考虑黏聚力的上下加载面修正剑桥模型及数值实现

 首先完善上下加载面模型中超固结状态参数R与结构性状态参数R*的定义,给出上下加载面修正剑桥模型更具普适性的推导过程;然后介绍考虑黏聚力的上下加载面修正剑桥模型的半隐式本构积分算法及数值实现过程,并基于ABAQUS软件所提供的用户材料子程序UMAT接口编制上下加载面修正剑桥模型本构子程序;利用该模型模拟不同工况以及不同加载方式下超固结和原状土体的力学特性,以验证该本构模型对原状超固结土体的模拟能力以及所编写子程序的正确性和可靠性;最后进行Boom Clay三轴固结不排水剪切试验的模拟,完成将上下加载面修正剑桥模型应用于工程实际的关键一步。     

考虑围压效应的修正软岩热弹黏塑性本构模型

 大量的软岩三轴剪切试验表明,不同的围压下,软岩力学特性变化非常大。随着围压的增加,软岩的应变软化和剪胀性变弱;当围压足够大时,甚至表现为应变硬化和剪缩。已有软岩热弹黏塑性本构模型针对不同的围压大小,需要设定不一样的参数,使其应用到数值分析上带来一定困难。为了能用统一参数来描述软岩受围压影响的力学性质,对已有的软岩热黏弹塑性本构模型进行修正。修正模型中所有参数都具有明确的物理意义且都可通过常规三轴试验确定。通过实验数据与计算结果对比,验证了修正本构模型的正确性。     

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。     

考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型及其数值实现

木结构在服役过程中可能遭遇地震作用,木材表现出明显的地震应变率敏感性,需要建立考虑地震应变率效应的木材非线性本构模型。文章系统梳理已有研究中木材在不同地震应变率水平、不同纹理方向的试验结果,分析其不同纹理方向考虑应变率影响的强度与弹性模量绝对值统计规律性,建立木材考虑地震应变率效应的强度与弹性模量地震应变率影响系数表征模型。在此基础上,基于连续介质损伤力学建立考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型,编写相应的UMAT子程序,并将其嵌入ABAQUS有限元软件中。采用所建立的弹塑性损伤本构模型对木材进行顺纹与横纹受压加载模拟,模型结果与试验结果吻合较好,验证了所建本构模型及UMAT子程序的正确性。研究成果可为木结构的抗震分析与评估提供更符合实际的本构模型支持。     

深圳海积软土基于CU试验的修正剑桥模型

通过室内试验测定了深圳地区某典型淤泥质粘土的修正剑桥模型参数,基于固结不排水剪切(CU)试验的有效应力路径建立了所述软土的应力应变本构方程,利用4/5阶龙格库塔法求解了微分方程的数值解,并通过计算值与试验值进行对比,验证了修正剑桥模型对于深圳海积软土的适用性。临界状态有效应力比M值通过CU试验测得,为得到CU试验的有效应力路径方程,将孔隙水压力随偏应力的变化关系采用二次多项式拟合,拟合效果较好。从土的本构关系理论出发,通过室内试验与结果分析,测定了深圳地区某典型软土的修正剑桥模型参数,并通过对照组的试验予以预测和验证得到了较理想的结果。     

考虑围压效应的大理岩弹塑性耦合力学模型研究

以锦屏T2b和 深埋大理岩循环加卸载试验结果为基础,进行如下研究：(1) 分析不同围压下锦屏大理岩的弹性参数随内变量的演化规律,得到弹性模量与围压和内变量的定量关系;(2) 基于Mohr-Coulomb 屈服准则,得到其强度参数随内变量的演化规律;(3) 考虑非关联流动法则,分析剪胀角随围压和内变量的演化规律,得到锦屏大理岩的剪胀角与围压和内变量的定量关系;(4) 最终建立考虑围压效应的大理岩弹塑性耦合力学模型,并在有限差分软件FLAC3D中进行数值实现,用于模拟分析T2b大理岩的室内常规三轴压缩试验,结果表明,数值模拟与试验结果吻合很好,该模型可以很好地反映大理岩的主要力学特性。所提研究方法和研究结果对于提高深部工程围岩(特别是具有小变形破坏特性的硬脆性围岩)变形计算和稳定性分析的准确性具有重要的参考价值和借鉴意义。     

堆积软岩的黏弹塑性本构模型及其数值计算应用

 堆积软岩的主要力学特性有应变软化、流变、受中间主应力影响等,为了尽可能完整地描述这些力学特性,提出一个全新的黏弹塑性本构模型。该模型基于下负荷面和tij概念,以超固结状态与正常固结状态之间的孔隙比差r为状态变量,并在该状态参量的演化律中引入非齐次函数,使模型能综合描述软岩的应变软化、流变和受中间主应力影响的力学特性。新模型仅比剑桥模型多了4个参数,而且4个参数都具有明确物理意义,可通过常规三轴试验确定。以降雨引起的软岩边坡的渐进性破坏为工程背景,用水土耦合有限元来探讨2种不同地下水位变化对边坡破坏的影响,从坡体的剪应变分布、位移矢量、破坏的传播等方面分析边坡的破坏机制。     

考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型研究

基于岩石的应变强度理论和岩石强度的随机统计分布假设,采用损伤力学理论,考虑微元体破坏及弹性模量与尺寸之间的非线性关系,建立了单轴压缩下考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型。然后采用伺服试验机对不同尺寸大理岩石进行了单轴压缩试验研究,得到了不同尺寸大理岩样试验结果;讨论了材料力学参数与尺寸之间的关系,给出了考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型参数。预测的不同尺寸岩石理论曲线和试验结果相比较,显示了所建模型的合理性。最后探讨了岩石尺寸对损伤特性的演化规律。     

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...     

压密试验中破碎岩石压密特性的本构方程及数值模拟分析

 在以往室内压密试验的基础上,利用变量依存性本构方程对压密试验中试样的压密特性进行数值模拟。本构方程中,假定岩石破坏速度随着破坏接近度Sv的增加而增大;将破坏接近度扩展到三维应力状态,且在破坏接近度为负值的区域,引进强度恢复参数Hp(Hp= –Sv);通过假定压密岩石强度的恢复程度依赖于恢复参数Hp,对本构方程进行修正。从数值模拟结果可以看出：在压密过程中依存性变量? 逐渐变小时,修正后的本构方程可以描述压密过程中岩石的性质;尽管还需进一步研究和完善修正本构方程,但其具有较强的应用前景,能够较好地描述压密试验中破碎岩石的压密特性,解释地下建筑物围岩开挖扰动区的恢复现象。     

基于双曲线临界状态的改进剑桥模型及数值实现

针对传统剑桥模型不能很好反映重塑黏土力学及临界强度特性的缺陷，在试验研究的基础上，对其临界状态进行改进。不排水三轴试验发现，重塑黏土的临界状态线表现为双曲线的形态，因此，将双曲线临界状态与剑桥模型相结合，建立改进的剑桥模型，并在FLAC3D程序中进行二次开发。同时针对FLAC3D中对塑性因子算法较为繁琐的问题，引入牛顿–辛普森迭代法进行改进。最后，运用改进的剑桥模型对不同压实度土样进行三轴数值模拟试验。结果表明：改进的剑桥模型能较好地反映重塑土体的力学特性，改进后的算法计算精度较高，执行效率较好。     

基于能量耗散修正的Boom clay上下加载面模型及其数值实施

 针对剑桥模型不适用于超固结土和结构性土的局限性,引入上下加载面模型以描述Boom clay的结构性;基于Boom clay的屈服面的特点,通过修改能量耗散函数对上下加载面的形状进行了修正,构造了一个更好地反映其特性的弹塑性模型;以有限元程序ABAQUS的UMAT子程序接口为平台,采用隐式积分算法--最近点映射法(CPPM)实现了模型的二次开发;最后利用该模型对不同围压下的Boom clay 不排水三轴试验进行了模拟,并将该模型的计算结果与修正剑桥模型的计算结果以及试验实测结果进行了比较,结果表明,该模型能较好地反映Boom Clay在剪切过程中的结构性演化,且在一定程度上纠正了常规上下加载面模型高估重超固结土峰值强度而低估正常固结土和轻超固结土峰值强度的问题。     

剑桥模型与统一硬化模型对超固结土特性描述的对比分析

在深入研究修正剑桥模型和统一硬化模型（UH模型）基本特性的基础上,揭示模型描述超固结土特性的机理。对于超固结土,修正剑桥模型的预测曲线存在突变,不能很好地模拟土体连续、渐近的变形过程;对于重超固结土,模型预测的排水路径条件下的峰值强度很高,与实测结果偏差较大。修正剑桥模型不能模拟真三轴试验的应力-应变关系。UH模型的参...     

粘土岩饱和-非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究

岩体中饱和-非饱和渗流、应力耦合行为对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果，将考虑塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型、Hoek—Brown非饱和渗流、应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井，研究其在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程，以及竖井的非饱和流动区域大小对水力学参数（Biot固结系数、饱和度与毛细孔隙压力、水相的相对渗透系数与饱和度）的敏感性。结果表明：水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著，尤其是水相的相对渗透系数与饱和度的关系。力学模型的差异对非饱和区的影响几乎可以忽略不计。     

粘土岩饱和–非饱和渗流应力耦合模型及数值模拟研究

岩体中饱和–非饱和渗流、应力耦合行为对工程岩体的强度和稳定性有十分重要的影响。基于粘土岩实验室非饱和渗流试验的结果,将考虑塑性应变硬化的非饱和渗流、应力耦合模型、Hoek-Brown非饱和渗流、应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井,研究其在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程,以及竖井的非饱和流动区域大小对水力学参数(Biot固结系数、饱和度与毛细孔隙压力、水相的相对渗透系数与饱和度)的敏感性。结果表明:水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著,尤其是水相的相对渗透系数与饱和度的关系。力学模型的差异对非饱和区的影响几乎可以忽略不计。     

考虑扩容碎胀特性的岩石本构模型研究与验证

 高应力卸荷条件下岩石扩容碎胀非连续变形行为研究对揭示深部巷道围岩稳定性演化及控制机制,分析预测围岩稳定性具有至关重要的意义。为此,依托室内岩石三轴卸荷试验,首先研究全应力–应变曲线各特征应力值随围压变化的演化特征,提出岩石进入峰前损伤扩容与峰后破裂碎胀阶段的临界条件准则,并考虑扩容碎胀破裂演化过程中岩样力学性质劣化规律,建立描述卸荷条件下岩石损伤扩容和破裂碎胀演化机制的本构模型,采用VC++编程语言将该模型嵌入到UDEC软件中,实现其非线性数值计算功能。同时,通过室内岩石试验曲线的模拟拟合,表明该模型在描述岩石扩容碎胀特性方面的合理性。最后,将该模型应用于一典型深部巷道围岩破损区分布的模拟研究中,通过与经典模型的对比分析,验证该模型在工程应用方面的可行性,并有针对性地提出深部巷道稳定性分析与维护的合理化建议。     

基于修正剑桥模型桩的有限元分析

将桩挤土过程视作沿桩长不变的一系列点位形成的球形扩张过程,把扩张过程中的桩周土体分成3个区域：流动区域、塑性变形区和弹性变形区。应用圆孔扩张理论,结合修正剑桥模型推导出了球形孔扩张引起的土体应力、位移分布解析解,并与有限元ABAQUS模拟的结果对比分析。