土与结构接触面的本构关系与数值模拟

论述了土与结构相互作用的研究及分析方法,重点介绍了当前几种常用的接触面的本构关系和接触面单元模型。     

软岩三维弹黏塑性本构模型

为了有效地描述软岩的软化特征,首先推导了以压为正统一强度理论表达式,该理论可以考虑材料拉压强度不等及中间主应力效应,适合岩土工程界以压为正的使用习惯以及岩土材料拉压强度不等的特性;其次推导了以压为正统一强度理论π平面的极限线;第三,基于推导的π平面的极限线,结合Yin-Graham模型,推导了软岩的三维统一弹黏塑性本构模型表达式。根据针对取自日本石川县能登半岛端部的硅藻质泥岩所进行的不同围压、不同加载速率条件下的应变控制式和应力控制式固结不排水三轴试验资料确定了模型参数,进行了弹黏塑性数值模拟分析。并与三轴试验结果进行了对比分析,结果表明:本文建立的软岩三维统一弹黏塑性软化本构模型的数值模拟结果与试验结果非常接近,可以很好地模拟软岩的应变软化特征。     

桩-土接触面力学特性的研究现状

桩-土接触面力学特性的研究是解决桩-土相互作用问题的前提,尤其对于摩擦型桩而言,桩-土接触面问题直接影响到桩基的承载力,因此长期以来这一问题受到了众多学者的关注和重视。文中回顾了国内外桩-土接触面力学特性的试验研究现状,讨论了目前适用于接触面的多种本构模型以及接触面单元的计算方法,对今后桩-土接触面的研究提出了几点看法。     

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。     

微型桩破坏机理的数值模拟

强度折减法与具有拉和剪破坏分析功能的有限差分程序FLAC^3D相结合,对同一排内均匀布置的桩心配筋微型桩进行数值分析。岩土体、桩体均采用实体单元,模型采用摩尔-库仑理想弹塑性本构模型,依据微型桩的受力特点考虑了桩体进入塑性状态,得到了单排微型桩和具有纵向连系梁的三排微型桩的应力、应变分布规律和破坏机理。计算表明,单排桩的破坏主要为滑带处的剪切破坏,三排桩为滑带处的拉剪破坏,桩体所承受的最大弯矩和剪力均位于滑带处,混凝土主要起抗剪作用,钢筋提供抗拉和抗剪能力。     

双剪统一弹塑性应变软化本构模型研究

 根据统一强度理论应力不变量的形式,确定所要建立模型的屈服函数以及塑性势函数,考虑土体强度随加载过程的逐渐发挥,确定土体硬化函数。采用非相关联流动法则建立复杂应力状态下的土体弹塑性本构方程,并且对模型中所产生的奇异性进行分析和处理,指出模型中的奇异性是屈服函数、塑性势函数的流动矢量、以及硬化模量所引起的。给出模型中所含参数的确定方法,采用膨胀性泥岩的常规三轴试验模型进行验证,验证结果表明,所建立弹塑性本构模型能够模拟泥岩的应力–应变关系,较好地反映土体的应变软化特性。     

基于应变梯度塑性理论的土-结构接触面本构模型

土-结构相互作用界面层内某点土颗粒的应力,不仅取决于该点的应变及变形历史,而且还取决于与该点邻近的诸多点的应力。结合早期的非局部理论,即考虑非均质材料微小结构之间的相互影响和作用,将非局部塑性剪切应变表达为其本身所对应参数的加权平均,考虑结构面粗糙度对界面层内土体力学特性的影响,建立了相对低应力条件下基于应变梯度塑性理论的土-结构接触面本构模型,模型中各参量物理意义明确。结果表明:利用该模型可以研究土与结构相互作用时接触面上的剪切应力与剪切应变间的关系,尤其是峰值剪应力后即软化阶段二者之间的相互关系。     

基于广义位势理论的接触面弹塑性本构模型

基于广义位势理论,把土与结构的接触面问题看作(σn,τ)空间上的二维问题,用两个线性无关的势函数梯度矢量表示两个塑性应变增量的分量dεnp,dγp组成的矢量,并用塑性状态方程取代传统的屈服面,建立了双重势面接触面弹塑性新模型。结合含砾粗砂与钢板接触面单剪试验以及单向压缩试验资料,说明模型参数的确定方法,其中采用抛物线和一阶指数衰减曲线拟合接触面先剪缩后剪胀的试验曲线,曲线参数有物理意义且拟合精度高,参数完全可以通过试验确定。结果表明,模型数学原理清晰,物理假设少,且具有一般性,能够反映接触面的剪胀特性以及准确模拟接触面的变形特性。     

粗粒土与结构接触面统一本构模型及试验验证

在试验基础上建立了一个可统一描述粗粒土与结构接触面力学特性的本构模型。提出了新的建模思路,基于试验得到的接触面本构规律建立了模型的数学公式及参数确定方法。进行了多种法向边界条件下接触面单调和循环剪切试验,采用新建立的模型对试验结果进行了预测,模型预测结果与试验结果吻合良好。该模型参数易于确定,能够统一地描述包括单调与循环加载条件下接触面的应变软化、剪胀规律、异向性等主要力学特性,能够合理地考虑受载过程中接触面的物态及相应力学特性的演化,能够统一地描述低法向应力到高法向应力范围内接触面的力学响应。     

砂土的非共轴临界状态本构模型与数值模拟

传统的砂土本构理论不适用于密度和围压变化较大的情况,并且由于隐含了应力和塑性应变率的共轴条件,无法客观描述主应力轴旋转试验中的非共轴现象。本文基于材料状态相关砂土临界状态概念,将Pietruszczak和Stolle(1987)所提出的砂土本构模型进行了改进,并在模型中引入非共轴塑性流动理论来研究砂土的非共轴变性特性。通过对常规三轴试验和空心圆柱试验的数值模拟,表明模型不但能够合理反映初始密实度及有效围压对材料变形特征的影响,还能有效预测主应力轴旋转过程中主应力和主应变率的方向变化规律。     

土的基本特性、本构关系及数值模拟研究综述

按照对土的力学行为影响的程度,将土的基本特性分为三类:基本特性、亚基本特性与关联基本特性。基本特性包括三种:压硬性、剪胀性与摩擦性,它们是土区别于其他材料的最根本特性。亚基本特性包括应力历史依存性、应力路径依存性、软化特性、各向异性、结构性、蠕变特性、颗粒破碎特性以及温度特性等等,它们通过影响三种基本特性的发展演化规律而间接影响土的应力应变关系。关联基本特性包括屈服特性、正交流动性、相关联性、共轴特性以及临界状态特性等等,它们是考虑建立土的弹塑性本构模型过程中需要关注的基本概念或基本假定。在详细论述土的基本特性及其相互关系后,又通过对非线性弹性的Duncan-Chang模型、弹塑性的Cam-clay模型及其系列UH模型、Asaoka模型、Li-Dafalias模型、Yin-Graham EVP模型以及大陆学者的诸多模型进行深入剖析,具体阐述怎样对土的基本特性进行抽象概括建立本构模型、各本构模型能分别反映哪些特性以及是通过怎样的途径实现对土的基本特性的反映。随后,又探讨了将本构模型应用于数值模拟中的诸多思考以及土工计算方面的个人体会。分别讨论了土工数值模拟的精度以及影响因素,数值模拟中本构模型的选取及参数的获得,变形计算分析中土体初始状态的考虑方法,土体破坏过程模拟分析中对应变局部化的处理,以及在土与结构的接触特性分析中解决二者位移不连续问题的建议。     

超固结土本构模型分叉三维理论分析及数值模拟

应变局部化分叉的产生强烈依赖于本构模型的弹塑性矩阵。以基于伏斯列夫面超固结黏土三维本构模型为研究对象,推导了三维应力下产生分叉的应力条件,求出了该模型在常平均应力时不同应力路径下分叉三维解析结果。解析结果表明：该模型在应力洛德角为-26.5°～7.5°时,有分叉现象产生,分叉产生于土体应力应变的硬化阶段,且分叉后剪切带倾角变化趋于稳定;而应力洛德角在-30°～-26.5°及7.5°～30°时无分叉现象出现。最后,利用有限元软件ABAQUS的材料子程序接口,采用回映应力更新算法,编写了材料特性子程序,实现了该模型在有限元数值分析中的应用,对均匀各向同性多单元立方体进行常平均应力时真三轴试验数值模拟,并比较数值计算结果与解析结果,验证了解析解与数值模拟结果的一致性。     

花岗岩峰后力学特性试验与模型研究

深部围岩在开挖卸载过程中表现出的峰后复杂力学特性一直是工程界十分关注的问题,深入研究岩石峰后力学行为对深部资源开采工程具有重要意义。以深部立井马头门工程为依托,通过室内试验方法研究花岗岩峰后力学特性,采用非线性拟合方法获得花岗岩峰后软化模量与围压的指数关系式,假定岩石的剪胀角为恒定值,基于塑性理论构建考虑围压及剪胀角影响的岩石峰后应变软化模型;以FLAC3D为平台开发数学模型并进行验证,通过构建马头门巷道数值模型,分析深部围岩在应变软化条件下的破坏特征规律。通过研究可知,花岗岩峰后破坏具有脆–延性转化趋势,在高围压条件下,岩石峰后表现出塑性软化破坏特征,岩石峰后软化模量随着围压的增大而减小;通过FLAC3D进行数值验证可知,构建的应变软化模型与试验数据基本吻合,所建立的应变软化模型具有较高的可靠性;通过数值模拟方法分析深部马头门巷道围岩破坏特征可知,巷道拱顶及拱脚等局部区域出现了塑性剪切应变,与现场巷道围岩破损位置及深度基本相同。     

红层泥岩的剪切蠕变试验研究

红层是红色陆相沉积为主的碎屑沉积岩层,岩性以砂岩、泥岩、粉砂岩和页岩为主。红层中的泥岩抗压强度较低,并具有明显的流变特性,蠕变变形量较大,常造成工程边坡的失稳和破坏,在进行工程勘察设计时应充分考虑红层泥岩的蠕变特性,进行合理的参数取值。本文通过对滇中地区红层泥岩进行的室内剪切蠕变试验研究,分析了不同的法向正应力下天然状态与饱水状态红层泥岩的剪切蠕变特性,并通过对红层泥岩长期强度与短期强度试验资料的分析,提出了红层泥岩长期剪切强度的取值建议。     

建筑钢筋动态试验及本构模型

利用MTS New 810电液伺服材料试验机,对不同强度的建筑钢筋在地震作用应变率范围(2.5×10-4/s～0.1/s)内的动态特性进行了试验研究。采用单调拉伸、常幅值循环和变幅值循环三种加载方式,加载过程由应变控制并保持应变率恒定。试验结果表明,钢筋的力学和变形性能在不同加载方式下均有应变率敏感性,应变率敏感性的大小与准静态屈服强度密切相关,相同应变率下循环加载的骨架曲线与单调加载的拉伸曲线基本重合。对试验数据进行回归分析,得到了钢筋的力学性能特征值和变形性能特征值随应变率变化的规律,进而结合Hoehler模型提出了一种钢筋动态循环本构模型,与试验结果对比表明该模型能很好地描述钢筋的动态行为,建议的钢筋动态本构模型可以应用在钢筋混凝土结构抗震分析中。     

红黏土地基承载力的离心模型试验与数值模拟

为了对比研究柔性和刚性浅基础黏土地基破坏机理和极限承载力,采用离心模型试验和数值分析方法研究了云南红黏土。得到如下结论:柔性基础地基相对于刚性基础地基极限承载力有明显的提高,沉降也相应增加;柔性基础地基有更好的位移协调性,其裂缝开展较晚并远离基础角点,分布更密、更均匀;刚性基础地基的滑动面要比柔性基础更大、更深;基础外侧地基土竖向位移由持续沉降转向隆起时的承载力可作为局部剪切破坏的极限承载力。     

多孔介质中化学–热–水力–力学耦合过程本构模型和数值模拟

本文发展了一个多孔介质中的化学–热–水力–力学(CTHM)耦合本构模型。该模型基于文献[1]中多孔介质热–水力–力学(THM)本构模型、文献[2,3]中的污染物传输本构模型和文献[4]提出的化学–力学本构模型。在本构模型中引入化学软化函数以模拟孔隙水中有机污染物对多孔介质力学性质的影响。考虑了温度对污染物传输机制的影响。本文CTHM耦合本构模型已在多孔介质的热–水力–力学–污染物传输数学模型中建立。在CTHM本构模拟框架中对计及化学塑性效应、描述在热–水力–污染物传输耦合作用下多孔介质力学行为、在应力–吸力–温度四维空间中包含了五重屈服面的耦合本构模型发展了一致性切线模量矩阵。数值结果突出显示了污染物浓度在多孔介质化学–热–水力–力学(CTHM)耦合系统中的影响。     

牛栏江大桥模态测试及数值模拟

模态是结构的固有特性,结构模态参数由结构刚度、质量分布等因素决定,是决定结构动力特性和衡量数值分析结果可靠性的重要参数。本文通过合理选择传感器和数据采集器,克服了信号弱的困难,经现场测试得到牛栏江大桥竖向、顺桥向和横桥向的固有频率,并通过对比分析有限元模拟结果和现场实测结果,证明引桥质量对主跨模态参数影响很小,为实验室中进行主跨刚构部分的地震反应分析和伪动力试验提供了重要基础。     

岩土材料的两种经典本构模型之分析比较

文章选取了岩土材料的两种经典本构模型,通过详细的介绍与比较,从本质上分析其各自的优缺点,从而对这两种本构模型做了比较,以便为以后工程实践中提供一些参考和借鉴。