基于特征应力的正常固结土三维弹塑性本构模型

在特征应力空间中,Drucker-Prager形式的强度准则可以合理描述岩土类材料的真三维强度特性,即特征应力具有以各向同性形式的表达式描述岩土类材料各向异性力学特性的功能。在特征应力空间中,利用插值函数法直接提出了正常固结土的新的屈服函数,结合笔者已在特征应力空间中提出的塑性势函数,直接建立了正常固结土的真三维弹塑性本构模型。模型只有7个材料参数,每个参数均具有明确的物理意义,可利用室内试验简单确定。通过模型功能分析以及与文献中试验结果的对比验证表明,本文模型可简单合理地描述正常固结土的真三维变形与强度特性,并且可简化为修正剑桥模型。     

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。     

UH模型系列研究

岩土材料的本构模型是岩土工程学科的重要理论基础。合理的本构模型既能定性地揭示岩土的变形强度机制,也能定量地进行岩土体强度和变形计算。笔者20余年来潜心于土的本构模型研究,取得了以下3个方面的理论成果:1在修正剑桥模型的基础上,通过引入统一硬化(unified hardening,UH)参数,建立UH模型,该本构模型能够反映饱和超固结土的剪缩、剪胀、硬化、软化和应力路径相关性等特性,模型所用土性参数与修正剑桥模型完全相同;2扩展UH模型,使其考虑多种外部因素(温度、时间和基质吸力)、复杂特性(各向异性、结构性和小应变特性)和复杂加载条件(循环荷载、部分排水即渐近状态)等的影响;3提出广义非线性强度准则和满足热力学定律的变换应力三维化方法,从而实现了本构模型的合理三维化。UH模型已被嵌入到数值计算软件中,并被用于分析岩土工程问题。以上研究包括本构建模、强度准则、三维化方法和数值分析等方面,形成了独具特色的岩土本构理论和应用体系。     

饱和黏土中柱孔三维弹塑性扩张机制研究

 目前饱和黏土中柱孔弹塑性扩张问题解答均假定土体为理想弹塑性材料,因而柱孔扩张过程中土体剪切变形和剪切破坏的一致性无法体现,且既有研究成果无法综合考虑超固结比及土体的三维强度特性,使得理论计算值与实际存在较大偏差。为得出饱和黏土中柱孔不排水扩张问题的精确解答,采用基于SMP准则改进的修正剑桥模型(SMP-MCC),充分考虑土体三维强度特性和超固结比,在转换应力空间使用相关联流动法则,进而将柱孔扩张问题归结为一阶偏微分方程组的求解问题。在此基础上,根据弹塑性边界处的应力和位移条件,采用应力转换方法在转换应力空间建立偏微分方程组的定解条件,并通过数值方法得到柱孔扩张问题的精确解答,通过与修正剑桥模型解答相对比,研究柱孔扩张过程中孔壁周围土体应力的变化规律。结果表明,由于提出的三维弹塑性精确解答充分考虑了土体的三维强度特性,因而可以更加真实地反应柱孔扩张过程中土体应力场的变化规律。     

一种基于边界面的饱和软黏土弹塑性动本构模型

弹塑性动本构模型对循环荷载作用下路堤和地基基础的设计具有重要意义,构建兼顾实用性和通用性的动本构模型是目前岩土工程设计面临的主要问题.在临界状态和边界面理论框架下建立了综合表征饱和软黏土循环退化、非线性、滞回和变形累积特性的弹塑性动本构模型.在p'–q空间中,将参数n,ξ引入剑桥边界面方程,提出了反映水滴形和类椭圆形的...     

结构性黄土的修正剑桥模型

天然岩土材料强度变形特性与其结构性密切相关。在综合结构势理论的框架内,将结构性参数合理地引入到修正剑桥模型中,来预测结构性土的力学特性。首先,分析天然岩土材料的压缩特性和结构性之间的关系,即建立结构性参数与准先期固结压力、压缩指数和回弹指数的关系;其次,分析结构性土的强度特性,提出随结构性参数变化的临界状态线;最后,将结构性参数引入修正剑桥模型,建立符合天然岩土材料强度和变形特性的结构性模型。经过初步验证,该模型可以较为准确地反映结构性土的强度变形规律。     

混凝土材料的三维弹塑性本构模型

广义非线性强度理论将材料的强度特性分解为4个相互独立的因素,由4个材料参数分别描述,在主应力空间内的强度面连续光滑,存在连续的偏导数。将广义非线性强度理论作为屈服函数,以塑性剪应变作为硬化参数,将塑性剪应变与剪应力之间建立分段函数关系,采用非关联流动法则,建立混凝土材料的三维弹塑性本构模型。本构模型中各参数意义明确,通过材料试验结果对本构模型的验证表明,所建立的三维弹塑性本构模型可较好地描述混凝土材料的三维变形与强度特性,进一步可用该材料模型对混凝土结构进行多维非线性受力分析,为结构设计和分析提供依据。     

超固结土中排水圆孔扩张弹塑性UH解

目前超固结土中圆孔扩张排水解无法合理考虑超固结土的应力–应变关系和三维强度效应,因而其解答与实际情况存在一定偏差。现有研究表明三维统一硬化(UH)本构模型可以合理描述超固结土的力学特性,基于该模型推导了超固结土中柱孔和球孔扩张的排水半解析解。为得出该问题的精确解答,通过引入辅助变量并联合UH模型、应力转换法和大应变理论等,将弹塑性圆孔扩张问题归结为非线性微分方程组的初值问题。解答中孔周无弹性区,所需的岩土参数与剑桥模型相同。通过与基于修正剑桥模型的解答相对比,详细研究了圆孔扩张过程中孔周超固结土应力场和体积的变化规律。结果表明,预测结果合理模拟了超固结土的剪缩和剪胀、峰值强度、超固结比和潜在强度的衰化以及三维强度效应等特性,因此可以广泛应用于超固结土地区的扩孔工程分析。     

岩土类材料的静水压力效应

 岩土类材料的抗剪强度主要包括黏聚强度和摩擦强度,由材料颗粒间的黏聚力、摩擦力及颗粒的破碎提供,受静水压力的影响显著。分析材料在不同静水压力下2种强度的发挥机制,及材料颗粒破碎对抗剪强度的影响规律,阐述了岩土类材料静水压力效应产生的机制：低静水压力下,材料组分间的相互错动导致材料的破坏,表现为剪应力比破坏;高静水压力下,材料组分破碎导致材料的破坏,表现为剪应力破坏。采用三轴压缩子午面上的破坏函数发展了非线性统一强度模型,使其不仅能够合理地反映材料的中主应力效应,而且能更好地描述材料的静水压力效应,即抗剪强度与剪切滑动面上正应力之间的非线性关系。利用国内外取得的试验数据验证发展后的非线性统一强度模型,表明可合理地反映岩土类材料的静水压力效应,及复杂应力条件下岩土类材料的三维非线性强度特性。     

土的统一硬化模型

 土的统一硬化模型是基于剑桥模型,以变换应力方法和统一硬化参数为基本要素建立起来的弹塑性本构模型体系,它通过采用基于SMP准则、Lade准则或广义非线性强度理论的变换应力方法,实现了模型与强度准则的有机结合和模型的三维化。统一硬化参数的应用使模型可以描述土的剪缩、剪胀、硬化和软化、超固结性、各向异性、结构性、蠕变压缩和渐近状态等诸多特性。模型的参数较少、物理意义明确且可通过常规试验确定。它不仅发展和拓宽了剑桥模型的应用范围,而且也便于与现有工程软件结合,在工程中具有广阔的应用前景。     

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。     

特征应力空间中土的分数阶临界状态模型

分数阶微分具有连续描述零阶微分到一阶微分的特性,曲线的分数阶梯度方向不再与曲线切线垂直。分数阶微分的梯度非正交性质,可用于描述土的塑性流动方向与屈服面非正交的特性。基于特征应力与临界状态理论,在特征应力空间中利用非正交流动法则描述土的塑性应变增量方向,从而建立土的分数阶临界状态本构模型。所建立的模型首次将分数阶微分与特征应力统一于临界状态理论框架内,一方面模型可以同时描述三轴压缩和三轴伸长试验条件下土的变形和强度特性,另一方面也给出了利用三轴试验确定分数阶阶次的方法。所建立的本构模型只有5个材料参数,参数物理意义清晰,可通过常规室内土工试验确定,且模型可退化为修正剑桥模型。通过对典型应力路径条件下的试验结果进行预测表明,所建的模型能够合理地描述土的变形与强度特性。     

一个基于细观结构的粗粒料弹塑性本构模型

针对粗粒料的剪胀特性和强度非线性,在经典弹塑性理论框架内,建立了一个基于细观结构的粗粒料弹塑性本构模型。模型采用基于颗粒材料细观结构变化推导得到的屈服函数,在此基础上由非相关联流动法则得到的剪胀方程,结合粗粒料典型的三轴压缩试验结果,引入一种无黏性土的压缩模式,构造了能够统一描述粗粒料剪胀、剪缩特性的硬化参数。阐述了由常规三轴试验和等向压缩试验确定模型全部7个参数的方法。对3种粗粒料三轴压缩试验结果进行了预测,预测结果与试验结果吻合良好,说明模型能够合理地反映粗粒料的应力变形特性。     

基于统一强度理论的软岩损伤统计本构模型研究

基于统一强度理论，在考虑洛德参数的基础上，得到随洛德参数和中间主应力系数变化的材料统一强度参数，建立可以考虑中间主应力的统一强度理论平面形式的强度准则。假定软岩微元强度分布统计概率，定义软岩的统计损伤变量，依据统一强度理论建立三轴应力状态下软岩的损伤统计本构模型。通过软岩的常规三轴试验结果对其进行验证，对偏应力-应变的理论结果与试验结果进行比较。研究结果表明，该本构模型能够较好地反映软岩的偏应力-应变关系，尤其是应变软化特性。而且依据统一强度理论和统一强度内摩擦角的发挥，进一步分析表明洛德参数以及中间主应力系数b对偏应力一应变关系有影响，软岩的偏应力-应变曲线先随洛德参数的增大而上升到一定值，而后随洛德参数的增大而降低；随中间主应力系数b的增大而不断增加。     

岩石材料的非线性强度与破坏准则研究

将三维应力条件下岩石材料的非线性强度特性,分解为偏平面上的非线性与子午面上的非线性,在偏平面上研究中主应力效应,在子午面上研究静水压力效应,以及中主应力与静水压力的耦合效应。通过八面体面外法线方向与空间滑动面外法线方向二者之间的线性插值,提出统一强度理论的物理模型,每一种材料对应于一个特定的剪切破坏面,进而建立广义非线性强度理论,该理论具有明确的物理模型、清晰的物理概念,4个相互独立的材料参数均具有明确的物理意义,在主应力空间的强度面连续光滑。通过5种岩石材料的真三轴强度试验结果的验证表明,该理论可较好地描述不同类型岩石材料的非线性强度特性。基于广义非线性强度理论提出2种变换应力空间,将广义非线性强度理论分别变换为2个新空间中的Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则,通过5种岩石材料的真三轴强度试验结果的验证表明,该理论可以在变换应力空间中以Drucker-Prager准则、Mohr-Coulomb准则的形式应用。     

基于Lade-Duncan和SMP两种强度准则的岩石残余应力研究

 首先利用平面强度理论推导出基于Lade-Duncan和SMP两种准则的强度统一表达式,并结合岩石材料峰后应变软化的力学特性,以峰后内摩擦角?为中间变量,用残余应变 ? 来表示峰后非线性弹性模量E,最后建立岩石峰后残余应力的统一非线性本构方程(即峰后本构模型)。结合小官庄铁矿东区典型破裂岩闪长玢石的三轴试验,对该试验结果进行不同围岩下峰后应力–应变关系的模拟计算。结果表明,建立的峰后本构关系能较好地模拟试验结果,从而验证该模型的合理性,为研究岩石峰后力学规律提供新的途径。