[发明专利]一种土体正交异性本构模型的数值分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程计算机辅助设计技术领域，特别涉及一种土体正交异性本构模型的数值分析方法。

背景技术

土作为一种非连续摩擦型散粒体工程材料，除表现为非线性非弹性、压硬性、剪胀性、应力-应变与应力历史和应力路径相关性等诸多特性外，在工程实践中，还特别表现出土体的各向异性。土之所以表现出各向异性是由于两种原因：一种是固有各向异性，主要是天然土颗粒在沉积过程中或人工土在填筑过程中水平方向以及垂直方向的排列不同而引起的力学性状和参数的不同；另外一种是应力诱发各向异性，主要是由于土体在各个方向上所受的应力不同，导致土颗粒在空间排列上不同，因而形成各向异性。由于土的成层特性，可以把土体视为正交异性，即平行于沉积面的各个方向的力学特性大致相同，而在垂直于沉积面的方向则表现出不同的特性。

已有研究表明，土体的各向异性对其破坏特性有显著影响，例如，在研究模型条形基础的承载力时，在加载方向和沉积面垂直时得到的最大承载力和在加载方向与沉积面平行时得到的最小承载力差别可以达到34％。对于黏土，强度的各向异性同样很明显。因此，对土体正交异性的合理描述具有重要的工程意义。现有的本构模型多把土体看作连续介质，以经典弹性、弹塑性理论为理论基础，一些大型通用有限元软件，如ANASYS和ABAQUS等，一般只有各向同性弹性、各向同性弹塑性各向异性弹性和各向异性弹塑性等简单的本构关系模型，无法准确反映考虑土体正交异性本构条件下的应力-应变特性。

发明内容

发明目的：本发明针对现有研究的不足，提供了一种土体正交异性本构模型的数值分析方法。

技术方案：本发明提供了一种土体正交异性本构模型的数值分析方法，其特征在于：(1)土体是正交异性材料，其本构模型是基于摩尔-库伦屈服准则建立的；(2)土体正交异性本构模型包括弹性正交异性和塑性正交异性两个方面，并通过双曲线拟合对摩尔-库伦屈服方程进行了修正；(3)土体的正交异性本构模型是通过编译用户材料子程序UMAT，并嵌入到ABAQUS软件中，最终实现土体正交异性本构模拟的数值计算。

所述特征(1)具体为：土体为正交异性材料，即平行于沉积面的各个方向的力学特性大致相同，而在垂直于沉积面的方向则表现出不同的特性。本发明的土体正交异性本构模型是基于摩尔-库伦屈服准则而建立的；

所述特征(2)具体为：土体正交异性模型同时考虑了弹性正交异性和塑性正交异性。弹性正交异性模型包含5个未知量，分别为沉积方向的弹性模量E_v和泊松比υ_vh、垂直于沉积方向的弹性模量E_h和泊松比υ_h、剪切模量G_vh，其他参数可由这5个未知量之间的相互关系得到。塑性本构模型中假定土体内摩擦角为常数，考虑土体粘聚力c存在各向异性效应，且沉积面和垂直于沉积面上的粘聚力c_v、c_h存在关联性，即：c_θ＝c_h+(c_v-c_h)sin²α。由于摩尔-库伦屈服准则在π平面存在六个棱角(奇异点)，使得计算变繁和收敛缓慢，本发明采用双曲线拟合对摩尔-库伦屈服面进行修正，在棱角处得到光滑连续的处理；

所述特征(3)具体为：取塑性势函数与屈服函数的表达式一致，采用隐式后退欧拉算法，对摩尔-库伦屈服函数一次求导、势函数一次求导、势函数二次求导，通过UMAT接口，将编写有土体正交异性本构模型的UMAT子程序嵌入到ABAQUS软件中实现土体正交异性本构模拟的数值计算。

有益效果：本发明克服了ABAQUS自带的摩尔-库伦屈服准则无法同时考虑材料弹性正交异性和塑性各向异性的缺陷，通过编译UMAT子程序将土体正交异性的本构模型嵌入到ABAQUS软件中，实现了土体正交异性本构模拟的数值计算。本发明所提供的数值分析方法能够全面反映土体沉积所引起的正交异性的特点，为合理描述土体正交异性的特性提供了参考，也对指导工程实际问题具有重要的科学价值。

附图说明:

图1为本发明的数值方法流程图；

图2为土体粘聚力随方向的各向异性；

图3为用双曲线近似拟合摩尔库伦屈服函数；

图4为p-q平面摩尔库伦准则的双曲线逼近。