超固结土的蛋形弹塑性本构模型

为了描述超固结软土在不同应力条件下的强度变形特征,以蛋形函数为基本框架,建立并发展适用于超固结土体的弹塑性本构模型. 通过对一系列超固结土应力路径三轴压缩试验结果的分析,探讨土体在超固结状态下塑性应变的发展规律(剪胀/剪缩). 在先前提出的旋转塑性势面流动法则基础上对其进行发展与改进,引入峰值应力比,构建剪胀状态下归一化塑性势面旋转角与应力状态参数之间的近似线性关系,以满足超固结土的塑性变形特性. 结合基于等效硬化参量的广义塑性功硬化原理构建超固结软土的蛋形弹塑性本构模型. 将三轴压缩试验数据与数值预测结果进行对比以验证模型有效性,结果表明该模型可以有效反映超固结软土在不同加载条件下的应力应变特性,比如软化与剪胀.     

基于微观力学分析的散粒体静力液化本构模型

针对散粒体的静力液化特性,在散粒体颗粒运动微观力学分析的基础上,在临界状态土力学框架内建立了一个简单的静力液化弹塑性本构模型.模型屈服函数和和硬化规律根据Chang提出的砂土微观力学模型,通过积分粒间接触力为宏观的应力不变量而建立,考虑了与材料状态相关的剪胀性和初始密度对散粒体应力-应变关系的影响,并采用非相关联的流动法则.模型参数简单且有较明确物理意义,可以通过室内三轴试验确定.模型的数值结果与Toyoura砂以及砂-粉混合土的三轴不排水剪切试验的应力-应变曲线和应力路径吻合较好.     

考虑颗粒破碎的钙质砂双屈服面模型

珊瑚岛礁主要由颗粒形状不规则、多孔隙、高压缩性、易破碎的钙质砂组成。在进行珊瑚岛礁生态开发建设时,由于其地基土钙质砂具有特殊性,有必要针对颗粒易破碎的钙质砂进行本构模型研究,为设计施工提供参考。首先进行不同围压的钙质砂三轴试验并筛分颗粒,得到应力-应变关系曲线及级配变化曲线。试验结果表明：对于同一级配、同一密实度的钙质砂在不同围压下存在不同程度的应变软化和剪胀性,尤其在较低围压下更为明显;存在应变软化和剪胀性的围压范围内,随着围压的增大,其偏应力峰值点和临胀点所对应的轴向应变越大;不同围压下钙质砂颗粒均出现了不同程度的颗粒破碎,且围压越大其颗粒破碎程度越大,细粒含量相对越多。同时,为了准确描述考虑颗粒破碎的钙质砂应力-应变关系,基于分形理论和莫尔-库仑理论建立颗粒破碎指标对峰值内摩擦角进行修正,并结合试验数据对“南水”模型中的切线变形模量和切线体积比进行修正,明确了各材料常数的意义,最终建立了考虑颗粒破碎的钙质砂本构模型。采用Fortran语言将修正的本构模型汇编程序进行模拟,并与试验结果进行对比,两者较为吻合。除此之外,结合引用文献中相关试验数据对所建立考虑颗粒破碎的钙质砂本构模型进行推广验证,结果表明该模型依然能够较为准确的反映钙质砂在不同围压下存在的应变软化和剪胀性。     

饱和黏性土的结构性本构模型

将Liu等提出的土的结构性本构模型与三剪强度准则相结合,提出了均质饱和黏性土的三剪结构性本构模型。该模型既保留了原结构模型的特点,又考虑了应力状态对土特性及土的拉压强度差异的影响。另外,利用该模型对均质饱和黏性土在常规三轴试验、K_0压缩试验、以及真三轴试验中土的变形特性、孔隙水压力特性、中间主应力效应特性进行了模拟。结果表明在常规三轴试验中,孔隙水压力随着中间主应力影响系数的增加而减小,解构指数对孔隙水压力影响不大;K_0压缩试验中,在偏应变一定时,中间主应力影响系数对体积应变的影响较小,而体积应变随着解构指数的增加而增加;真三轴试验中,中间主应力影响系数越大,偏应力越大,土体强度越大。该本构模型能够反映均质饱和黏性土的强度变形规律及结构性对土的变形规律的影响。     

高低压力下冰碛土的应力—应变特性

本文对瀑布沟冰碛土,在应力为0.5～35kg/cm~2范围内,做了σ_3=C和P=C两种应力路径的三轴试验。试验结果表明,体变从低压下的体积剪胀变为高压下的体积剪缩。根据P=C的低压试验及一个土样的固结试验结果,本文作者提出了建议的剪胀模型,并用该模型对σ_3=C、σ_1=C以及多步应力途径试验的应力—应变—体变关系进行了预测,同时给出了剑桥模型、剑桥修正模型以及成都科技大学水利系提出的简化模型的预测结果,并与实测结果进行了比较。本文认为,本建议模型能较好地预测冰碛土在这几种应力路径下的应力应变;该模型参数简单,并易于确定,同时又能考虑土的剪胀特性。因此,本文建议的模型是一个简单而又实用的模型。     

弹塑性随机有限元方法在链传动铰链磨损中的应用

针对复杂的交变载荷，推导了交变载荷下弹塑性随机有限元的迭代格式，迭代格式中，采用运动强化模型反映塑性变形引起的各向异性和包辛格效应，运用Jhansale模型描述材料的瞬态应力应变关系，由于链传动的随机因素，将随机有限元方法引入到交变载荷下弹塑性有限元的迭代格式中，得到局部应力应变的随机响应，为链传动铰链磨损分析提供了更精确的依据．     

两种约束圆轴扭转实验确定大应变本构关系

针对大应变本构关系的参数标定问题,采用实心圆轴扭转实验进行了研究.分别对一端自由实心圆轴和两端固定实心圆轴的大应变扭转变形和扭转应力进行了分析.对于大应变等向强化弹塑性本构模型,基于Kirchhoff应力的Jau-mann应力导数,采用实心圆轴扭转实验标定了弹塑性本构模型中的塑性刚度函数.对一端自由实心圆轴扭转实验,讨论了轴向伸长变形和径向变形对塑性刚度函数的影响.对于两端固定实心圆轴扭转实验,讨论了轴向正应力对塑性刚度函数的影响.结果表明,实心圆轴扭转时的Swift效应对大应变本构关系有影响,影响程度与轴向和径向变形及轴向正应力相对于剪应变的变化率有关.     

砂土弹塑性-损伤本构关系的数值建模

认为岩土介质变形中出现的剪胀现象实质上是一个损伤过程.通过中密砂的三轴压缩试验,发现其在剪胀后,弹性模量和剪切模量大幅度下降,这进一步证实了剪胀的确是个损伤演化过程.引进了一个损伤变量描述这个过程,结果表明,损伤程度相对塑性体积应变的变化速率与初始固结压力相关,且随压力增大而减小.同时利用数值建模方法建立了砂土的弹塑性-损伤模型,考虑了弹塑性变形与损伤的耦合效应,获得了相应的应力应变关系及它的三维曲面.     

内压弯管在多轴循环外力下的棘轮应变数值分析

弯管在流体压力、热载荷及振动载荷作用下,处于复杂应力状态,其棘轮应变分析很难通过解析计算的方法实现。本文利用有限元法对压力弯管进行多轴棘轮应变分析,采用基于Chaboche模型基础上的非线性随动强化定律,更新弹塑性有限元计算所采用的本构关系,通过一典型的弯管实例进行了数值分析,预测其棘轮应变,考察其塑性应变行为,为结构设计提供依据。     

考虑剪缩性的城市固体废弃物非线性弹性模型

针对城市固体废弃物(MSW)具有明显剪缩特性的特点,提出能够考虑剪缩性的非线性弹性模型.通过三轴固结不排水(CU)试验验证MSW的剪缩性,在传统非线性弹性模型框架中引入了剪缩模量与压硬模量,将固废的体积应变分解为由平均正应力与切应力产生的2个部分,基于三轴固结排水(CD)试验提出体积应变和广义切应变的全量表达式,通过微分手段获得剪缩模量和压硬模量的具体表达式.采用多学者的MSW试验结果对模型进行验证.结果表明,模型的拟合效果较好,各参数的离散型较小,能够较清楚地描述垃圾的力学特性.     

Model predictions for behaviors of sand-nonplastic-fines mixtures using equivalent-skeleton void-ratio state index

It is a challenge to suggest a constitutive model for describing the stress-strain behavior of sand-fines mixtures due to that these granular mixtures exhibited very complex behaviors at different densities, pressures and fines contents. In this study, an elastoplastic constitutive model within the framework of the bounding surface plasticity and critical state theories was proposed for sand-nonplastic-fines mixtures by using the concept of the equivalent-skeleton void ratio and equivalent-skeleton void-ratio state index. The proposed model with a set of material constants calibrated from a few tests could be used to model the fines-dependent and state-dependent behaviors of the sand-nonplastic-fines mixture including the strain- softening and volumetric-expansion behaviors in the drained triaxial compression tests, and also the effects of fines content on the critical state lines in both the deviatoric stress versus mean effective stress and the void ratio versus mean effective stress planes.     

混凝土的一种梨形边界面本构模型

为研究混凝土材料在多轴循环荷载作用下的非线性特性,基于经典塑性力学理论和边界面模型理论,提出一个改进的边界面模型.模型中,屈服面为封闭、光滑曲面,在子午面内为梨形;边界面与屈服面的形状相似;选择应力的第一不变量和应变偏量作为屈服面函数中的自变量;相应的加卸载判据中的微分变量也是上述两种变量;根据屈服面和边界面形状的相似性,通过比例关系定义映射法则;对于处在屈服面上的任意一个当前应力点,根据此法则,都能够找到与之对应的处在边界面上的映射点,两个点对应的曲面法线方向相同;采用非相关流动法则描述塑性变形.对沿着偏平面上的压缩方向,对混凝土试块分别进行单调加载和循环加载时的试验结果,用本构模型进行模拟,模型计算结果与试验结果吻合.模型能够统一地描述应力-应变曲线的上升-下降段,能够描述剪胀现象.     

Research on microstructural evolution and dynamic recrystallization behavior of JB800 bainitic steel by FEM

Single pass compression tests were conducted on Gleeble1500 thermal simulator. The effect of different deformation parameters on the grain size of dynamically recrystallized austenite was analyzed. A mathematical model of dynamic recrystallization and a material database of JB800 steel, whose tensile strength is above 800 Mpa, were set up. A subprogram was compiled using Fortran language and called by Marc finite element software. A thermal coupled elastoplastic finite element model was established to simulate the compression process. The grain size of recrystallized austenite obtained by different recrystailization models was simulated. The results show that the optimized dynamic recrystallization model of JBS00 bainitic steel has a higher precision and yields good agreement with metallographic observations.     

两类剪切屈服面的非饱和土BBM模型对比研究

针对使用椭圆形剪切屈服面的非饱和土BBM弹塑性模型计算抗剪强度偏低的问题,提出了非饱和土水滴形剪切屈服面函数,对原模型进行了改进,将水滴形屈服面扩展到非饱和土中,提出了非饱和土水滴形剪切屈服面函数,采用相关联的流动法则改进了BBM模型。通过对同一组试验的数值模拟,对比研究了改进模型的合理性以及与原模型的差别,结果表明,在控制吸力条件的三轴压缩状态下采用水滴形屈服面的改进BBM模型对非饱和土强度及变形的计算更为合理。     

Research on microstructural evolution and dynamic recrystailization behavior of JB800 bainitic steel by FEM

Single pass compression tests were conducted on Gleeblel500 thermal simulator.The effect of different deformation pa- rameters on the grain size of dynamically re,crystallized anstenite was analyzed.A mathematical model of dynamic re,crystallization and a material database of JB800 steel,whose tensile strength is above 800 MPa,were set up.A subprogram was compiled using Fortran language and called by Marc finite element software.A thermal coupled elastoplastic finite element model was established to simulate the compression process.The grain size of recrystallized austenite obtained by different recrystallization models was simu- lated.The results show that the optimized dynamic recrystallization model of JB800 bainitic steel has a higher precision and yields good agreement with metaliographic observations.     

A relative permeability model for deformable soils and its impact on coupled unsaturated flow and elasto-plastic deformation processes.

Relative permeability is an indispensable property for characterizing the unsaturated flow and induced deformation in soils. The widely used Mualem model is inadequate for deformable soils because of its assumption of a rigid pore structure and the resultant unique dependence of the tortuosity factor on the volumetric water content. In this study, a unified relationship between the relative permeability and the effective degree of saturation was proposed for deformable soils by incorporating our newly developed water retention curve model into the original Mualem model, in which a new tortuosity factor was defined using the fractal dimension of flow paths and the mean radius of water-filled pores for representing the effect of pore structure variation. The modified deformation-dependent relative permeability model was verified using test data on five types of soils; the verification revealed a much better performance of the proposed model than the original model, which commonly overestimates the relative permeability of deformable soils. Finally, the proposed model was implemented in a coupled numerical model for examining the unsaturated flow and elastoplastic deformation processes in a soil slope induced by rain infiltration. The numerical results showed that the deformation-dependent nature of relative permeability has a remarkable effect on the elastoplastic deformation in the slope and that neglect of the deformation-dependent behavior of relative permeability causes overestimation of the depth of failure.     

高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法

针对高铁运行引起的地基振动和塑性变形问题,提出高铁荷载作用下弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元算法。将高铁运行诱发的地基变形视为材料非线性问题,采用改进的摩尔-库伦模型模拟地基土,基于弹性地基2.5维有限元法,将通过弹性理论计算得到的位移作为试探位移,经摩尔-库伦屈服准则判定屈服后,引入切线刚度迭代法、后向欧拉积分算法和一致切线模量算法实现刚度矩阵的更新迭代,从而求解出高铁运行引起的塑性变形。在此基础上,将轨道视为Eular梁,采用修正的多频列车荷载模拟高铁列车运行,并使用黏弹性人工边界处理截断边界,建立高铁弹塑性地基振动与变形的2.5维有限元验证模型。通过与移动点荷载弹性半空间解析解和地面振动实测结果进行对比,验证本文弹塑性地基2.5维有限元法理论的正确性及模型应用的可靠性,表明该方法可用于高效求解高铁运行引起的地面振动及累积变形问题。     

初始各向异性对软土强度与变形的影响试验研究

通过压缩试验、无侧限抗压强度试验以及三轴固结不排水试验,对海积软土初始各向异性影响土体强度与变形进行了试验研究.结果表明:在一维压缩试验中,海积软土垂直方向的压缩变形最小,水平方向的变形最大,而45°斜方向的变形介于两者之间;在三轴压缩试验中,海积软土的应力-应变关系都呈现应变硬化,垂直方向的峰值强度最强,45°斜方向最弱,水平方向的强度介于两者之间.在此基础上,对其进行了机理分析,研究成果对工程实践有一定的指导意义.     

考虑中主应力效应Gudehus-Bauer亚塑性模型的改进

针对Gudehus-Bauer亚塑性模型不能考虑中主应力影响,在Gudehus提出的响应包络线理论基础上,提出了在模型的非线性项乘以一个考虑中主应力的因子进行改进.这种改进增加了土体剪切时的强度,改变了土体受压时的变形.新模型对中主应力的变化在中主应力参数影响程度能够有一定反映.同时将改进后的模型与中主应力参数为常量的真三轴实验进行了比较.结果表明改进后的模型可以模拟中主应力对砂土强度和变形特性的影响,能够定量预测由于中主应力影响产生的体积应变.