技術領域

本發明涉及巖土工程計算機輔助設計技術領域，特別涉及一種土體正交異性本構模型的數值分析方法。

背景技術

土作為一種非連續摩擦型散粒體工程材料，除表現為非線性非彈性、壓硬性、剪脹性、應力-應變與應力歷史和應力路徑相關性等諸多特性外，在工程實踐中，還特別表現出土體的各向異性。土之所以表現出各向異性是由于兩種原因：一種是固有各向異性，主要是天然土顆粒在沉積過程中或人工土在填筑過程中水平方向以及垂直方向的排列不同而引起的力學性狀和參數的不同；另外一種是應力誘發各向異性，主要是由于土體在各個方向上所受的應力不同，導致土顆粒在空間排列上不同，因而形成各向異性。由于土的成層特性，可以把土體視為正交異性，即平行于沉積面的各個方向的力學特性大致相同，而在垂直于沉積面的方向則表現出不同的特性。

已有研究表明，土體的各向異性對其破壞特性有顯著影響，例如，在研究模型條形基礎的承載力時，在加載方向和沉積面垂直時得到的最大承載力和在加載方向與沉積面平行時得到的最小承載力差別可以達到34％。對于黏土，強度的各向異性同樣很明顯。因此，對土體正交異性的合理描述具有重要的工程意義。現有的本構模型多把土體看作連續介質，以經典彈性、彈塑性理論為理論基礎，一些大型通用有限元軟件，如ANASYS和ABAQUS等，一般只有各向同性彈性、各向同性彈塑性各向異性彈性和各向異性彈塑性等簡單的本構關系模型，無法準確反映考慮土體正交異性本構條件下的應力-應變特性。

發明內容

發明目的：本發明針對現有研究的不足，提供了一種土體正交異性本構模型的數值分析方法。

技術方案：本發明提供了一種土體正交異性本構模型的數值分析方法，其特征在于：(1)土體是正交異性材料，其本構模型是基于摩爾-庫倫屈服準則建立的；(2)土體正交異性本構模型包括彈性正交異性和塑性正交異性兩個方面，并通過雙曲線擬合對摩爾-庫倫屈服方程進行了修正；(3)土體的正交異性本構模型是通過編譯用戶材料子程序UMAT，并嵌入到ABAQUS軟件中，最終實現土體正交異性本構模擬的數值計算。

所述特征(1)具體為：土體為正交異性材料，即平行于沉積面的各個方向的力學特性大致相同，而在垂直于沉積面的方向則表現出不同的特性。本發明的土體正交異性本構模型是基于摩爾-庫倫屈服準則而建立的；

所述特征(2)具體為：土體正交異性模型同時考慮了彈性正交異性和塑性正交異性。彈性正交異性模型包含5個未知量，分別為沉積方向的彈性模量E_v和泊松比υ_vh、垂直于沉積方向的彈性模量E_h和泊松比υ_h、剪切模量G_vh，其他參數可由這5個未知量之間的相互關系得到。塑性本構模型中假定土體內摩擦角為常數，考慮土體粘聚力c存在各向異性效應，且沉積面和垂直于沉積面上的粘聚力c_v、c_h存在關聯性，即：c_θ＝c_h+(c_v-c_h)sin²α。由于摩爾-庫倫屈服準則在π平面存在六個棱角(奇異點)，使得計算變繁和收斂緩慢，本發明采用雙曲線擬合對摩爾-庫倫屈服面進行修正，在棱角處得到光滑連續的處理；

所述特征(3)具體為：取塑性勢函數與屈服函數的表達式一致，采用隱式后退歐拉算法，對摩爾-庫倫屈服函數一次求導、勢函數一次求導、勢函數二次求導，通過UMAT接口，將編寫有土體正交異性本構模型的UMAT子程序嵌入到ABAQUS軟件中實現土體正交異性本構模擬的數值計算。

有益效果：本發明克服了ABAQUS自帶的摩爾-庫倫屈服準則無法同時考慮材料彈性正交異性和塑性各向異性的缺陷，通過編譯UMAT子程序將土體正交異性的本構模型嵌入到ABAQUS軟件中，實現了土體正交異性本構模擬的數值計算。本發明所提供的數值分析方法能夠全面反映土體沉積所引起的正交異性的特點，為合理描述土體正交異性的特性提供了參考，也對指導工程實際問題具有重要的科學價值。

附圖說明:

圖1為本發明的數值方法流程圖；

圖2為土體粘聚力隨方向的各向異性；

圖3為用雙曲線近似擬合摩爾庫倫屈服函數；

圖4為p-q平面摩爾庫倫準則的雙曲線逼近。