基于两相介质理论之土层弹塑性大变形地震反应分析

基于土–水两相混合体完全耦合场方程及土体静–动统一本构,构建了新型普适性土层弹塑性大变形地震反应分析方法。考虑强震中土体大变形动力特性描述的困难,基于客观性张量推导,给出了严格的土–水两相混合体平衡方程式和连续方程式,分别进行空间和时间离散,编制了显式有限元–有限差分程序。通过超固结、结构性和应力诱导各向异性状态变量的引入,建立了物理意义明确的土体静–动统一本构,能够合理的表征土体的各类力学特性。数值计算中采用转换应力法,实现了试验应力状态向一般应力状态的拓展,满足复杂三维地层的动力计算需求。通过局部透射人工边界的设置,形成了辐射边界条件,构建了完备的土层反应程序。将分析结果与等效线性化方法和单相介质时域非线性分析结果进行对比,指出饱水砂土层的存在对地震波传播和地表地震动反应特性的影响。     

土石粗粒料的强度和变形特性的试验研究

根据大坝应力路径,对粗粒料进行等应力比和等应力比增量等于常数的三轴剪切试验,得出了相应的应力–应变关系式和规律;根据粗粒料的试验强度曲线特征,提出用幂次型函数表述粗粒料的抗剪强度,并以此为屈服准则,结合弹塑性理论建立了粗粒料的弹塑性本构模型,该模型可以用一个统一的表达式表述,该模型概念清晰、模型参数较少;同时推导出粗粒料的弹塑性矩阵;通过试验验证模型计算得到的粗粒料应力–应变关系曲线和实测结果吻合较好。     

堆石料加载与流变过程中塑性应变方向研究

确定塑性应变增量方向是建立土体弹塑性本构模型的核心之一,弹塑性理论中通常假定塑性应变增量方向仅与应力状态有关,与应力增量无关。流变试验是一种应力状态恒定的特殊试验,应力增量为零,所有应变均为塑性变形。研究流变过程中塑性应变方向与应力状态的关系及其与加载过程中塑性应变方向的差异,对于建立土体弹塑性本构模型具有重要价值。通过对某抽水蓄能电站筑坝堆石料的大型三轴压缩试验和三轴流变试验,分别研究了加载和流变过程中剪胀比与应力比之间的关系。结果表明,三轴压缩和三轴流变过程中,堆石料的剪胀比均随着应力比的增加而减小,且相同三轴压缩应力状态下,堆石料的流变剪胀比明显大于加载剪胀比,即流变过程中堆石料剪缩性比三轴压缩过程中的剪缩性更为强烈。因此,采用相同的塑性势函数同时确定加载塑性应变方向和流变黏塑性应变方向是不恰当的,建立考虑堆石料流变的弹塑性模型时应该选用不同的应力剪胀方程或塑性势函数。     

考虑空隙压密特征的岩石弹塑性损伤增量本构模型

岩石的变形破坏全过程包括压密–弹性–塑性–损伤多个阶段,现有的基于经典弹塑性理论与损伤力学同时考虑岩石压密变形机制的本构模型研究较少。将岩石抽象为岩石骨架与岩石空隙2部分,依据空隙变形机制计算非线性压密变形,基于Drucker-Prager准则分析塑性变形特性,采用体积变形描述损伤演化规律,在经典弹塑性损伤理论框架下建立岩石压密–弹塑性损伤增量型本构模型及其积分算法。将岩石总变形视为压密、弹性与塑性3个部分,考虑空隙部分无法承受剪力且各方向变形无相互影响的特征,通过应力、应变张量谱分解在主应力方向上计算总应变。数值积分方法为基于Drucker-Prager准则的主应力方向回映算法,采用压密弹性预测方法计算预测应力,以分析迭代步中压密应变增量对总应变增量的影响。压密–弹塑性损伤本构模型与算法充分考虑空隙非线性变形机制与压密变形特性,共涉及压密、弹性、塑性、损伤4类10个参数,适用于长期服役过程中外部环境作用下空隙占比逐渐增加,骨架强度逐渐减小的工程岩体。应用模型研究干湿、冻融循环2种典型外部环境对岩石特性的影响,结果表明模型能够很好地模拟外部作用后工程岩体变形破坏的全过程,具有一定的理论...     

适用于弹黏塑性本构模型的修正切面算法

针对弹黏塑性本构模型将原始切面算法进行了修正。该弹黏塑性本构模型结合了修正剑桥模型和过应力理论。首先对弹黏塑性本构模型的应力–应变关系式进行了调整,基于过应力理论给出了动态加载面硬化参数的演化方程。其次,利用切面算法对整理后应力–应变关系式进行了数值实现。在弹性试算过程中,该算法假设黏塑性应变率为常数,以此确保时间增量引起的当前应力点与动态加载面间的偏离。在塑性修正过程中,对动态加载面函数进行泰勒级数展开,依此获得黏塑性应变率增量。再次,提出了一种自动分步方法,有效地稳定了大应变步情况下算法的计算精度和收敛性。最后,对变应变率的固结试验和三轴剪切不排水试验进行了模拟,分析了修正切面算法的计算能力。     

二维弹塑性土层的波动数值模拟研究

详细分析边界面模型,采用自适应多步积分、局部迭代和射线回退相结合的积分方法,给出边界面本构关系的数值实现过程。考虑土体的边界面本构模型,采用集中质量有限元法并结合中心差分与单边差分相结合的显式积分格式,编制求解二维弹塑性土层动力反应程序WSDP,利用该程序分别进行波源问题和散射问题的算例分析。讨论土体本构关系、土层应力历史状态、人工边界的设置以及为消除人工边界高频振荡而采用的黏性阻尼等因素对土层动力反应的影响。数值模拟结果表明:(1)与采用弹性本构相比,考虑土体塑性本构时,其位移反应幅值明显增大,且位移反应持续时间延长;(2)随着土体侧压力系数K的减小,位移响应延迟,傅氏谱增大,高频成分减少;(3)采用所设置的人工边界对土层进行弹塑性动力反应分析时,结果满足精度要求;(4)在一定范围内改变消除高频振荡的阻尼比对土层的弹塑性动力反应影响不大,如所取黏性阻尼过大将影响数值计算精度。     

混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型

在提出了静力弹塑性损伤本构模型的基础上，通过对损伤能释放率阀值进行PERZYNA粘性规则化以及引入粘弹性一损伤阻尼应力，建立了基于能量的混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型；给出了该模型的基本公式和相应的非线性有限元数值实现算法，并对KOYNA混凝土重力坝进行了动力非线性数值模拟。结果表明：建议统一模型能较好地描述包括应变率效应在内的混凝土典型非线性行为，并可以直接在材料本构层次考虑阻尼的影响，同时其数值算法是稳定有效的，可以应用于大型混凝土结构的非线性分析。     

考虑可逆与不可逆剪胀的粗粒土动本构模型

在边界面塑性理论的框架内,建立了一个新的粗粒土动本构模型。在模型中,剪胀体应变由一个可逆的体应变分量和一个不可逆的体应变分量构成。前者取决于当前剪应力的大小和方向,后者主要取决于剪切作用的历史,它们分别服从不同的剪胀规律。建立了描述可逆剪胀与不可逆剪胀体应变的数学表达式,探讨了可逆和不可逆剪胀体应变分量对应力应变关系的影响,并通过数值模拟与试验结果的对比对模型进行了初步验证。     

混凝土弹塑性损伤本构模型研究Ⅱ:数值计算和试验验证

针对建议的基于能量的混凝土弹塑性损伤本构模型[1],将损伤演化和塑性变形解耦,本文建立了模型的弹性预测-塑性修正-损伤修正数值分析框架,给出了无条件稳定的应力更新算法和相应的算法一致性切线模量。在弹性预测-塑性修正过程中,利用谱分解回映算法建立了塑性流动因子和硬化参数的统一迭代格式,减小了有效应力更新的计算量。根据上述数值算法,编制非线性有限元分析程序,对单调和低周反复荷载作用下的混凝土材料和结构试验进行数值模拟,分析结果表明建议的弹塑性损伤本构模型可以较好地描述混凝土材料的典型非线性行为,其数值方法是有效的,为进一步的结构非线性分析应用奠定了基础。     

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。     

基于临界状态理论的尾砂广义塑性模型研究及其应用

为了建立更加准确合理的尾矿砂材料本构模型,结合试验结果对一种弹塑性砂土本构模型进行改进。基于尾矿砂三轴剪切试验结果,引入基于临界状态理论和状态参数,提出一种适用于尾矿砂的改进Pastor-Zienkiewicz III广义塑性模型。三轴试验结果和模型拟合结果对比表明,模型能有效反映尾砂主要应力–应变特性,克服原模型不能反映围压影响的缺陷。与Duncan-Chang模型相比,改进模型可以描述尾矿砂抗剪强度的应变软化效应和低围压下的剪胀特性等。最后将提出的模型初步应用于尾矿坝的有限元应力变形分析,尾矿坝水平位移趋向下游,最大值位于坝坡中部,沉降最大值位于坝体中部。计算结果表明,尾矿坝应力变形规律性良好,符合一般规律,改进广义塑性模型可以应用于尾矿坝的应力变形有限元分析中。     

考虑张拉–剪切渐进破坏的边坡强度折减法研究

针对边坡渐进破坏过程中局部岩土体强度参数不断劣化现象,采用应变软化模型代替传统的理想弹塑性模型,提出一种考虑张拉–剪切渐进破坏的强度折减法。从劣化函数、破坏判据、折减系数、滑动面显示和折减范围等方面对该方法进行研究;以极限塑性应变作为边坡点破坏准则,将破坏点从坡脚到坡顶贯通作为边坡整体破坏判据;基于弹塑性计算的初应力法,提出一种边坡张拉–剪切全滑动面定量显示指标I_(cs)。结果表明,应变软化模型所得塑性区明显小于理想弹塑性模型,考虑张拉破坏的边坡安全系数偏于危险;I_(cs)指标能同时显示并区分边坡潜在滑动面的张拉与剪切部分。该基于应变软化模型的计算方法进一步完善了边坡稳定性分析的强度折减法理论。     

结构性软土三维弹塑性损伤本构模型研究

基于所提出的岩土材料统一各向同性破坏准则,通过引入椭圆–抛物双屈服面模型以及结构性损伤屈服面,结合复合体损伤概念,建立了三维主应力空间中弹塑性损伤本构模型,该模型能够反映结构性软土应力应变的非线性、剪胀剪缩特性、结构性以及中主应力对变形的影响。通过结构性软土试验结果与模型的计算结果对比分析,表明该模型能够较好地预测结构性软土三维空间的应力–应变特性。     

循环荷载作用下吸力锚基础变形的数值分析方法研究

张紧式吸力锚是一种重要的深水海洋浮式平台锚固基础。静荷载与循环荷载共同作用下地基土体产生较大变形,严重影响吸力锚基础的稳定性。介绍了一种能够描述饱和软黏土不排水循环应力应变响应的拟动力黏弹塑性本构模型。该模型将等效黏弹性理论和蠕变理论相结合,利用等效黏弹性模型描述土单元循环应力应变关系中的非线性和滞回性,依据蠕变关系描述土单元的循环累积性。基于拟动力黏弹塑性本构模型,提出了一种分析静荷载与循环荷载共同作用下软土中张紧式吸力锚基础变形过程的拟动力黏弹塑性有限元方法。该方法并不详细追踪土单元的循环应力应变响应,而是将循环次数视为时间,通过等效黏弹性分析确定吸力锚基础的循环变形;根据土单元静应力和循环累积应变势,采用初应变法确定吸力锚基础的累积变形。结合循环变形和累积变形,确定吸力锚基础变形随时间的变化关系,即位移时程曲线。最后,将有限元计算结果与1g条件下吸力锚模型试验结果进行比较,结果显示两者基本一致。     

基于Cosserat连续体的CAP弹塑性模型与 应变局部化有限元模拟

提出了一个非光滑多重屈服面的CAP弹塑性Cosserat连续体模型.考虑到Cosserat连续体理论的特点,将其应力和应变速率向量的偏量和球量部分分离,针对各分屈服面分别被激活及某两个屈服面同时被激活的情况,发展了非线性本构速率方程积分的一致性算法,且率本构方程积分的返回映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵均为显式表示,避免了计算切线本构模量矩阵时的矩阵求逆.利用所发展的模型和一致性算法,数值模拟了平面应变条件下由应变软化及非关联塑性引起的边坡渐进破坏问题和隧道开挖问题.数值结果表明,所发展的模型和一致性算法在保持应变局部化问题的适定性、保证数值求解过程的收敛性和计算效率等方面具有良好的性能.     

砂土液化变形的数值模拟

基于模拟饱和砂土液化后大应变响应的弹塑性循环本构模型及相应的数值算法,采用完全耦合的饱和土动力反应分析程序SWANDYNE II,对VELACS项目中的三个动力离心模型试验(饱和松砂水平地基、饱和松砂倾斜地基、松砂和密砂的水平组合地基)进行了数值模拟。数值模拟较好地再现了离心模型试验测得的加速度响应、超静孔压响应及变形累积过程,给出了典型土单元的应力应变曲线和有效应力路径,从土的应力应变响应的角度较好地解释了模型中超静孔压的产生、扩散、消散过程以及液化大变形的发展过程。     

考虑胶结作用的木质素固化粉土边界面塑性模型

为研究木质素固化粉土的应力–应变特性,通过无侧限抗压强度试验和微观结构分析,探讨木质素固化土的胶结特性。基于边界面塑性理论,引入硬化参数、应力剪胀参数和胶结破坏速率等参数,提出考虑胶结作用的木质素固化土边界面塑性模型,采用非相关联流动法则和改进映射法则描述土体的不同破坏模式,并阐述模型中各参数的意义及计算方法。根据室内固结试验和三轴压缩试验,对木质素固化粉土的应力–应变、应力剪胀和超孔隙水压力变化特征进行分析,并验证了本文所提模型的有效性。研究表明:木质素产生的胶结作用是土体工程性质改善的主要原因之一;12%掺量木质素固化土屈服应力和不排水抗剪强度较素土分别提高约90%和40%,高、低围压下土体应力剪胀特性不同,围压对超孔隙水压力的变化影响较大;通过试验验证了模型计算的准确性,该模型可描述土体在不同受力状态下的应变特征,具有原理简单,参数明确的特点,可为固化土应力–应变的数值计算提供相应的理论基础。     

基于应力响应包络的土体典型本构模型比较

应力响应包络是本构模型切线刚度的一种几何表达,也是研究本构模型定性特征的有效工具。针对亚弹性、弹塑性及亚塑性等 3 种类型的土体本构模型,分别以邓肯模型、剑桥模型和 Gudehus-Bauer 模型为例,讨论了相应的应力响应包络形态,并比较了 3 类模型各自的特点。并且,通过分析不同模型的应力响应包络及其在主应力空间中的变化规律,说明了亚弹性模型用于模拟土体的加、卸载存在着本质缺陷;弹塑性模型在屈服面附近的中性变载和卸载响应存在一定的问题;亚塑性模型描述的土体切线模量随应变增量方向连续变化的特征比较合理,但简单亚塑性模型难以准确模拟土体不排水剪切应力路径。     

基于统一弹塑性有限差分法的真三轴数值模拟

基于拉格朗日有限差分方法,建立了以强度参数c和φ表示的关于应变硬化模型的统一弹塑性有限差分格式;在VC++中编写动态链接库文件,将有限差分格式表示的统一弹塑性模型导入FLAC3D中进行计算分析。主要内容为运用统一弹塑性有限差分方法,对软土的真三轴试验进行了模拟分析。在FLAC3D中使用统一弹塑性模型针对上海软土的真三轴试验进行了不同围压和不同中间主应力比条件下的应力应变关系的数值模拟,并与实测数据进行了比较分析。通过分析可知,统一强度理论的中间主应力影响系数B为0.5时能够反映真三轴试验的软土强度特性。     

采动覆岩渐进破坏的连续–离散耦合模拟研究EI北大核心CSCD

采动覆岩破裂演化数值结果准确性的关键在于建立岩体渐进破坏本构与连续–离散模拟方法。构建偏应力、球应力为基本变量的屈服函数、塑性势函数,结合广义胡克定律得到完整岩块的弹塑性本构;引入弹塑性损伤理论,以平方拉剪应力准则为初始损伤判据,结合Benzeggagh-Kenane断裂准则,得到拉剪混合型断裂本构;构建离散块体挤压本构,基于直剪实验数据修正Sargin粗糙结构面剪切摩擦本构。编制反映岩石渐进破坏的连续–离散耦合模拟计算程序,在验证本构模型的基础上,根据同煤工程地质条件建立数值计算模型。结果表明:(1)岩石渐进破坏本构方程及相应的连续–离散耦合模拟方法,可数值实现岩石从连续体到离散体的转变过程;(2)多煤层重复开采扰动下,石炭系煤层覆岩裂隙分布复杂,其高度约为采高的21倍,远超经验公式所得结果;(3)模拟条件下,在侏罗系煤柱集中应力和采动应力耦合作用下,石炭系工作面超前支承压力峰值达到42 MPa,较无煤柱区域提高8~10 MPa,矿压显现强烈。上述成果在大同矿区得到初步应用,为进一步开展保水采煤、压裂卸压等提供理论支撑。