考虑颗粒破碎的粗粒土三维本构模型及其有限元实现

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提出了考虑颗粒破碎的粗粒土的三维本构模型，开发了基于该模型的三维弹塑性有限元程序。主要工作有三个方面：变换应力三维化方法的发展、考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型的建立、三维弹塑性有限元程序的开发和应用等。变换应力三维化方法的发展：发展了变换应力的本构模型三维化方法，将变换应力方法与各向异性条件下的临界状态相结合，实现了各向异性本构模型的三维化。通过变换应力方法在各向同性和各向异性本构模型中的应用，分析了三维化模型在变换主应力空间和普通主应力空间中的屈服面特性，表明了变换应力方法的合理性和有效性。以修正剑桥模型和K0-MCC模型的三维化为例，详细研究了现有的其它本构模型三维化方法的特点及不足之处。针对各向同性和各向异性本构模型的三维化，将变换应力方法与广泛应用的g(θ)方法进行了全面的比较。研究与对比表明，变换应力方法较现有其它三维化方法具有显著的优势，实现了较难的各向异性本构模型的三维化，变换应力方法三维化的本构模型能够合理描述材料在三维应力条件下的变形和强度特性，并通过给出变换应力三维化本构模型的切线模量矩阵，表明了变换应力方法能够方便地应用于有限元数值计算和分析。考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型：基于砂土、堆石料等在高压应力下的试验规律，分析了其在等向固结条件、应力子午面强度、剪切体变等方面的特性，提出了考虑颗粒破碎的塑性势函数、硬化参数和屈服函数，建立了考虑颗粒破碎的粗粒土的弹塑性本构模型。模型参数共7个，可以通过等向压缩试验和常规三轴压缩试验确定，详细介绍了模型参数的确定方法。应用变换应力方法，实现了考虑颗粒破碎的粗粒土本构模型的三维化。应用砂土、堆石料等粗粒土在高压应力下的三轴压缩试验数据，对本文提出的粗粒土本构模型进行了验证。通过试验数据和模型预测结果的对比，表明该模型能够较合理地描述颗粒破碎影响下的土的应力应变和强度特性。有限元程序的开发和应用：基于本文提出的考虑颗粒破碎的粗粒土三维本构模型和已有的超固结土本构模型，采用Fortran程序语言，编写开发了三维的弹塑性有限元计算(TEPFEC)程序。在有限元分析的前处理和后处理方面，开发了TEPFEC程序与Patran软件的接口。给出了TEPFEC程序的全部Fortran语句。应用基于粗粒土本构模型的TEPFEC程序，对三维应力条件下三轴试样的变形和应力分布进行了有限元分析，模拟了颗粒破碎对土体力学特性的影响。应用基于超固结土本构模型的TEPFEC程序，对国家奥林匹克森林公园堆山工程中的地基应力和沉降变形进行了有限元分析计算。通过TEPFEC程序的开发，实现了粗粒土本构模型等与数值方法的结合，使得变换应力方法三维化的粗粒土本构模型和超固结土本构模型，能够应用到实际工程的计算分析中。

考虑颗粒破碎的粗粒土三维本构模型及其有限元实现

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