砂土应力路径不相关的修正塑性功硬化 参量与函数

砂土的变形强度特性明显存在着应力路径效应,因此在砂土的弹塑性本构建模时硬化参数和函数的选取并不是一个简单的事情.针对砂土的这一特性,用密实砂土进行一系列多应力路径的平面应变压缩试验.试验结果表明,所有的应变增量(例如轴向、横向、剪切以及体积应变等增量)及塑性功增量都与应力路径具有较大的相关性,因而在传统的砂土弹塑性分析中利用以上任何一个状态量作为硬化参数并假设其与应力路径不相关是不合理的.基于广泛的多应力路径平面应变压缩试验结果以及细致的数据处理分析,发现一个特殊的修正塑性功参量以及相关的函数,它们与应力路径不相关,因此在砂土的弹塑性解析中假定它们作为硬化参量和函数是与理论假设一致的.理论计算结果与室内试验相比较表明,利用提出的修正塑性功作为硬化参数和硬化函数所构成的砂土的弹塑性模型可以很好地模拟砂土材料变形及强度的应力路径效应.     

砂土的双硬化特性与弹塑性本构模型

 基于高精度的丰浦砂三轴等向加卸载试验与多应力路径平面应变压缩试验结果,提出平面应变条件下的修正塑性功体积硬化函数,得到双硬化框架下的修正塑性功剪切硬化函数,建立应力路径不相关的丰浦砂修正塑性功剪切–体积双硬化函数。在该双硬化函数基础上,推导基于修正塑性功的增量型剪切–体积双硬化弹塑性刚度矩阵,构建可以考虑多种变形强度影响因素的丰浦砂本构模型。数值计算与室内试验结果的比较表明,该砂土双硬化弹塑性本构模型可以合理地模拟砂土材料的变形强度特性。     

复杂应力路径下堆石料的颗粒破碎特性研究

针对堆石料进行了一系列等向压缩、常规三轴和复杂应力路径试验,采用相对颗粒破碎率为度量研究了多种应力路径条件下堆石料的颗粒破碎特性。对不同应力路径下试验过程中的塑性功进行了对比,分析了颗粒破碎与平均应力p、广义剪应力q所做塑性功之间的关系,研究了不同应力路径下三轴试验颗粒破碎的差异和原因。结果表明:模拟心墙土石坝填筑和蓄水应力路径下的颗粒破碎远小于常规三轴试验。多种应力路径下塑性功与相对颗粒破碎率之间存在明显的相关性,并可用幂函数较好拟合。不同应力路径下塑性功分量之间差异明显。常规三轴试验中广义剪应力q所做功占总塑性功的主要部分,不同复杂应力路径试验p,q所做塑性功占比差异较大。     

堆石料广义塑性模型研究

通过分析试验资料和以往研究成果,修正了堆石料不同围压下剪切过程峰值应力比表达式,论述了塑性模量对平均应力的依赖性。基于广义塑性理论框架,借鉴Lade-Duncan单屈服面模型中引入塑性功定义硬化规律的思路,对塑性模量进行了修正,提出了一种改进的广义塑性模型。为了验证改进方法的合理性,塑性模量改进方法被应用于刘恩龙模型,同时使用提出的修正广义塑性模型预测了另外两种堆石料试验。不同围压下模型的预测结果与试验结果吻合较好,表明修正的模型可以较好地预测堆石料的应力–应变特性。     

考虑应力路径和加载速率效应砂土的弹黏塑性本构模型

 利用室内多应力路径平面应变压缩试验结果,分析和研究密实砂土变形和强度特征的应力路径和加载速率效应。试验结果表明：一方面,不可恢复体积应变和剪切应变都具有明显的应力路径相关性,因而在传统塑性理论中将其作为硬化参量存在不合理性;另一方面,砂土的应力–应变特性与加载速率的变化存在着显著的关系。加载速率效应与蠕变和应力松弛一样均是砂土黏性的外在反映,其最重要的特征之一是加载速率发生突变时,应力也发生相应的突变,并呈现出刚性很大、近似弹性的特性。对试验结果的进一步分析发现,一种修正的不可恢复应变能W ir*及相关的函数与应力路径不相关。将W ir*作为硬化参量,并在非线性三要素模型的理论框架下,提出一种基于能量的砂土弹黏塑性本构模型。该模型可以考虑应力路径、压力水平、固有各向异性、孔隙比等因素对砂土变形和强度特征的影响,以及应变局部化和加载速率变化所产生的黏性特性。将上述模型嵌入到有限元程序中,并对平面应变压缩试验进行模拟计算,验证模型的精确性。研究结果表明,与现有的砂土本构模型相比,所提出的模型能更好地模拟应力路径及加载速率变化对砂土变形和强度特征的影响。     

应力-应变曲线初始屈服的一个新定义及其应用

将弹塑性理论中塑性应变路径相关硬化参量的计算和材料初始屈服的概念结合起来,提出一个确定应力-应变曲线初始屈服的新方法.该方法的思想是利用破坏点的确定性给出确定的初始屈服点,其关键是如何计算每条应力-应变曲线的路径相关硬化参量.作为上述新定义的一个应用,选择广义塑性偏剪应变作为塑性应变路径相关的硬化参量,利用一组较高围压下煤岩加卸载应力-应变全曲线数据,确定其初始屈服点,并绘制不同硬化状态的q-p应力与破坏轨迹.分析表明,q-p应力空间中煤岩后继屈服轨迹的斜率呈逐渐递增的非定值性.这是煤岩一个重要的斜率非等值硬化现象,值得深入研究.     

基于等效时间的双屈服面三维流变模型

为了同时描述土体剪缩剪胀及流变特性,运用Yin-Graham等效时间法建立了双屈服面三维流变模型。首先,以Yin-Graham三维流变方程作为反映剪缩机制的第一屈服面流变方程;其次,以Matsuoka-Nakai 屈服准则作为反映剪胀机制的第二屈服面,以黏塑性功为硬化参数,采用非相关联流动法则,借鉴Mesri建模思路构建应力-黏塑性功-时间关系,利用等效时间法得到应力-黏塑性功-黏塑性功速率关系式,借助Perzyna过应力理论建立第二屈服面三维流变方程;再次,按照双屈服面模型理论将以上两个流变方程结合起来,提出一个基于等效时间的双屈服面三维流变模型,并利用经典的四阶Rung-Kutta方法编制差分计算程序,获得流变模型的数值解答;最后,利用加拿大膨润土及香港重塑海相沉积土三轴固结不排水流变试验将预测值与实测值进行对比,以验证该模型在流变试验中的适用性。结果表明：建立的流变模型可以较好地模拟不排水流变试验多级加载和单级加载发展过程以及土体剪缩剪胀特性。     

基于等效时间的双屈服面三维流变模型

为了同时描述土体剪缩剪胀及流变特性,运用Yin-Graham等效时间法建立了双屈服面三维流变模型。首先,以Yin-Graham三维流变方程作为反映剪缩机制的第一屈服面流变方程;其次,以Matsuoka-Nakai屈服准则作为反映剪胀机制的第二屈服面,以黏塑性功为硬化参数,采用非相关联流动法则,借鉴Mesri建模思路构建应力–黏塑性功–时间关系,利用等效时间法得到应力–黏塑性功–黏塑性功速率关系式,借助Perzyna过应力理论建立第二屈服面三维流变方程;再次,按照双屈服面模型理论将以上两个流变方程结合起来,提出一个基于等效时间的双屈服面三维流变模型,并利用经典的四阶Rung-Kutta方法编制差分计算程序,获得流变模型的数值解答;最后,利用加拿大膨润土及香港重塑海相沉积土三轴固结不排水流变试验将预测值与实测值进行对比,以验证该模型在流变试验中的适用性。结果表明:建立的流变模型可以较好地模拟不排水流变试验多级加载和单级加载发展过程以及土体剪缩剪胀特性。     

基于平面应变试验的修正塑性功硬化软化模型

以改良型平面应变仪为基础,通过一系列平面应变和三轴压缩试验,对砂土的应力应变特性进行了研究,推导出以修正塑性功为硬化参数的本构关系。改良型平面应变仪较好地解决了加载面的摩擦及约束问题,能保证ε2的控制精度,并采用了合理的变形量测整理方法。本文提出的弹塑性模型仍以传统塑性理论为框架,其弹性特性、破坏准则、硬化参数及塑性势等均直接从试验曲线推导,以修正塑性功为硬化参数的硬化准则函数能反映硬化及软化的全过程曲线,并从试验结果推导了非关联流动准则塑性势函数。该模型结构较为清晰,参数选取规范,模型验证表明计算结果与试验结果较为吻合。     

土的清华弹塑性模型及其发展

 土的清华弹塑性模型具有独特的建模方式。在Drucker假说的基础上,无需其他的附加假设,通过试验资料直接确定塑性势面和塑性势函数,选择适当的硬化参数使屈服函数与塑性势函数一致。通过真三轴试验及平面应变试验,利用该模型的建模方法,在π平面上确定了一种双圆弧的屈服轨迹,从而建立了该模型的三维形式,提出了相应的流动规则表达式;在小浪底堆石料的三轴湿化试验基础上,发现湿化应变作为一种塑性应变与通过该点的屈服面正交,因而只需分别确定干土与饱和土的清华弹塑性模型的参数,同时进行各向等压条件下的湿化试验,测量其湿化体应变,就可以计算出在任意应力状态下浸水湿化的应力应变全过程;与湿化的清华模型相似,进行了不同含水率的土的三轴试验,并进行在干土试样中预加冰屑然后在指定应力状态下使其融化均匀增湿的三轴试验,发现屈服函数不变,硬化参数可以表示为塑性应变和含水率的函数,从而绕过了基质吸力这一变量,建立了非饱和土的清华模型,试验表明它可以合理地预测从干试样增湿到其他含水率的应力应变全过程;密实的永定河砂的试验表明,在相同应力状态下,应变硬化段与应变软化段的塑性应变增量的方向是一致的,将硬化参数表示为塑性功的函数,则可以描述土的应变软化,模型试验结果表明了建立的反映应变软化的清华模型可以合理地计算浅基础的荷载沉降关系;将等向硬化改为旋转硬化,就可以计算砂土在减载和循环加载下的应力应变关系。清华弹塑性模型是一个具有很大发展空间的模型。     

基于能量耗散的土体本构关系及其参数确定

从热力学基本理论出发，研究了土体受力变形过程中的能量耗散函数，据此构造了土的弹塑性模型。模型的屈服轨迹、塑性流动、硬化规律及弹性规律均可通过自由能函数和耗散增量函数推导得到。研究中区分塑性功与能量耗散，引出了储存塑性功的概念，定性地讨论模型参数的物理意义及其取值。并通过拟合三轴试验曲线，确定了模型参数；将计算的应力一应变曲线及体变曲线或孔压增长与试验结果比较，验证了模型的有效性。这种本构模型的构造方法掘弃了以德鲁克公设为基础的传统塑性理论，自动满足热力学定律，具有较为严密的理论基础。     

考虑应力方向依赖性的砂土等效统一硬化模型研究EI北大核心CSCD

土的应力方向依赖性是指土的力学特性随应力方向改变而改变的性质,其内在原因是颗粒堆积形成的土体在微观尺度上具有各向异性。为了定量描述各向异性颗粒材料沿不同方向孔隙特征的差异,提出孔隙面积比的概念,即颗粒材料某一截面上孔隙面积与颗粒面积之比,并建立孔隙面积比与组构张量之间的定量关联。在此基础上,将各向异性状态参数定义为当前方向的孔隙面积比与孔隙面积比的平均值(或孔隙比)的差值,以定量描述材料不同方向的状态与平均状态之间的关系。进而采用等效应力法对砂土UH模型进行“改造”,建立砂土的EUH模型。EUH模型仅增加了2个试验参数,便可以很好地反映应力路径、孔压、应力-应变关系的应力方向依赖性,实现了对主空间和物理空间中各应变分量应力方向依赖性的精确预测,进一步验证了等效应力法的科学性,为等效应力法的工程应用奠定了坚实基础。     

高周循环荷载作用过程中土体塑性包络的弹塑性累积模型

目前仍没有一个完整的理论框架既能合理描述土体的循环变形,又能适合于高周循环计算与预测,基于Perzyna黏塑性本构模型的理论框架,将一定循环荷载增量内的累积塑性应变增量作为一个封装,提出一个既反映高周循环荷载的特征,又可任意选取积分步长的弹塑性累积模型。采用临界状态土力学的观点,使用累积塑性体应变作为硬化参数并通过幂律的形式来描述塑性应变累积的大小,在硬化准则的描述上,引入反映平均应力影响因式来描述安定性应力水平的硬化过程;另外,在塑性应变累积方向的描述上,采用平均应力状态下修正Cam-clay模型的流动准则。通过模型预测与循环三轴试验结果对比发现,模型在模拟低应力水平下的塑性应变累积行为具有足够的精度,对于高应力水平(尤其当平均应力水平接近或高于临界状态线时)的情况,模型预测与试验结果有一定差距。     

采用修正塑性功硬化参数的双屈服面模型及应用

 首先对国内外双屈服面模型的发展进行回顾,指出土体模型中双屈服面概念的必要性和合理性。其次以平面应变试验结果为基础,直接推导出双屈服面模型各部分关系式,其中体积屈服面以塑性功为硬化参数,硬化函数与试验结果吻合程度较好,剪切屈服面以修正塑性功为硬化参数,满足了其与硬化面关系唯一性的要求,并可反映硬化–软化全过程。为使其能较方便地应用于数值计算方法,推导适用于双屈服面模型的弹塑性刚度矩阵。最后应用该模型对一高填土工程的变形进行计算,比较显示其与实测结果较为吻合。     

非饱和黏性土水–力耦合弹塑性组合双面模型

非饱和黏性土在外荷载作用下呈现出复杂的水–力耦合特性。为描述水–力耦合对非饱和土应力–应变特性的影响，基于弹塑性理论，采用提出的循环塑性硬化法则，考虑(p’-q-s)空间内的任意应力路径变化，建立能够描述非饱和黏性土水–力耦合特性的弹塑性组合双面模型。该模型通过平均骨架应力和修正吸力反映应力和吸力的耦合作用，采用2组加载面和边界面组合，分别描述加载、干湿过程中水–力耦合引起的塑性屈服，实现非饱和黏性土水–力特性的全耦合分析和求解。与非饱和黏性土的常规静力三轴剪切试验结果的比较表明，所建模型能较好地模拟非饱和黏性土水–力耦合下的应力–应变特性。     

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。     

黄土弹塑性损伤本构模型

 通过对黄土在加载和增湿作用下能量的耗散和转换过程,以及黄土结构在加载和增湿作用下的破损规律分析,提出了黄土的增湿损伤变量的定义,并给出用与含水量或饱和度有关的增湿损伤的等效能量指标来描述增湿损伤的演化过程。参照J. C. Simo提出能量指标概念,提出黄土的加载损伤的能量指标,并通过黄土加载过程中的结构破坏过程、力学和强度指标的劣化分析,提出黄土的加载损伤演化方程。对黄土的常规三轴试验和压缩试验分析,提出符合相关联流动法则的以塑性功为硬化参数的椭圆形塑性加载函数。通过提出的塑性加载函数、加载损伤演化方程和增湿损伤演化方程,根据损伤力学和塑性力学理论推导出黄土弹塑性损伤本构关系,建立黄土的弹塑性损伤本构模型。     

包含Reynolds剪胀的砂土热力学模型

首先简要介绍了建立弹塑性本构模型的热力学方法,它不仅具有紧凑的数学结构,而且自动满足热力学定律.基于砂土变形的微观力学机制,将砂土的塑性体积应变增量分 为"应力诱发的体积应变增量"和"剪切应变诱发的塑性体积应变增量"(即Reylonds剪胀)两部分,自然地将与Reylonds剪胀相关的零功约束引入到弹塑性土体模型的热力学超塑性公式中,建立了包含Reynolds剪胀的砂土热力学模型.基于前人的试验结果与理论分析,建立了固结压力与应力诱发的剪胀角的硬化定律,通过对两种砂土试验数据与预测结果的对比分析,验证了模型的有效性.     

复杂加载下K0超固结黏土的本构模型

卸载后的K₀超固结黏土同时具有初始各向异性以及超固结特性,其特点有如下三方面：(1)当大主应力沿着K₀固结沉积面法线方向加载时,此时的剪切模量较等方向固结的剪切模量更高。(2)由于初始偏压固结导致三轴压缩下K₀固结黏土的临界状态应力比相较等方向固结的更大。(3)循环加载导致超固结特性以及应力诱导各向异性更为显著。基于超固结土UH模型,引入反映初始各向异性的边界面转轴参量ζ,通过倾斜边界面来提高其塑性模量。分析其剪胀应力比特征,提出状态应力比来替换统一硬化参数中的普通应力比,用来反映应变硬化、软化现象,引入旋转硬化规则用来反映复杂加载路径下的应力诱导各向异性性质,同时修正统一硬化参数,用来反映循环加载下的塑性体应变累积特性,塑性偏应变的滞回圈与棘轮特征,卸载路径的塑性变形特性。利用基于t准则的变换应力方法将上述新模型转变为三维本构模型,通过与一系列K₀超固结黏土在不排水及循环加载等复杂加载路径下的试验与预测结果进行对比,结果表明：新模型可简单方便地应用于K₀超固结黏土在复杂加载路...     

非饱和含黏砂土的弹塑性剪胀特性研究

通过引入能够较好反映非饱和土弹塑性变形特性的Barcelona模型并结合能够较好反映砂土剪胀特性的Lade模型,进行了3种不同应力路径的三轴试验,给出了能反映非饱和含黏砂土应力应变特性的非饱和弹塑性模型,并讨论了吸力和净围压对弹性应变、塑性应变、塑性功和屈服函数的影响。推导出了总体积变形的表达式,该式同试验结果变化规律符合较好,说明该理论适合于非饱和含黏砂土。同时,由试验数据可以得出含黏砂土的体变峰值点、剪胀特性同净围压和吸力的变化有密切的关系。