不同应力路径下超固结黏土分叉分析

基于姚仰平等提出的伏斯列夫面超固结黏土三维弹塑性本构模型,导出了水土耦合不排水条件下饱和黏土的应变局部化的萌生条件,求出了在不同应力路径下单相介质和水土耦合不排水条件下分叉三维解析解和数值解。理论分析表明,对于单相介质,该本构模型在应力洛德角为 - 23.5 °～ 4 °之间时,有分叉现象产生,并且分叉产生于土体应力应变曲线的硬化阶段;而当应力洛德角在 - 30 °～ - 23.5 °和 4 °～ 30 °之间时无分叉现象出现。在水土耦合不排水条件下,使用该模型在应力洛德角为 - 23 °～ - 1 °之间时,有分叉现象产生,分叉产生于土体应力应变的软化阶段;而当应力洛德角在 - 30 °～ - 23 °和 - 1 °～ 30 °之间时无分叉现象出现。利用嵌入上述本构模型的有限元软件 ABAQUS ,对单相和水土耦合不排水条件下的多单元立方体应变局部化分叉现象进行了数值分析。比较表明解析解与数值模拟的结果基本一致。     

基于UH本构模型的软土深基坑数值分析

针对能反映超固结黏土的硬化、软化、剪缩和剪胀等应力应变特性及应力路径影响的UH本构模型,采用回映应力更新算法,编写了有限元材料子程序,实现了该模型在有限元ABAQUS软件中的应用;通过对单元试验进行三轴压缩及其它不同应力路径下的加载及卸载模型预测,再现了超固结土在不同超固结比和应力路径时的变形和强度特性,验证了子程序的正确性。最后,采用UH本构模型材料子程序,使用有限元软件ABAQUS,对软土地层中的某地铁车站深基坑进行了数值分析,讨论了基坑变形及支护结构土压力的变化,通过数值计算结果和实测值的对比,验证了UH本构模型在软土基坑数值分析中的适用性和正确性。     

基于弥散旋转裂缝理论的UHP-FRC三维材料模型

基于Rots弥散裂缝理论以及旋转裂缝理论,在有限元软件LS-DYNA的UMAT自定义界面采用FORTRAN语言建立UHP-FRC的三维本构材料模型,该模型可以反映材料在拉伸荷载作用下的应变强化现象,而且在复杂的微小开裂过程中裂缝平面可以随主应力方向的变化而旋转。利用该本构模型对UHP-FRC材料的直接拉伸试验和标准梁弯曲试验进行数值模拟,模拟得到的应力-应变曲线以及荷载-挠度曲线与实验结果呈良好的一致性,表明所建立的模型可以较为合理地模拟UHP-FRC在拉伸荷载作用下的本构行为。     

真三维应力状态下土体应变局部化的非共轴理论

判别土体应变局部化的产生条件强烈依赖于土体塑性流动的非共轴特性。本文分析表明,由于传统的非共轴塑性理论是基于二维共轴应力空间得到的,为此,本文基于三维共轴应力空间建立了三维非共轴塑性理论框架,并利用三维非共轴塑性理论预测土体的变形分叉状态。数值模拟与试验结果对比分析表明,传统的本构模型有必要引入非共轴塑性流动理论才能有效地提高模型预测土体变形分叉特性的能力。研究表明:针对平面应变状态的变形分叉问题,由于考虑了应力第三不变量对非共轴性的影响,三维非共轴理论预测结果比二维非共轴理论更为合理。     

基于三维弹塑性损伤模型的木材非线性分析

为预测木材复杂的受力行为,在弹塑性理论和连续介质损伤力学的框架内建立了木材三维弹塑性损伤本构模型。采用Hill屈服准则和Voce强化模型描述木材受压硬化行为;通过修正后的Hashin破坏准则和指数型损伤演化模型控制木材受拉、受剪的损伤演化过程。基于应变增量法求解本构模型的数值解,并采用Newton-Raphson迭代法求解塑性应变。通过编写用户自定义子程序（UMAT）将本构模型嵌入商业有限元软件ABAQUS,并根据试验结果对本构模型进行了验证。针对木材顺纹和横纹受压试验的数值模拟结果表明,该模型可以有效地描述木材的受压非线性硬化行为。针对木材斜纹受拉试验的数值模拟结果表明破坏准则可以较为准确地识别木材在横纹拉应力和顺纹剪应力作用下的破坏模式,损伤演化模型可以合理地控制木材的损伤演化过程。     

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。     

下负荷面剑桥模型在ABAQUS中的开发实现

利用大型有限元软件ABAQUS所提供的UMAT用户材料子程序接口,针对下负荷面剑桥模型开发了子程序,对超固结土的三轴排水与不排水试验进行了数值模拟,将结果与解析解进行了比较;对同样条件下不同OCR超固结土的三轴排水与不排水试验进行了模拟。结果表明:所开发的子程序具有良好的稳定性和较高的计算精度,能够反映超固结土的应力应变特性(如应变软化),得到比较合理的数值分析结果。     

混凝土局部损伤裂缝带模型研究

为消除混凝土开裂使有限元分析结果对单元网格尺寸产生的依赖性,在基于局部本构模型的材料非线性有限元分析中,建立了混凝土局部损伤裂缝带模型。结果表明：该模型所采用的三参数幂函数型拉伸损伤演化方程,可满足不同单元网格尺寸下应力-应变关系调整的需要;在局部损伤本构模型中引入断裂能和与单元网格尺寸相关的裂缝带宽度,可在保证断裂能客观性的前提下依据初始应力-开裂应变关系推导不同单元网格尺寸下的应力-开裂应变关系;提出基于异步粒子群智能算法的优化反演方法,可实现在有限元分析中依据应力-开裂应变关系自适应,从而确定不同单元网格尺寸下的模型参数。在ABAQUS软件平台上采用所建立的模型对算例进行了数值模拟,验证了模型的有效性与程序编制的正确性。     

基于ABAQUS软件的大直径桩承载力-变形分析

土的弹塑性本构模型分别采用扩展Drucker-Prager模型和Mohr-Coulomb模型,桩-土接触面采用主从接触面模型,利用ABAQUS软件,对两根大直径桩的静载荷试桩结果进行了三维有限元数值模拟,结果表明:当土的内摩擦角Φ≤22°时,采用扩展Drucker-Prager模型较Mohr-Coulomb模型更好地模拟出大直径单桩竖向荷载作用下的荷载-沉降关系曲线;但当Φ＞22°时,Mohr-Coulomb模型也能很好地模拟出大直径单桩的荷载-沉降关系曲线.     

泥岩的峰后软化力学模型

为了研究泥岩在隧道开挖过程中的峰后应变软化特性,基于泥岩的三轴压缩试验曲线,建立考虑应变软化特性的泥岩弹塑性本构模型,使用ABAQUS及其子程序分别对泥岩的三轴压缩试验和泥岩隧道开挖进行数值模拟。模拟结果表明,该本构模型能够正确反映泥岩的峰后应变软化特性,泥岩在低围压下有明显的应力跌落现象,并随着围压的升高,应力跌落现象逐渐消失。在泥岩隧道开挖的围岩稳定性分析中,科学合理地根据围压考虑应变软化现象对隧道的开挖、支护及监测具有指导意义。     

砂土数值建模和有限元分析

基于砂土的常规三轴试验,利用岩土本构关系的数值建模方法,建立砂土的弹塑性本构模型。为了该模型的实际工程应用,文中推导了有限元数值计算的弹塑性矩阵,编制了轴对称有限元程序,将本构模型嵌入到有限元程序中,对3种应力路径下砂土的变形过程进行了分析,并将计算结果与试验进行了对比,验证了数值建模方法的有效性。     

PVC涂层织物膜材的非线性各向异性本构关系模型

基于各向异性弹塑性理论,通过等效应力和等效塑性应变反映材料固有的非线性性质,并结合三参数形式的弹塑性屈服函数,提出了1种适用于聚氯乙烯（PVC）涂层织物膜材的非线性各向异性本构模型.为确定本构模型中的待定参数,同时验证该本构模型的适用性,进行了7个偏轴角度（0°、5°、15°、45°、75°、85°和90°）的单轴拉伸试验,并将模型预测结果与试验结果进行对比.结果表明：该本构模型能够较为准确地反映PVC涂层织物膜材拉伸时的非线性应力应变关系,可用来预测PVC涂层织物膜材在拉剪应力共同作用下的力学行为.     

复杂应力路径下饱和砂土静态液化失稳预测

饱和砂土应力–应变关系具有各向异性和状态相关特性,因此其静态液化的触发与应力路径密切相关。现有文献已提出多种静态液化判别准则,但其准确性往往仅在三轴应力路径下被进行校验。对于涉及主应力方向旋转和不同中主应力比的复杂应力路径,现有判别准则是否可以准确预测静态液化的触发有待进一步验证。为此,基于状态相关各向异性砂土本构模型,结合前人的空心圆柱扭剪单元体试验,比较了二阶功、弹塑性刚度矩阵对称部分和失稳模量3种准则对复杂应力路径下砂土静态液化失稳预测的效果。发现包括:基于弹塑性刚度矩阵对称部分的失稳触发表达式不依赖于加载路径,具有更好的通用性,其预测的失稳点早于或与实际失稳点吻合;失稳模量理论可预测实际液化失稳的位置,但判定表达式因加载条件不同而变化。获得了复杂应力路径下的失稳线,分析了静态液化触发前砂土可发挥峰值摩擦角受中主应力、主应力方向等因素的影响。     

复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合分析

采用等效连续介质模型和离散裂隙单独分析相结合的方法进行复杂裂隙岩体的模拟,分别给出了裂隙岩体介质和离散裂隙介质的弹塑性本构关系;首次采用四自由率全耦合法,建立了基于增量理论的复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合有限元方程组;结合算例分析,得出了若干有益于工程的结论,并进一步表明耦合分析的重要性和四自由度全耦合法的优越性。     

多体系统非连续变形的弹性及弹塑性分析方法(I)——基本原理

非连续变形是多体系统的一个重要特性。从一般的平面问题出发，建立了多体系统的非连续变形分析的分区参变量最小势能原理，阐明了其理论基础，并推导了多体系统的非连续变形的弹性和弹塑性分析的整体控制方程，探讨了其求解的数值算法。该方法能够仿真模拟多体系统的变形和应力，不仅能够对多体系统进行静、动力耦合分析，而且还能够逐步模拟与预测多体系统的变形与应力响应及接触界面上的接触应力和相对运动等复杂的非线性过程。     

一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型

基于广义塑性理论建立了一个考虑堆石料颗粒破碎的弹塑性本构模型。模型采用随平均应力增加而减小的峰值摩擦角和特征点摩擦角来反映堆石料因颗粒破碎而表现出的峰值应力比与剪胀应力比的非线性,在此基础上确定塑性流动和加载方向向量;运用指数型压缩函数建立依赖于体积应变和平均应力的压缩参数 λ ,并构造随平均应力与剪应力水平而变化的塑性模量表达式。模型共有 8 个参数,均可通过等向或单向压缩和三轴压缩试验确定。为验证本文模型的合理性,依据试验资料确定了 3 种不同堆石料的本构模型参数,并对典型三轴压缩试验进行了模拟。 3 种材料的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明本文模型可合理反映了颗粒破碎对堆石料强度与变形特性的影响。     

主应力轴循环旋转下饱和黏土累积孔压显式模型

交通荷载下饱和黏土累积孔压消散是导致交通荷载下路基沉降的重要因素。在详细介绍黏土空心圆柱试样制作过程的基础上,在各向等压条件下,分别对黏土试件在100,150,200 kPa压力下固结,而后进行主应力轴旋转角连续变化范围分别为[-15°,15°]、[-30°,30°]、[-45°,45°]和[-60°,60°]的不排水循环加载试验,循环次数为10 000次。得到了循环累积孔压的变化受静偏应力、初始固结压力及空心圆柱试样主应力轴连续旋转角影响的规律。运用修正动偏应力水平来考虑初始静偏应力和动偏应力对不排水累积孔压的影响,建立了常剪应力循环主应力轴偏转角循环加载下累积孔压模型。通过非各向等压固结循环扭剪试验累积孔压值对所建立的累积孔压模型的正确性进行验证。     

岩土弹塑性理论的加卸载准则探讨

将当前岩土弹塑性加卸载准则分为3类：基于屈服面概念的加卸载准则、应力型加卸载准则和应变型加卸载准则,指出了它们存在的问题。在岩土硬化阶段加卸载过程分析中,发现弹性应变增量、应变总量易于计算,又与塑性应变具有相关性,适于用作判断加卸载的参量。基于硬化情况下的应变增量分析,提出了一种新的应变型加卸载准则。该准则适用于岩土的硬化阶段,物理意义明确且简单适用。将该准则推广到多维理想塑性情况,并对软化、应力洛德角变化及主应力轴旋转情况下的加卸载准则进行了讨论。     

等应力比路径下堆石料双屈服面弹塑性模型研究

 已有研究及实测资料表明,土石坝内堆石料在填筑期应力路径接近等应力比关系,且这种关系并不因材料混杂、施工分期复杂而发生本质性改变。应力路径较大程度上影响了堆石料的受力变形特性,以往按室内常规三轴试验路径建立的本构模型及标定的参数直接推广至实际坝体路径的计算可能存在较大的误差。通过分析糯扎渡、水布垭及三板溪等堆石料等应力比三轴试验应力–应变曲线特点,认为体积应力–体积应变( )及偏应力与广义剪应变( )曲线具有幂函数规律。以常规南水双屈服面模型(沈珠江模型)为基础,将等应力比应力–应变规律引入模型中,在p-q平面内推导适合等应力比应力路径的双屈服面弹塑性模型,通过对试样在等应力比三轴试验中塑性应变增量方向的分析,探讨适合等应力比路径变形特性的 屈服面的合理形态。以糯扎渡水电站主堆料等应力比三轴试验为例确定模型参数标定方法,且对模型适应性进行初步分析。