岩土类材料的多重势面弹塑性本构模型理论

<正> 一、前言 传统的增量塑性本构理论是以塑性公设为基础,以屈服面的概念为前提而建立的,其关键则是所谓正交法则。岩土力学的弹塑性本构理论,目前主要是依据传统塑性本构理论的假设和概念而建立的,如剑桥模型,黄文熙等的清华模型,其屈服面是依据正交法则来确定的,而真正的土的屈服面是很难象金属材料那样,由实验通过屈服的定义来确定的,因为岩土类材料不象金属具有一个明确的屈服点。土一开始即有塑性变形的,因此,屈服面的概念严格说来是一种理想化的概念。把这种概念用于岩土类材料是存在不少困难的,因     

3种胶结岩土材料本构模型中破损规律的离散元验证

采用离散元法（DEM）对胶结岩土材料本构模型中的破损规律进行验证。首先,根据胶结颗粒间胶结特性,建立适用于胶结颗粒的微观理论;其次,基于该微观理论,给出3种经典胶结岩土材料本构模型破损参数的微观解释;最后,对数值试样进行等向压缩、等应力比压缩及双轴压缩试验的离散元数值模拟,并对比验证数值试样破损规律的模拟结果与本构模型的预测结果。结果表明：采用DEM对胶结岩土材料本构模型的破损规律进行验证是可行的。3种加载条件下,扰动状态模型假定的破损规律同模拟结果均较为一致;Nova模型在双轴压缩试验条件下的预测结果同模拟结果存在很大差异;而上负荷面剑桥模型假设的破损参数则不能很好描述上述加载条件下数值试样的破损规律。     

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。     

基于微观破损规律的结构性土本构模型

在岩土破损力学理论的基础上,通过考虑土体结构性破损的微观机理,建立了结构性土的本构模型。通过定义与重塑土屈服面几何相似的结构性屈服面,模型可以反映结构性对土体力学特性的影响;通过引入表征结构性损伤的破损参数,确定了结构性土加载过程中的硬化规律。该破损参数基于岩土破损力学中应力应变分担的概念而提出,具有明确的力学意义;模型的硬化规律同时考虑了塑性体应变及塑性主应变的影响,可以更好地反映土体结构性损伤过程。将该本构模型用于结构性土室内固结试验及三轴压缩试验结果的模拟,初步验证了该模型的合理性。     

21 世纪应建立岩土材料的本构理论

２１世纪应建立岩土材料的本构理论杨光华（广东省水利水电科学研究所，广州，５１０６１０）１发展岩土等复杂材料本构理论的必要性到目前为止，大多数岩土本构模型的理论基础仍是经典的金属材料本构理论。与岩土材料比较，金属材料是一种较简单的材料，若把复杂材料的...     

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。     

考虑拟弹性塑性变形的土体弹塑性本构模型

传统弹塑性理论下的关联流动模型用于岩土材料时,对更一般的本构关系的描述难以令人满意,这是因为土的塑性应变增量方向存在非唯一性,这在理论和试验上都已得到证明。传统弹塑性理论是基于塑性应变增量方向具有唯一性的假设之上的,因而不论采用关联流动法则还是非关联流动法则,都难以较好地解决岩土材料本构关系的建模问题,有必要去发展新的理论。同时已有的研究也表明土的塑性应变增量方向不仅取决于总应力,也与应力增量是相关的,即表现出弹性应变的特性。在广义位势理论的基础上,研究塑性应变增量的分解准则,提出了考虑拟弹性塑性变形的土体弹塑性本构模型,把传统不可恢复的塑性应变增量分解为具有弹性应变特性的拟弹性部分和纯塑性部分。拟弹性部分遵从弹性法则,并与应力增量有相同的方向,采用弹性模型表示;纯塑性部分遵从传统塑性理论的假设,方向具有唯一性,可以采用符合塑性理论的假设来建模。这样分解后建立的模型将更为合理和简便,又可以解决土的塑性应变增量方向存在非唯一性的问题。最后通过与试验结果的对比证明了其可行性,对试验结果可得到效果更好的模型。     

土的多重势面模型及其验证

多重势面理论给岩土材料的本构关系研究指出了更开阔的数学背景,由此建立的土的本构模型可以无需推求塑性势函数和屈服函数, 且其所能表述的本构关系比通常的塑性位势理论更为广泛。文中介绍了基于多重势面理论所建立的应变空间的多重势面模型,并对其适用性进行验证。     

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。     

CPTU数据校准黏土和砂土统一模型本构参数的随机力学-贝叶斯方法

黏土-砂土统一本构模型CASM(Clay And Sand Model)与剑桥模型相比引入了状态参数，可描述黏土和砂土的复杂力学状态，但其本构参数(一类精细的岩土参数)因存在天然的变异性和认知的不确定性，难以精细确定。以CASM模型为基础推导球孔扩张和孔压静力触探试验CPTU(Piezocone Penetration Test)贯入机理，结合原位测试数据，采用随机力学-贝叶斯方法校准关键本构模型参数，如间隙比、应力状态系数、临界状态应力比和超固结比。首先推导基于CASM模型的球孔扩张理论，解释极限扩孔应力与CPTU数据的贯入力学机理。然后提出基于MCMC(Markov Chain Monte-Carlo)法的贝叶斯抽样算法。最后采用以上随机力学-贝叶斯方法校准上海苏州河段深层排水调蓄管道系统工程云岭西地区第⑧1层土和第⑧2层土的本构模型参数，并通过数值模拟评估本构模型参数后验分布的准确性。研究结果表明：本构参数经过贝叶斯理论校准后，其变异性减小，且具有一定的统计相关性。利用校准后的本构参数进行基坑开挖模型数值计算，得到的结果更加符合工程监测值，证明了利用原位测试数据校准本构参数的随机力学-贝叶斯方法的有效性。以上研究揭示了CASM本构模型与CPTU数据之间的力学机理和数学统计规律，并为其他本构模型的开发和参数校准提供了新的研究思路。     

Unified description of different soils based on the superloading and subloading concepts

Geotechnical engineering often involves different types of geomaterials, such as sandy soil and clayey soil. Existing studies have confirmed that these soils have some common features, i.e. their mechanical behaviors depend not only on the inherent characteristics but also on their initial states. To describe the main mechanical behaviors of different soils within a simple and reasonable constitutive framework is of great significance for the numerical analysis on geotechnical engineering. This paper first introduces a model based on the concepts of superloading and subloading, which considers the “state dependence” (effects of overconsolidation and structure) of soil and only adds two material parameters compared with the Cam-Clay model. Secondly, conventional triaxial tests are systematically carried out on four types of soils (i.e. sand, silty clay, clay, and intermediate soil) with different initial void ratios, and the mechanical similarities and differences of these soils are discussed uniformly. After that, six material parameters of these soils are uniformly determined based on the concepts of superloading and subloading, and then used in constitutive calculations to verify the feasibility. The calculated results show a good agreement with test data, indicating that the model based on the concepts of superloading and subloading has great potential for describing the general mechanical behaviors of different soils within a unified framework. This work is expected to be applied to constitutive selection and parameter determination in the geotechnical numerical analysis of complex soil profiles.     

现代土力学研究的新视野——宏微观土力学

随着岩土工程领域的不断拓展,特别是在深地、深海、深空工程（“三深工程”）方面需要面对更多复杂的岩土材料和环境条件。基于连续介质和唯象的常规土力学理论与方法在描述岩土材料的非连续性、大变形和破坏等复杂特性以及复杂环境影响上有许多缺陷。宏微观土力学力图从本质上探求岩土材料复杂宏观特性的微细观机理,建立其多尺度分析理论与方法,解决岩土力学与工程中的疑难与关键问题,从而帮助提高工程设计水平。本文回顾了宏微观土力学近40 a的发展历程,从宏微观土力学的研究方法、理论和应用等方面综述了国内外学者的主要研究成果,包括典型土体的微观特性、微观本构理论、宏微观关联、基于微观机制的宏观本构理论等。研究土体包括陆地上黏土、结构性砂土、黄土、深海能源土和太空土（月壤）。重点阐述了宏微观土力学的重要研究手段之一的离散单元法在模拟陆、海、空疑难岩土力学与工程中的应用与拓展,探讨了宏微观土力学研究所面临的各种挑战和重大机遇。通过系统介绍上述研究成果,勾勒了宏微观土力学的基本框架,以期推动该研究方向的加速发展。     

岩土损伤本构模型研究进展

损伤力学在岩土工程中的应用日益广泛,很多学者建立了一大批基于不同条件的、适合不同材料的、考虑不同环境影响的各式各样的岩土损伤本构模型。根据研究损伤的方法不同,本文将这些损伤本构模型大体分为三类:宏观损伤本构模型、细观损伤本构模型和统计损伤本构模型,并对其进行评述,指出了当前损伤本构模型研究存在的问题和发展趋势。     

Three and more dimensional modelling in geo-engineering

Full three-dimensional modelling has been developed and is implemented for many sites where engineering structures are built. Such computer models of the subsurface allow for a more sophisticated handling of subsurface data leading to, for example, better dimensioning of geotechnical units, the evaluation of hazard and risk, foundation design, tunnel routing, planning and building, etc. Other applications are the back-analysis for completed civil engineering projects to verify the correctness of assumed and estimated ground models and parameters, the verification of the correctness of constitutive models for ground behaviour and the use of back analysis to improve building methodologies or equipment. The paper illustrates some of these advantages with a number of state-of-the-art applications of three-dimensional modelling in engineering geology and geotechnical engineering, highlighting a number of key issues when computer-aided 3D modelling is used: the definition of geotechnical (homogeneous) zones, scale and detail, uncertainty and likelihood of the developed model.     

应力空间岩土本构模型的三维图像

本构模型的三维图像对于全面掌握本构理论具有十分重要的意义,然而现有文献提供的三维模型图像要么粗糙要么不成系统,且目前还没有学者系统地进行过本构模型三维图示化的工作。因此,在简要总结现有本构理论的基础上,对常用的大多数岩土材料本构模型进行了三维图示化,它们对于进一步完善本构理论具有积极的指导作用。     

饱和土体固结压缩和蠕变的热力学本构理论及模型分析

岩土热力学模型（thermodynamic soil model,TSM）是基于颗粒固体的非平衡态热力学理论,建立的一种崭新的描述岩土力学问题的统一理论模型。该模型引入“颗粒熵运动”和“弹性弛豫”,对土体颗粒层次的耗散机制进行了合理地考虑,这些使得模型能够更深入描述土体的变形和能量耗散机理,从而能够在统一理论框架中描述岩土体复杂多变的物理力学行为。基于该理论模型,研究了饱和土体的固结压缩和蠕变问题,分析了加载速率、应力/应变路径和非单调荷载等因素的影响规律。模拟结果表明：模型具有描述复杂条件下的饱和土体的固结压缩和蠕变特性的能力,具有较高的理论和工程应用价值。     

ANSYS中Duncan-Chang模型的实现及验证

介绍了在ANSYS中开发Duncan-Chang材料本构模型的方法,给出了开发过程的概要。数值检验表明,在AN-SYS中增加Duncan-Chang材料本构模型后,不仅可以充分地利用该软件强大的非线性求解平台,而且还有可能完成复杂岩土工程应力应变的有限元数值分析问题。     

现代地基设计理论的创新与发展

主要介绍了依据现场原位压板载荷试验而建立的一套地基设计的新理论.地基设计中地基沉降计算与地基承载力合理确定的问题是土力学中的经典问题.现代土力学理论虽然发展了土的本构模型和现代数值计算方法,解决了非线性等复杂的计算难题,但实际工程设计中,目前采用的仍是传统的半理论半经验的方法,这是土力学理论创立近百年以来都没很好解决的...     

应变软化材料的广义孔隙压力模型

应变软化材料破坏过程中的变形局部化和剪切带形成问题，是岩土力学界和固体力学界共同关注的一个焦点，但多年的研究未能取得重大的突破。本文在作者不久前建议的广义吸力概念的基础上，提出了用类似于孔隙压力产生的方法来描述软化过程的理论。按照这一理论，应变局部化问题可以应用常规有限元方法进行分析，从而为解决实际工程中的逐渐破坏问题开辟了新的途径。文末通过具体算例说明建议方法的可行性。