土与结构接触面土体软/硬化本构模型及数值实现
发布时间：2021-08-17 06:27
基于土与结构接触面变形特性分析,将接触面土体的剪切滑动面与单元体三维应力状态下的八面体面相对应,通过土的三维弹塑性本构模型在八面体面上的剪切应力-应变关系,建立了接触面土体剪切应力-应变关系;将接触面土体法向压缩变形与侧限压缩条件相对应,通过侧限压缩条件下的荷载变形关系,建立了接触面土体法向应力-应变关系;进一步将接触面土体切向与法向耦合,建立了接触面土体本构模型,模型只有4个材料参数,参数物理意义明确,可由等向压缩试验和常规三轴压缩试验确定。与接触面土体试验结果的对比分析表明,所建立的本构模型可较好地描述接触面土体切向软/硬化特性与法向变形规律。结合有限元软件ABAQUS,编制了FRIC模型子程序,通过模拟土与结构界面剪切滑移过程表明,编制的FRIC子程序可较好地模拟土与结构界面接触的非线性力学行为。
【文章来源】：工程力学. 2017,34(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
八面体面与接触面等效示意图
工程力学47(a)(b)(c)(d)图7剪应力-剪切位移关系模型预测与试验结果的比较Fig.7Comparisonbetweenmodelpredictionsandexperimentalresultsofshearstress-displacementrelationship3.2压应力-压应变关系验证法向n-v关系利用侧限压缩试验验证。杨光华等[29]开展了某地基土室内侧限压缩试验，给出的试验结果如图8中的点所示。两层土的初始孔隙比e0分别为1.84和1.565，首先根据浅层土e-p数据整理模型参数，如表2所示。模型预测深层土的变形规律如图8中的实线所示，较好地描述了接触面土体的法向压缩变形规律。1002003004005006007000.80.91.01.11.21.31.41.5浅层土深层土平均应力p/kPa图8法向应力-法向应变关系模型预测与试验结果的比较Fig.8Comparisonbetweenmodelpredictionsandexperimentalresultsofnormalstress-strainrelationship表2压缩试验模型参数Table2ModelparametersofcompressiontestM0.2230.040.30.554接触面本构模型基于ABAQUS软件的二次开发ABAQUS采用无厚度接触对算法模拟接触问题，其默认的摩擦模型为线弹性-理想塑性的Coulomb模型，只适用于图3所示的界面滑移条件，不能反映工程中常出现的接触面土体剪切硬化/软化特性。本文利用ABAQUS提供的FRIC摩擦子程序开发接口，将建立的切向剪切模型编制成FRIC子程序，模拟接触面的剪切滑移过程。FRIC子程序的运算流程如图9所示。建立如图10所示的有限元模型来验证所编制FRIC子程序的可行性。该模型为一个1m×1m×1m的立方体土块压在3m×3m×1m的刚体上，土块处于完全侧限压缩状态，刚体处于完全固定状态。选取网格划分较密的土块界面为从属面，网格划分较疏的刚体表面为主控面，并采用面对面离散方法，土块和刚?
48工程力学子程序模拟。图9FRIC子程序运算流程Fig.9FRICsubroutineoperationprocess图10接触面滑移有限元模型Fig.10Finiteelementmodelofinterfacesliding首先模拟土块沿1坐标轴方向的剪切滑动，设置接触面土体处于超固结状态，前期法向固结应力为n2600kPa，当前法向应力为n200kPa，初始孔隙比为e0=0.7074，接触面厚度为16mm。分两个分析步加载：分析步1在土块顶面施加当前法向压力n，建立两个部件的接触；分析步2对土块施加U1=0.05m的位移荷载。模型参数见表3，子程序模拟的剪应力-剪切位移关系与本构模型结果的对比见图11。子程序模拟结果与本构模型结果吻合较好，既能模拟剪应力达到峰值之前接触面土体的基本变形，又能模拟软化之后接触面的无限滑移变形，证明了子程序的正确性和可行性。表3算例模型参数Table3ModelparametersofnumericalexampleM0.3210.1040.31.53图11子程序结果与本构模型结果对比Fig.11Comparisonofsubroutineandconstitutivemodelresults实际的土与混凝土结构之间的剪切变形与滑移，可在接触平面内向任意方向进行。认为土体沿1坐标轴与2坐标轴方向的滑动互不影响，且都服从本文所建立的切向接触面模型，根据力的合成原理即可得到土体沿任意方向滑动的剪应力-剪切位移特性。使用图10所示的有限元模型验证土体沿任意方向滑动时FRIC子程序的正确性，接触面土体初始状态及模型参数均与上一算例相同，只在分析步2时对土体同时施加U1=0.05m和U2=0.02m的位移荷载，图12中方向U为滑块的真实滑动路径，FRIC子程序模拟的剪应力随时间变化过程如图13，子程序可同样模拟该加载状态下接触面的滑动特性。图12滑块滑动路径示意图Fig.12Schematicdiagramofsliderslidepath图13剪应?
【参考文献】：
期刊论文
[1]超长灌注桩桩-土界面剪切试验研究[J]. 李永辉,王卫东,黄茂松,郭院成. 岩土力学. 2015(07)
[2]正常固结黏土的三维弹塑性本构模型[J]. 杜修力,马超,路德春. 岩土工程学报. 2015(02)
[3]基于e–p曲线的软土地基非线性沉降的实用计算方法[J]. 杨光华,姚丽娜,姜燕,黄忠铭. 岩土工程学报. 2015(02)
[4]常/变法向应力作用下密砂-混凝土接触面剪切力学性状试验研究[J]. 曹卫平,陆清元,梁鹏. 建筑结构. 2015(01)
[5]常/变法向应力下松砂-混凝土接触面剪切力学性状试验研究[J]. 梁鹏,曹卫平,陆清元. 建筑结构. 2014(08)
[6]考虑剪胀与软化的接触面弹塑性模型[J]. 彭凯,朱俊高,冯树荣,蔡昌光,朱晟. 岩石力学与工程学报. 2013(S2)
[7]不同应力下土与结构物接触面力学性状的数值模拟[J]. 杜强,杜航,刘文白,张珍. 内蒙古农业大学学报(自然科学版). 2013(03)
[8]粗粒土与结构接触面作用机理及本构规律分类[J]. 陆勇,周国庆. 工业建筑. 2012(S1)
[9]土-地下结构界面层效应试验研究[J]. 夏红春,周国庆,杜泽超. 中国矿业大学学报. 2011(06)
[10]土结接触面黏聚区域模型及渐进累积破坏分析[J]. 凌道盛,韩超,陈云敏,林呈祥. 岩土工程学报. 2011(09)
博士论文
[1]高、低压下砂土剪切带及砂土—结构界面层力学行为演化研究[D]. 陆勇.中国矿业大学 2014
本文编号：3347249
【文章来源】：工程力学. 2017,34(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
八面体面与接触面等效示意图
工程力学47(a)(b)(c)(d)图7剪应力-剪切位移关系模型预测与试验结果的比较Fig.7Comparisonbetweenmodelpredictionsandexperimentalresultsofshearstress-displacementrelationship3.2压应力-压应变关系验证法向n-v关系利用侧限压缩试验验证。杨光华等[29]开展了某地基土室内侧限压缩试验，给出的试验结果如图8中的点所示。两层土的初始孔隙比e0分别为1.84和1.565，首先根据浅层土e-p数据整理模型参数，如表2所示。模型预测深层土的变形规律如图8中的实线所示，较好地描述了接触面土体的法向压缩变形规律。1002003004005006007000.80.91.01.11.21.31.41.5浅层土深层土平均应力p/kPa图8法向应力-法向应变关系模型预测与试验结果的比较Fig.8Comparisonbetweenmodelpredictionsandexperimentalresultsofnormalstress-strainrelationship表2压缩试验模型参数Table2ModelparametersofcompressiontestM0.2230.040.30.554接触面本构模型基于ABAQUS软件的二次开发ABAQUS采用无厚度接触对算法模拟接触问题，其默认的摩擦模型为线弹性-理想塑性的Coulomb模型，只适用于图3所示的界面滑移条件，不能反映工程中常出现的接触面土体剪切硬化/软化特性。本文利用ABAQUS提供的FRIC摩擦子程序开发接口，将建立的切向剪切模型编制成FRIC子程序，模拟接触面的剪切滑移过程。FRIC子程序的运算流程如图9所示。建立如图10所示的有限元模型来验证所编制FRIC子程序的可行性。该模型为一个1m×1m×1m的立方体土块压在3m×3m×1m的刚体上，土块处于完全侧限压缩状态，刚体处于完全固定状态。选取网格划分较密的土块界面为从属面，网格划分较疏的刚体表面为主控面，并采用面对面离散方法，土块和刚?
48工程力学子程序模拟。图9FRIC子程序运算流程Fig.9FRICsubroutineoperationprocess图10接触面滑移有限元模型Fig.10Finiteelementmodelofinterfacesliding首先模拟土块沿1坐标轴方向的剪切滑动，设置接触面土体处于超固结状态，前期法向固结应力为n2600kPa，当前法向应力为n200kPa，初始孔隙比为e0=0.7074，接触面厚度为16mm。分两个分析步加载：分析步1在土块顶面施加当前法向压力n，建立两个部件的接触；分析步2对土块施加U1=0.05m的位移荷载。模型参数见表3，子程序模拟的剪应力-剪切位移关系与本构模型结果的对比见图11。子程序模拟结果与本构模型结果吻合较好，既能模拟剪应力达到峰值之前接触面土体的基本变形，又能模拟软化之后接触面的无限滑移变形，证明了子程序的正确性和可行性。表3算例模型参数Table3ModelparametersofnumericalexampleM0.3210.1040.31.53图11子程序结果与本构模型结果对比Fig.11Comparisonofsubroutineandconstitutivemodelresults实际的土与混凝土结构之间的剪切变形与滑移，可在接触平面内向任意方向进行。认为土体沿1坐标轴与2坐标轴方向的滑动互不影响，且都服从本文所建立的切向接触面模型，根据力的合成原理即可得到土体沿任意方向滑动的剪应力-剪切位移特性。使用图10所示的有限元模型验证土体沿任意方向滑动时FRIC子程序的正确性，接触面土体初始状态及模型参数均与上一算例相同，只在分析步2时对土体同时施加U1=0.05m和U2=0.02m的位移荷载，图12中方向U为滑块的真实滑动路径，FRIC子程序模拟的剪应力随时间变化过程如图13，子程序可同样模拟该加载状态下接触面的滑动特性。图12滑块滑动路径示意图Fig.12Schematicdiagramofsliderslidepath图13剪应?
【参考文献】：
期刊论文
[1]超长灌注桩桩-土界面剪切试验研究[J]. 李永辉,王卫东,黄茂松,郭院成. 岩土力学. 2015(07)
[2]正常固结黏土的三维弹塑性本构模型[J]. 杜修力,马超,路德春. 岩土工程学报. 2015(02)
[3]基于e–p曲线的软土地基非线性沉降的实用计算方法[J]. 杨光华,姚丽娜,姜燕,黄忠铭. 岩土工程学报. 2015(02)
[4]常/变法向应力作用下密砂-混凝土接触面剪切力学性状试验研究[J]. 曹卫平,陆清元,梁鹏. 建筑结构. 2015(01)
[5]常/变法向应力下松砂-混凝土接触面剪切力学性状试验研究[J]. 梁鹏,曹卫平,陆清元. 建筑结构. 2014(08)
[6]考虑剪胀与软化的接触面弹塑性模型[J]. 彭凯,朱俊高,冯树荣,蔡昌光,朱晟. 岩石力学与工程学报. 2013(S2)
[7]不同应力下土与结构物接触面力学性状的数值模拟[J]. 杜强,杜航,刘文白,张珍. 内蒙古农业大学学报(自然科学版). 2013(03)
[8]粗粒土与结构接触面作用机理及本构规律分类[J]. 陆勇,周国庆. 工业建筑. 2012(S1)
[9]土-地下结构界面层效应试验研究[J]. 夏红春,周国庆,杜泽超. 中国矿业大学学报. 2011(06)
[10]土结接触面黏聚区域模型及渐进累积破坏分析[J]. 凌道盛,韩超,陈云敏,林呈祥. 岩土工程学报. 2011(09)
博士论文
[1]高、低压下砂土剪切带及砂土—结构界面层力学行为演化研究[D]. 陆勇.中国矿业大学 2014
本文编号：3347249
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