混凝土等颗粒型材料的偶极效应分析

考虑物质点的偶极效应,基于 Cosserat 连续体介质力学模型,把球形微颗粒推广到方形微颗粒,推导出方形微颗粒对应的偶应力和曲率应变之间的线弹性关系,并提出了一种能考虑微颗粒倾覆破坏的广义屈服准则。编写了基于 Cosserat 连续体介质力学模型的有限元分析程序,进行了混凝土试样单轴压缩试验和土体边坡稳定性分析的数值模拟。研究结果表明,物质点的偶极效应确实存在,且是材料发生应变局部化的直接原因。     

沥青混凝土局部应变模型及其数值分析

论述了沥青混凝土材料由于应力、加载时间及温度变化所引起的应变局部化问题,在动态塑性理论的基础上,提出了相关连续动态塑性理论模型以及模拟沥青混凝土材料变形破坏的新方法,并编制了相应的有限元程序·用该模型模拟分析了沥青混凝土(典型的相关率材料)受力破坏过程·由于模型考虑了应变率的相关性,模型具有非网格依赖性·对半弯曲模型的数值试验(SCB)结果表明沥青混凝土(典型的应变相关率材料)破坏过程中存在着应变局部化问题·模型能较好地模拟局部破坏的形成过程·     

基于扰动状态概念的颗粒材料应变局部化行为模拟

基于经典连续体的Duncan-Chang模型缺少用于表征材料破坏程度的参数及与应变局部化带宽相关的特征长度,且无法反映材料的软化特性.为此,基于扰动状态概念,引入Cosserat连续体理论作为正则化机制,以Duncan-Chang模型描述相对完整状态下材料的响应,以临界状态模型描述完全调整状态下材料的力学行为,并分别基于常规三轴试验曲线与体积应变阈值、形状改变能极限状态概念提出两种扰动因子演化方式.利用数值算例考察了扰动对材料承载力、应变局部化行为的影响.模拟结果表明:两种演化方式均能描述材料的软化特性,第二种方式在预测剪破角变化规律方面更为合理;所发展的扰动状态模型在模拟应变局部化问题时可以在一定程度上消除对有限元网格密度的敏感性.     

横观各向同性岩土结构极限承载力的数值研究

基于Cosserat连续体,建立了描述横观各向同性岩土材料的弹塑性模型,在该模型中,弹性本构关系由5个变形参数描述,塑性阶段通过引入组构张量及加载方向建立了修正的Drucker-Prager准则.针对上述模型推导了一致性映射返回算法的迭代格式及模量矩阵,结合适用于Cosserat连续体的平面应变8节点减缩单元应用ABAQUS用户自定义单元接口UEL进行了数值实现.数值算例分析了各向异性程度和材料主方向对横观各向同性岩土结构的极限承载力和变形局部化模式的影响.结果表明,所建立模型能较好地模拟横观各向同性岩土结构的应变局部化行为,且较好地解决了伴随应变局部化现象出现的网格依赖性问题.     

基于修正塑性功函数的砂土硬软化本构模型

基于与应力路径无关的修正塑性功函数,提出了一个新的可以考虑砂土变形强度应力路径效应的弹塑性硬化-软化本构模型.模型所采用的与应力路径不相关的修正塑性硬化函数是基于砂土多应力路径平面应变压缩试验结果、经过数学拟合而得到的.文中建议的本构模型属于等向硬化-软化、考虑非关联流动的弹塑性模型.有限元计算结果与室内试验结果比较表明,该模型不仅可以较好地模拟砂土变形强度的应力路径效应,同时也可以模拟砂土变形强度的应力水平依存性、强度的固有结构性各向异性、初始空隙比依存性,以及砂土伴随剪切破坏的软化效应.     

高应力岩石局部化变形与隧道围岩灾变破坏过程

为了研究深埋隧道围岩变形局部化与渐进破坏现象,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,基于摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型,采用大变形的计算方法,研究了岩石试件在单轴压缩状态下局部化现象启动、发展直至试件最终破坏的全过程,进一步结合隧道物理模型试验,探讨了高应力条件下隧道围岩变形局部化与渐进破坏的关系,发现岩石材料表现出的软化性状与剪切带形成的结构软化有着密切的联系,从围岩屈服区和软化带的分布规律找到高地应力隧道围岩渐进破坏的突破口,并指出岩体单元的弹性变形和单元屈服后岩体的塑性挤出是隧道开挖后收敛变形的主要原因.     

基于应变软化模型的软岩高边坡过程稳定性研究

为了研究软岩边坡开挖过程中及支护后的稳定性变化规律,基于应变软化模型采用FLAC3D软件对边坡开挖过程中的变形、塑性区分布、安全系数的变化以及采取不同处治措施的支护效应进行计算分析.研究结果表明:用FLAC3D软件建立的应变软化模型能够较好地反映软岩边坡应变软化特性；在软岩边坡开挖过程中,铅直位移和水平位移呈现出逐渐增大的趋势,各特征点铅直位移总体上大于水平位移;边坡剪切、张拉塑性区分布主要集中在边坡表层2～4 m范围内;在开挖过程中,边坡安全系数逐渐降低；采用全长注浆锚杆对边坡进行支护能有效控制边坡变形,且安全系数降低.     

关于非线性非局部应变梯度模型的探讨

考虑线性软化模型不能反映材料软化变形复杂性的不足,选取高斯正态分布函数作为非局部理论的权函数,同时采用指数型应力衰减模式考虑软化的非线性特征,进一步地将这种非线性非局部理论与采用Laplace算子考虑塑性应变梯度效应的塑性梯度理论相结合,建议了一种非线性非局部应变梯度模型,并据此针对各向同性单向拉伸杆的力学响应进行了分析,将计算结果与线性软化模型进行了对比.结果表明:在非线性软化模型中,尽管塑性应变分布形式与线性软化模型的相同,但塑性应变同时依赖于应力降与破坏极限应变,两者最大应变是不同的.     

基于最小耗能原理的塑性应变流动法则

根据最小耗能原理,推导塑性应变流动法则的一般表达式.与传统塑性流动法则相比,该流动法则增加了一项交叉耦合项,可以很好地揭示准脆性材料剪胀效应的内在机理.同时在该流动法则下,推导弹塑性有限元增量迭代格式,由于其刚度矩阵的对称性,使得计算效率大大提高.对土试样塑性应变的演化过程进行追踪模拟,其破坏形式与实验现象非常接近,表明基于最小耗能原理框架下的流动法则是合理可靠的.最后,采用该流动法则下的弹塑性有限元对土质边坡的变形破坏过程进行模拟,破坏形式与实际情况相符,表明新的流动法则不仅合理可靠,而且具有广阔的应用前景.     

“地质体渐近破坏过程的演化机理及计算模型”2010年度报告

该研究“地质体渐进破坏过程的演化机理及计算模型”主要针对工程地质灾害在成形阶段地质体由连续介质向非连续介质的转化特性,建立地质体由既有局部破坏向整体贯穿性破坏的内在机理,并建立相应的判别准则;发展细观与宏观力学参量对应关系的均匀化方法和局部化模型,通过对地质体在灾害成形阶段的宏观细分析,建立内部破坏状态与宏观可测物理量之间的对应关系,并重点研究地质体内部破裂程度与声发射、波动特性及衰减规律、内部滑移与地表位移、地表裂缝之间的对应关系,确定地质灾害发生的前兆信息;发展地质体宏观连续体模型与细观离散体模型相结合的跨尺度计算模型,并开发相应的计算软件。在2010年度,研究组围绕年度研究计划,主要开展了如下工作,即:提出了非均质梯度Cosserat连续体的Hill定理;发展了基于细观力学信息的模拟颗粒材料力学响应的离散颗粒集合体-Cosserat连续体的宏观本构模型与细宏观计算均匀化方法;发展了耦合离散单元法和Cosserat连续体有限元法的连接尺度方法;研究了工程地质灾害中岩土颗粒介质的类固-液转化特性及本构模型;发展了岩土材料离散元方法的高性能、大规模数值算法;研究了考虑滚动摩擦的颗粒接触模型和具有破碎解簇功能的非规则颗粒;研究了基于亚塑性/扰动状态模型的土石混合体渐进破坏模拟及颗粒破碎影响;研究了地质体渐进破坏过程及剪切带的发生与演化机理。     

承压水基坑突涌机制离心模型试验与数值模拟

软土地区的深基坑工程,在承压水作用下容易发生管涌、流土和隔水层整体顶升等形式的突涌破坏.结合紧邻地铁枢纽深大基坑工程,设计了基坑突涌离心模型试验,模拟不同承压水位作用下黏性土体隔水层突涌状态,并建立有限元数值模型,分析试验水位压力下坑底土体的应力应变机制.离心模型试验和数值模拟结果表明,在承压水压力作用下,坑底隔水层产生向上的隆起变形,并且基坑中间位置变形量大,随着水位的升高,土体变形曲率增大;基坑围护墙附近的隔水层土体剪切应变大于体积应变,而隔水层与承压含水层的界面处体积应变较大,产生水压楔裂作用并形成有效应力为零的区域;黏性土体隔水层在剪切效应与界面楔裂效应的共同作用下,发生整体顶升破坏.     

脆性颗粒材料的超弹性软化模型及应变局部化模拟

在Volokh软化模型的基础上,考虑颗粒材料的变形和破坏机制,认为颗粒材料以剪切变形和破坏为主,提出了表示软化程度的软化因子概念,发展了两种能够部分表征颗粒材料力学行为特征的软化模式,并基于ABAQUS用户材料子程序(UMAT)开发相应程序.数值算例考察了上述模型模拟颗粒材料应变局部化现象和软化现象的能力.结果表明了所建议模型的有效性和可行性.     

考虑中间主应力的深埋圆形隧道弹塑性统一解

为了充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,在平面应变假设下将统一强度准则精确匹配为Drucker-Prager强度准则,推导了考虑剪胀特性的理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式,并结合非关联流动法则推导出深埋圆形隧道塑性区的应力与位移统一解.结果表明,经典的Kastner解为所得应力与位移统一解的特殊情况.同时,根据应力与位移统一解公式并结合实际算例,分析了中间主应力和围岩剪胀角对深埋圆形隧道塑性区的影响规律.     

考虑土体软化的隧道盾构掘进界面稳定性分析

岩土工程中的许多土体有应变软化行为,这种软化行为能导致应变局部化,进而对土体的稳定性有重要影响．首先研究饱和砂土的排水平面应变压缩试验的剪切带的形成,进行数值分析,预测了实验现象．然后,考虑土体应变软化盾构掘进面失稳的影响,对深埋隧道的盾构掘进进行三维数值分析,对比分析渗流条件下应变硬化模型和应变软化模型以及应变软化条件下考虑渗流与未考虑渗流模型之间的区别．分析表明,土体应变软化更容易导致盾构掘进界面失稳,使得开挖面的极限支护压力和地表沉降增大、塑性区扩展比没有应变软化的土体更大．探讨了诸如内摩擦角、黏聚力等土质应变软化参数的变化对盾构掘进界面稳定性的影响,发现内摩擦角软化的影响较大,黏聚力次之．最后,对天津地铁9号线的一段盾构掘进进行了模拟,其结果与工程实测数据相吻合．     

考虑应变软化和剪胀特性的软岩洞室稳定性分析

岩土材料的复杂性使得人们无法采用统一的本构模型来表达其在外力作用下的力学响应特性.无数试验和实际工程表明,莫尔—库仑准则能较好地拟合试验结果和可靠地应用于岩土工程实践.数值模拟可充分发挥主观能动性,采用考虑应变软化和剪胀特性的莫尔—库仑模型进行软岩隧洞的稳定性模拟,以达到更精确地对工程实例进行数值模拟分析的目的.     

上海地铁某车站深基坑土压力实例分析

文章以扩展的修正剑桥模型为土体的本构关系,并且考虑土体与支护之间的相互协调作用,采用二维平面有限元法对上海某地铁车站深基坑进行模拟计算,并与实测土压力及朗肯土压力作对比分析。计算和实测结果比较表明,有限元法可以较好地模拟软土深基坑的实际施工工况,能够取得比较符合实际的效果。     

盾构动态施工对邻近地下连续墙围护结构的影响研究

通过室内模型试验分析研究了城市中盾构隧道施工对邻近基坑围护结构的影响效应与影响规律。研究结果表明:盾构开挖面到达将诱发监测断面处,较大增幅地下连续墙墙身附加应变;而当开挖面超过监测断面约1.7D,地下连续墙墙身附加应变将趋于稳定;盾构动态穿越施工将导致邻近侧向地下连续墙角部墙身底部与中段墙身中部出现较为明显朝向隧道的弯曲变形。     

多孔介质动力应变局部化分析的梯度塑性模型

针对数值结果的网络依赖性在多孔介质动力渗流应变局部化有限元分析中同样存在的这一问题进行了讨论。采用梯度塑性模型对该问题进行处理,推导并给出模型所对应的内长度比例参数,对于数值求解,建立了用于软化问题分析二次规划算法,一维模型的数值结果证明了所提出的理论及算法。