肯–张非线性本构模型中引入联合强度准则,基于联合强度准则重新确定了土的强度(1 3?-?)f,从而对破坏应力比Rf进行了修正;然后,用修正后的破坏应力比Rf重新确定了切线变形模量Et;最后,用修正后的切线变形模量Et对切线泊松比νt进行了修正,从而建立了基于联合强度理论的邓肯–张模非线性本构模型,为邓肯–张非线性本构模型在结构性黄土边坡的稳定性研究中,合理考虑结构性黄土的抗拉强度特性的作用提供了一种新的方法和途径。     

模拟堆石料颗粒破碎对强度变形的影响

许多试验事实表明,极高压力下颗粒材料粒径极限分布并非 Hardin 所谓的以 0.074 mm 为截断粒径的均匀分布。通过拓展破碎概念提出了 Hardin 破碎指标修正定义,并用以区分剪切过程中破碎的暂时和永久终止状态。 开展了系列模拟 堆石料固结排水大型三轴试验,提出了系列非线性关系用以描述模拟堆石料的级配、破碎指标以及应力–应变–体变响应变化规律。分析表明：随着围压增加,特征粒径减小而级配指标增加,试样级配变化明显;随着围压增加,峰值（或临界）状态破碎指标增加,相应的应力比和内摩擦角则减小,两种状态下破碎指标与内摩擦角具有唯一对应关系;同一剪切过程中,破碎指标变化率、剪胀率和塑性剪切模量具有非同步变化关系,由此形成了颗粒破碎对于模拟堆石料应力变形影响的复杂性。     

混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型

在提出了静力弹塑性损伤本构模型的基础上，通过对损伤能释放率阀值进行PERZYNA粘性规则化以及引入粘弹性一损伤阻尼应力，建立了基于能量的混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型；给出了该模型的基本公式和相应的非线性有限元数值实现算法，并对KOYNA混凝土重力坝进行了动力非线性数值模拟。结果表明：建议统一模型能较好地描述包括应变率效应在内的混凝土典型非线性行为，并可以直接在材料本构层次考虑阻尼的影响，同时其数值算法是稳定有效的，可以应用于大型混凝土结构的非线性分析。     

非均匀强化塑性模型的统一弹塑性本构关系

介绍了三参数统一强度理论和非均匀强化塑性模型 ,并利用三参数统一强度理论对非均匀强化塑性模型进行推导 ,得出了其在强化过程中的弹塑性本构关系。所得模型考虑了材料的拉伸强度与压缩强度不等、双轴等压强度与单轴等压强度不等的情况。当取不同的参数 b和 α时 ,该本构关系退化为 Mohr- Coulomb、Tresca和双剪强度理论等在非均匀强化塑性模型下的本构体系 ,因而可以适用于各类工程材料和不同的受力情况 ,有重要的工程应用价值。     

多轴循环塑性双界面本构模型研究

地震作用具有很大的随机性和不确定性,为准确描述结构在强震作用下的弹塑性反应,基于循环塑性理论框架,提出了改进的双界面本构模型,对屈服面及边界面的平移运动和变形演化方程进行改进,并通过在塑性应变空间中引入一个记忆面来考虑材料对应变加载历史的硬化记忆效应。模型参数均可通过单轴拉伸及单轴滞回试验曲线标定。研究结果表明：该模型能准确地预测多轴任意路径加载下多晶体金属材料的屈服平台段、Bauschinger效应、循环硬化、棘轮效应、记忆效应等行为;将预测结果与各类金属及合金材料的试验结果进行对比,二者的最大正应力、剪应力的预测误差分别在2%、4%以内,验证了模型的适用性,其可为精细化弹塑性分析提供理论依据。     

粒料基层沥青路面结构非线性分析

在分析国内外四种常用粒料基层材料非线性本构模型的基础上,提出一种新的的本构模型;运用该模型,对砂砾基层沥青路面的模量及应力、应变进行分析,给出模量取值;并将理论分析与室内试验的测试结果进行对比,结果表明路面垂直变形值和应力值与实测结果吻合度在85%以上,本模型与实际情况是相符的。     

砂土液化大变形的弹塑性循环本构模型

循环剪切过程中饱和砂土的3个体积应变分量(有效球应力变化引起的体变、剪切引起的可逆性体变和不可逆性体变)的变化规律决定了液化后剪应变的发展。基于上述机理、对剪切引起的可逆性和不可逆性体变的数学描述、体积相容性条件以及边界面本构理论框架,建立了一个可描述饱和砂土液化后大变形的弹塑性循环本构模型。通过对饱和砂土排水和不排水循环扭剪试验结果的模拟表明,该模型不仅可以合理地模拟饱和砂土循环加载条件下从液化前到液化后、从小剪应变到大剪应变的变形发展过程,而且可以合理地模拟饱和砂土液化后再固结大体变的累积特性。本文的研究为定量描述砂土液化后大变形提供了一条合理而有效的途径。     

粉质黏土冻土三轴强度及本构模型研究

通过对南京典型粉质黏土10℃冻土在不同围压、固结方式、应力路径条件下的三轴试验,分析不同因素对三轴强度影响,结果表明：最大轴向偏应力随围压增大而线性增大,且重塑粉质黏土冻土的最大轴向偏应力随围压的增大速度大于原状粉质黏土冻土的增大速度;固结方式对内摩擦角影响较大,对黏聚力影响不大,先等压排水固结再冻结试样强度会大幅度提高;强度和弹性模量受应力路径影响,其中常规加载应力路径强度及弹性模量要大于卸载应力路径强度及弹性模量;基于Duncan-Chang模型建立考虑围压影响的冻结粉质黏土本构模型,参数a、b与围压呈负相关,获得原状粉质黏土以及先等压排水固结再冻结、先等压不排水固结再冻结和先冻结后固结重塑粉质黏土的破坏比均值分别为0.87、0.89、0.93和0.87。     

土工格栅层式加筋风积砂的本构模型研究

以广泛分布于内蒙古沙漠地区的风积砂为研究对象,对不加筋风积砂和不同层数的加筋风积砂做了一系列的固结排水常规三轴试验,探讨其强度变化规律和体积变化规律,并分析加筋机理,得到加筋风积砂的本构模型,并验证了本构模型的精确性。     

岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。