含主应力轴旋转的土体本构关系研究进展

主应力轴旋转对岩土工程的影响日益受到人们的重视．本文从纯主应力轴旋转、纯应力洛德角变化、多种因素变化、排水与不排水等方面较全面地描述了含主应力轴旋转情况下土体的基本变形特性．对当前较有影响的含主应力轴旋转的土体本构模型（基于一般应力空间的土体本构模型、运动硬化模型、边界面模型、土体弹塑性应力应变关系的完全应力增量表述等等）进行了较为系统的评述．提出了合主应力轴旋转的实验研究中存在的核心问题与建立合主应力轴旋转的土体本构关系的根本途径．     

含主应力轴旋转的土体平面应变问题弹塑性数值模拟

在含主应力轴旋转的土体本构关系研究的基础上,通过含主应力轴旋转的土体平面应变问题的弹塑性数值模拟结果分析,总结主应力轴旋转对土体应力分布与应形影响的规律,得出需要考虑主应力轴旋转的条件及影响的相对大小。     

各向同性率无关材料本构关系的不变性表示

在内变量理论的框架下，针对各向同性率无关材料，使用张量函数表示理论建立 了塑性应变全量及增量本构关系的最一般的张量不变性表示. 它们均由3个完备不可约的基 张量组合构成，这3个基张量分别是应力的零次幂、一次幂和二次幂. 因此得出，塑性应变、 塑性应变增量与应力三者共主轴. 通过对基张量的正交化，给出了本构关系式在主应力空间 中的几何解释. 进一步，全量(或增量)本构关系中3个组合因子被表达为应力、塑性应 变(或塑性应变增量)的不变量的函数. 当塑性应变(或塑性应变增量)的3个不变量之间 满足一定关系时，所给出的本构关系将退化为经典的形变理论(或塑性势理论). 最后，还讨论它与奇异屈服面理论的关系，当满足一定条件时，两者是一致的.     

Lode角对应力张量的导数的基本性质

为计及岩土类材料塑性力学行为的中主应力影响或应力路径相关性,通常将应力张量Lode角/Lode数引入屈服函数与塑性势函数。由此在计算塑性应变增量时必然涉及Lode角/Lode数对应力的导数张量（记为 ）。然而,应力张量主值有重根时 的计算存在困难。本文给出了 的主值计算方法及谱分解表达式并详细讨论了张量 的基本性质。     

主应力轴旋转下黏土累积变形的分数阶元件模型

在长期交通载荷作用下土体塑性累积变形本构模型对路基沉降计算至为关键.元件组合模型可以计算岩土体循环累积应变,但现有的各类元件模型未能反映饱和软黏土的主应力轴循环旋转现象.在对饱和软黏土进行等向固结条件下的主应力轴循环旋转加载试验及非等向固结下的循环扭剪试验基础上,将Abel黏壶代替Burgers模型中的Newton黏壶,得到分数阶Burgers模型;利用遗传算法优化循环塑性累积应变的Burgers模型和分数阶Burgers模型的参数,通过对比两组模型的计算值与试验值,发现分数阶模型更适合模拟计算循环载荷下饱和软黏土的累积变形.     

岩土材料塑性应变增量方向的确定

通过与金属材料的类比，分析了岩土材料的特征面(SMP面)的特性，提出了SMP面上的应力 决定岩土材料塑性应变增量流动方向的观点，并由此推导出计算公式. 通过增加一个材料参 数，还可以考虑存在黏聚力时的情况. 由该公式计算的塑性应变增量方向得到了 试验结果的验证. 该公式也在用变换应力修正的剑桥模型中得到应用，模型预测结果能够合理反映试验数据.     

砂土的应力路径本构模型

将微元应力路径线性逼近，转变成与其充分接近且易于计算应变的等平均应力微元和等应力比微元，计算任意加荷应力路径所产生的塑性应变，建立了双屈服面的砂土应力路径本构模型．模型体现了岩土塑性理论分量屈服和非关联流动法则的要求，在p，q平面内根据双线性的屈服线确定了加卸载准则．结合广义非线性强度理论采用变换应力三维化方法简单、合理地使模型实现三维化．通过试验数据的验证表明，砂土应力路径本构模型可以合理地描述各种应力路径下砂土的变形和强度特性。     

关于孔隙压力系数

在提出剪缩系数概念和修正体积压缩系数概念的基础上,导出了两种轴对称应力状态和一般三向应力状态下孔隙 压力增量与主应力增量关系的理论公式,给出了这三种应力状态下孔隙压力系数的表达式,对这三种应力状态下孔隙压力系 数的关系和变化规律进行了分析,提出了孔隙压力增量与主应力增量关系表达形式的建议。     

弹塑性有限元的一些解法比较

1.弹塑性有限元分析的基本公式根据von Mises 屈服准则和Prandtl-Reuss塑性流动律,可以导出弹塑性阶段的应力增量-全应变增量之间的本构关系:{dσ}=[D_(eP)]{dε} (1)其中{dσ}为应力增量列阵,{dε}为应变增量列阵,[D_(eP)]为弹塑性系数矩阵,它的表达式为:其中(?)为有效应力,[D_e]为弹性系数矩阵,H=(?)/((?)~p)为有效应力和有效塑性应变曲线的斜率.增量形式的平衡方程为:[K]{△u}={△P} (3)其中[K]为总体刚度矩阵,{△u}为位移增量列阵,{△P}为外载荷增量列阵.2.几种解法方程(3)是非线性的.对于一般问题,精确求解比较困难.目前,一般都用近似法来求解.下面介绍几种解法.     

Mohr-Coulomb准则主应力回映算法及在地基问题的应用

针对Mohr-Coulomb准则在应力空间中存在奇异点的问题,提出了主应力空间应力回映算法。分析了多屈服面下塑性流动法则,给出了应力更新过程中应力回映区域的判定方法,推导了不同映射区域下塑性因子的Newton-Raphson迭代求解式和应力更新方程,建立了对应的一致切线模量表达式。利用C++语言,编制了弹塑性有限元求解程序,并对岩土地基问题进行求解,计算结果的比对证明了所编程序的可行性和精确性。     

THE GENERAL STRESS STRAIN RELATION OF SOILS INVOLVING THE ROTATION OF PRINCIPAL STRESS AXES

1.IntroductionThestudyofsoils'constitutiverelationismostlylimitedinsuchStressstatethattherotationofprincipalstressaxesisabletobeignored.Soonlythevalueofprincipalstressneedtobeconsideredandthedirectionofprincipal'stressisregardedtobeunchangeable.Onthiscondition,theprincipalaxesof'stressincrement,strainincrementjstressandstrainarethesame.Therelevantexperimentsandengineeringsshowthattherotationofprincipalstressaxeswillgeneratesignificantplasticdeformationandthenoncoaxalityofstressandstrain.First…     

A simple plasticity model for prediction of non-coaxial flow of sand

A bounding surface plasticity model for non-coaxiality, another aspect of anisotropic behavior of sands under rotation of principal stress axes; is developed in the critical state framework. Numerous experimental evidences exist that corroborate dependence of plastic shear strain rate direction on inherent fabric anisotropy. At first, general expressions for plastic strain rate with respect to possible emerge of non-coaxial flow are obtained. Consequently, using an anisotropy state parameter that is specially developed for this model and accounts for the interaction between imposed loading and soil fabric; effect of anisotropy on plastic flow direction is taken into account. Besides, novel circumstances are proposed for plastic modulus and dilatancy under rotation of principal stress axes. Finally, it is shown that the model is able to simulate successfully the non-coaxial behavior of sands subjected to principal stress axes rotation.     

使用主值空间表示的各向同性塑性本构方程

针对各向同性材料,在内变量为标量的假定下,应用张量函数表示定理给出了其塑性应变增量的不变性表示.它的3个不可约基张量取决于应力张量、相互正交且共主轴.建立3个基张量构成的张量子空间与三维主值空间的对应关系,将共主轴的张量采用笛卡尔坐标系中的矢量描述,矢量在不同坐标系下的分量均为张量的一组不可约不变量.定义塑性应变增量对应的矢量为内变量增量,使用张量函数表示理论得到,内变量演化方程除取决于应力对应的矢量和内变量本身外,还取决于应力增量在张量子空间中的投影,该投影就是应力对应矢量的增量,因此,本构方程归结为确定主值空间中矢量之间的关系.最后表明,三维主值空间与张量子空间中的流动法则是等价的.     

弹塑性板壳结构非线性有限元分析

本文根据塑性流动理论的基本公式，由隐式积分导出了与路径无关的变量更新算法和一致切线模量。采用单元广义应力应变直接离散塑性流动定律，构造了杂交应力单元一致切线刚度矩阵的显式表达式，编制了结构有限元程序ＳＡＦＥ，数值算例表明：本文的计算方法和计算程序是正确可靠的，可用于弹塑性板壳结构的非线性分析，计算结果屈曲临界载荷和极限承载能力。     

Degradation of elastic modulus in elastoplastic coupling with finite strains

An elastic potential W is postulated for the case of the finite-strain theory of elastoplastic coupling with damage effects. The potential is defined in terms of the invariants of two internal variables p and q. The internal variables are used to express the degradation of the elastic stiffness tensor due to the accumulation of plastic strains. The material damage is independently introduced to both Lame's coefficients H and G. The physical significance of this softening of the elastic stiffness is demonstrated experimentally in uniaxial loading, reverse loading of metals at finite strains.

For elastoplastic coupling, the Il'Iushin postulate does not yield normality of the plastic strain increment. An associative flow rule is postulated in this work for the combined components of the plastic strain increment and the elastic coupling strain increment.

The formulation is implemented in the Langrangian coordinate system. Through the use of the Oldroyd or Truesdell stress rate, the equivalent consistent spatial coordinate formulation is presented.     

基于广义非线性统一强度理论的隧道塌落拱分析

基于广义非线性统一强度的剪切破坏理论,在平面应变状态下,根据极限上限定理和隧道顶部的围岩塌落机制,在耗散能中引入了包含曲线型破裂面方程的目标函数,建立了围岩中任意断面的隧道顶部围岩的塌落机制。基于塑性位势理论,考虑塑性应变增量与塑性势函数的应力梯度成正比,由此得出了在速度间断线上任意点内能的耗散率;再运用虚功原理,建立内能耗散率和外力做功相等的关系式,从而通过变分原理得出了隧道顶部塌落面的解析表达式,由该表达式计算出隧道顶部塌落面的形状。以圆形断面隧道为例,对影响塌落拱形状的隧道半径和中间主剪应力系数等相关参数进行了讨论分析。由此得出:在平面应变状态下,隧道顶部围岩塌落体的宽度和高度随着中间主剪应力系数的不断增大而减小;塌落面的高度随着广义非线性统一强度参数的不断增大而增大,而塌落面的宽度则不断减小;塌落宽度和塌落高度随隧道半径的增大而增大。