饱和砂土的循环边界面本构模

饱和砂土在循环加卸载过程中,土体发生显著的组构变化和塑性变形的累积。试验现象分析表明,循环过程中,砂土的首次与再循环塑性模量既有区别又有联系。因此,论文引入考虑组构变化的剪胀内变量,并提出循环塑性模量的关系式,真实描述上述两种现象;进而基于已有本构模型的基础上,建立饱和砂土的循环边界面本构模型。最后,将饱和砂土的模型预测结果与三轴试验结果进行验证对比,得到较好地吻合,这表明该模型能够合理反映饱和砂土循环加卸载的变形行为。     

剪胀性砂土边界面模型的研究

剪胀性对于砂土,尤其是中密以及密实砂土,是一个非常显著的特性。相变线是剪胀性砂土的特征曲线,能够反映砂土的围压以及初时孔隙比对变形特性的影响。本文在边界面塑性理论的框架内,把相变状态参量引入到剪胀方程以及塑性硬化模量中,建立了一个能够描述砂土剪胀性以及循环特性的本构模型。本模型采用一套参量可以模拟不同初时孔隙比、不同围压、排水(或不排水)条件下单调(或循环)加载的应力-应变特性。验证表明本模型数值计算与试验结果相吻合。     

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。     

2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度

通过单调拉伸和循环加卸载试验, 研究了平纹编织C/SiC复合材料的损伤演化过程及其应力-应变行为. 结果表明, 残余应变、卸载模量和外加应力的关系曲线与拉伸应力-应变曲线具有类似的形状. 基于剪滞理论和混合率建立了材料的损伤本构关系和强度模型, 分析计算表明, 残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定, 而卸载模量主要由界面脱粘率决定; 材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定, 横向纤维对材料的整体模量和强度贡献较小. 理论模拟结果与试验值吻合较好.      

基于SMP破坏准则的饱和砂土弹塑性本构模型

利用土体的塑性流动理论，提出了用于描述饱和砂土在单调荷载作用下的应力一应变反应性质的弹塑性本构模型。土体总的变形由三部分组成：即弹性应变、与体积屈服机制相关的塑性应变和与剪切屈服机制相关的塑性应变，其中与剪切屈服机制相关的塑性应变的得出是基于SMP破坏准则。通过将模型预测的结果与试验结果进行对比，表明该模型能够较为准确地描述饱和砂土在单调加载条件下的反应性质。     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。     

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.     

饱和砂土的三剪弹塑性边界面模型研究(二)——模型验证及应用

为验证所提饱和砂土三剪弹塑性边界面本构模型的适用性,取南昌地铁某车站进出口底板下的纯砂,掺入粒径小于0.075mm的江西红黏土颗粒,配制成含泥量分别为0%、5%、10%且密实度分别为25%、45%、70%的砂土样,通过常规三轴试验和循环动三轴试验确定模型参数,将试验数据与理论计算结果对比后发现两者具有较好的一致性,本构模型能较真实地反映饱和砂土样的变形、体变、孔隙水压力特性。其中,等量代换法和坐标平移法的数值计算结果相差不大,坐标平移法数值计算结果更接近试验结果。结果还表明:在单调荷载作用下,砂土的围压和含泥量越大,剪胀现象越不明显;砂土的密实度越大,剪胀现象越明显。在循环荷载作用下,砂土的围压和密实度越大,达到循环稳定时的轴向应变和孔隙水压力越小;轴向应力幅值、频率、含泥量越大,达到循环稳定时的轴向应变和孔隙水压力越大。另外,还将本构模型应用于砂土样的真三轴数值模拟。结果表明:单调加载时中间主应力影响系数b取值越大,应力峰值也越大;循环加载时侧向主应力σ₂和σ₃与竖向应变的关系均呈负相关性,侧向最小主应力s3、含泥量、循环应力幅值与孔隙水压...     

砖砌体双参数单轴受压弹塑性损伤力学模型

参考弹塑性损伤模型理论和相关试验数据,建立了砖砌体单轴单调受压和重复受压两种弹塑性损伤本构模型.在模型中采用抗压强度和峰值压应变双参数来调整形变曲线,从而实现了砖砌体单轴受压本构模型的精细化建立.模型不但与既有弹塑性模型相符,而且还符合受压延性与强度呈反向变化的试验结论.重复受压加-卸载路径建立在卸载线性假定的基础上,参考两组试验数据,得出了双线性抗压刚度劣化函数,并通过强度线性插值来调整劣化速率,从而建立了随强度改变的受压加-卸载损伤本构模型.     

基于深度学习和细观力学的颗粒材料本构关系研究

颗粒材料的本构关系对岩土工程等众多领域至关重要. 不同于传统的唯象本构理论, 本文基于机器学习模型探索了一种细观力学理论指导下的数据驱动型颗粒材料本构关系预测方法. 根据Vogit均质化假设, 建立了小应变条件下颗粒材料应力?应变解析关系, 此关系唯一地确定了一组与颗粒材料本构行为相关的细观组构变量. 这些变量与反应颗粒材料宏观性质的主应力和主应变信息通过一系列离散元三轴压缩数值试验获得. 考虑到细观组构变量为内变量, 不能直接作为本构模型的输入. 本文基于有向图方法将颗粒材料微观结构信息隐式地包含在应力?应变的预测当中, 并采用门控循环单元(GRU)循环神经网络作为基础深度学习模型描述有向图中结点之间的映射关系. 通过将有向图从目标节点沿源节点展开, 整个应力?应变预测模型可由两个神经网络分别训练并组装而成. 将训练后的深度学习模型在全新的数据集上进行测试, 结果表明该训练策略能有效捕捉到颗粒材料在常规三轴任意加卸载, 等中主应力系数b的真三轴加载, 和等平均有效应力p的真三轴加卸载等复杂多轴加载工况下的应力?应变响应关系, 模型具有良好的内插和外推预测能力. 考虑到深度学习模型捕捉颗粒材料力学响应的能力及其开放式学习的特点, 充分结合数据驱动方法和理论本构模型可能是颗粒材料本构研究的一个重要方向.      

复杂加载条件下的砂土本构模型

试验表明,饱和砂土的应力应变关系具有显著的密度以及压力依存性,上述两点构成了描述砂土静力加载下变形特性无法忽视的因素.此外,在循环加载等复杂加载作用下,砂土还会表现出明显的应力诱导各向异性以及相变转换特性.基于在e-p空间中存在唯一的临界状态线这一基本假定,通过在e-p空间中引入当前状态点与临界状态线的距离R来作为反映密度与压力依存特性的状态参量,将变相应力比以及峰值应力比表达为状态参量的指数函数,将上述应力比参量引入到统一硬化参量中可准确地反映初始状态下围压、密度对于单调加载下应力应变关系的影响规律,能描述砂土剪缩、剪胀,应变软化、硬化等特性.采用非相关联流动法则,p-q空间中采用水滴型屈服面,塑性势面为椭圆面,松砂在单调加载下的静态液化现象也可描述.为反映循环加载下塑性体积应变的累积特性以及塑形偏应变的滞回特性,在循环加载下将状态参量R表达为应力比参量,并在硬化参数中引入描述应力诱导各向异性特性的旋转硬化部分,所提模型可有效地描述循环加载下剪切模量的衰减特性、刚度衰化性质、强度减小特性,在不排水约束作用下,则会产生往返活动性现象.通过一系列的模型模拟与试验结果对比,验证了本构模型的有效性及适用性.     

非比例循环载荷下塑性模量的讨论

对1Cr18Ni9Ti不锈钢进行菱形应变路径的非比例循环本构实验,根据实验结果及分析,对双面本构模型给出了一个极限面定义,以保证屈服面不与极限面相交,在这个极限面定义及实验结果的基础上,对不同本构模型所定义的距离与塑性模量的相关性进行了讨论,表明Mroz和Chen的距离与塑性模量具有较好的相关性。     

剪胀性饱和砂土弹塑性模型

在修正剑桥模型基础上,本文建立的剪胀性饱和砂土弹塑性模型使用相变状态参数描述剪胀性饱和砂土剪胀特性,克服了修正剑桥模型不能直接模拟剪胀砂土力学行为这一局限性。该模型有两方面的改进:一方面,模型将剪胀应力比Md引入剪胀方程;另一方面,模型在塑性功基础上提出用与应力路径无关的硬化参数来替代修正剑桥模型中的塑性体积应变增量。通过试验验证及与修正剑桥模型计算结果对比,结果表明,该模型较适合模拟剪胀性饱和砂土的力学性能,同时也能较好地体现较密实砂土的硬化及软化现象。模型共8个参数,用常规三轴试验就可获取。     

玻璃态高聚物PMMA的非线性粘弹-塑性本构方程

对航空有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)实验测定了不同应变率下单轴压缩加卸载循环的应力-应变曲线,讨论了应力促进热激活塑性变形的活化粘壶理论,提出由标准线性体或Maxwell体与考虑应变硬化效应的活化粘壶作串联耦合的粘弹-塑性本构模型,给出了完备的微分和积分形式的本构方程组,用于拟合实测加卸载循环的应力-应变曲线,获得良好吻合的结果。对应变软化效应提出一种新的起因于粘弹变形滞后效应的理论说明,并对屈服后加载应力-应变曲线的走向特征作了理论解释。     

一种初始各向异性砂土本构模型的数值应用及试验验证

基于砂土颗粒的毛细效应特性制备砂土试样,在0°～90°范围内选取若干沉积方向,在中围压条件下进行三轴固结排水剪切试验。试验表明:沉积方向对试样强度和变形特性有显著影响。通过对试验数据进行拟合得到沉积方向和偏应力的关系,结合试验结果对Mohr-Coulomb屈服准则进行修正,建立一种密砂初始各向异性本构模型;对本构模型进行数值积分,并对密砂固结排水剪切试验进行数值模拟,分析偏应力、体积变化以及主应力方向的变化。将数值分析结果与试验结果进行对比,结果表明:二者相吻合,本构模型能够合理地预测试验结果。所建立的本构模型可用于砂土初始各向异性的研究工作中。     

关于无屈服面粘塑性理论

本文对Bodner-Partom幂函数型粘塑性本构方程进行了某些分析讨论,揭示了该本构模型的某些内涵,特别是对模型所涉及的几个材料常数对应力应变关系的影响以及该模型的加卸载性质和历史效应作了具体的剖析。最后与Perzyna超应力本构模型进行了比较。     

聊聊动态塑性和黏塑性

固体力学研究者致力于具有应力-应变本构关系（以下简称为形变型本构关系）的变形体的力学响应研究,而流体力学研究者致力于具有应力-应变率本构关系（以下简称为流动型本构关系）的流动体的力学响应研究。当涉及结构和材料的动态塑性时,到底应该用“塑性变形”还是“塑性流动”来表示？本文从宏观塑性本构理论和微观位错动力学机理两个角度,分别讨论并指出塑性本构关系属于流动型黏塑性率相关本构关系,且同时适用于加载和卸载;因而不应该用应力-应变图来描述塑性加-卸载过程。弹塑性本构关系则是一种形变型和流动型本构关系的耦合。     

非定常微分型黏弹性本构模型

在应力作用下, 材料的力学参数随着微观结构的变化而变化, 需要考虑参数的时间效应. 利用黏滞系数随时间变化的黏性元件, 构造出非定常Maxwell模型、非定常Kelvin模型和非定常Zener模型. 求解非定常模型的微分型本构方程得到它们的松弛模量、蠕变柔量和卸载方程. 结果表明, 可以把常见的经验松弛函数和经验蠕变函数视为非定常微分型本构模型.      

考虑围压效应的冻结砂土动态本构模型研究

为描述主动围压作用下冻结砂土的动态力学特性,通过在朱-王-唐模型的非线性体上串联塑性体,建立了能够考虑围压效应的冻结砂土动态损伤本构模型;分析了损伤参数对应力-应变曲线特征、屈服点、峰值应力和峰值应变的影响规律,基于冻结砂土动力学试验数据确定了模型参数;通过将模型和试验数据进行对比,并对不同试验条件下模型的预测误差进行分析,验证了模型的适用性和准确性。结果表明,损伤参数对应力-应变曲线弹性阶段和屈服点无明显影响,而对塑性阶段和破坏阶段的影响较为显著,本构模型预测的应力-应变曲线与试验结果具有较好的一致性。模型能够预测围压引起冻结砂土塑性阶段占比大和屈服点明显的特征,且能够描述围压对冻结砂土动态强度的增强效应;不同负温和主动围压条件下,模型对峰值应力和屈服强度的预测效果优于峰值应变和屈服应变。     

动力UH模型及其有限元应用

饱和砂土在循环载荷下具有复杂的应力应变关系, 通常表现出液化过程中的大变形以及往返活动性现象. 为简单有效地模拟上述特性, 在超固结UH模型的基础上, 将其扩展为可考虑砂土动力加载下的本构模型. 具体做法有3点: (1)改变屈服面椭圆长短轴之比, 将比值定义为反映应力诱导各向异性转轴斜率的函数; (2)引入旋转硬化规则, 用来反映应力诱导各向异性; (3)建立一个与旋转硬化规则以及临界状态特性相协调的统一硬化参数. 模型预测结果表明, 所提动力模型可简单、有效地用于砂土在动力载荷下应力应变关系的模拟. 最后将该动力UH模型嵌入到有限元软件中, 三维地基的动力加载模拟结果表明, 动力UH模型可方便地应用于岩土工程实践中.