岩土力学 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (2): 676-686.doi: 10.16285/j.rsm.2019.0166

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一种考虑水力滞回效应的非饱和土弹塑性扩展 剑桥本构模型显式算法有限元实现

程昊1,唐辉明1,吴琼1,雷国平2   

  1. 1. 中国地质大学(武汉) 工程学院,湖北 武汉 400074;2. 维也纳农业大学 岩土工程研究所,奥地利 维也纳 A-1180
  • 收稿日期:2019-01-25 修回日期:2019-05-23 出版日期:2020-02-11 发布日期:2020-02-14
  • 作者简介:程昊,男,1988年生,博士研究生,主要从事非饱和土土本构模型方面的研究。
  • 基金资助:
    国家重大科研仪器研制项目(No. 41827808)

An elasto-plasticity extended Cam-clay model for unsaturated soils using explicit integration algorithm in FEM with hydraulic hysteresis

CHENG Hao1, TANG Hui-ming1, WU Qiong1, LEI Guo-ping2   

  1. 1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074, China; 2. Institute of Geotechnical Engineering, University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna A-1180, Austria
  • Received:2019-01-25 Revised:2019-05-23 Online:2020-02-11 Published:2020-02-14
  • Supported by:
    This work was supported by the National Major Scientific Instruments and Equipment Development Projects of China (41827808).

摘要: 非饱和土应力-应变关系是土力学研究的重要领域。众多学者在非饱和土本构模型及其数值实现方面取得了大量研究成果,但在显示积分算法方面研究较少。在ABAQUS有限元平台基础上,应用带误差控制的显示积分算法,将一种扩展剑桥非饱和土本构模型编制成ABAQUS umat用户材料本构模型子程序,程序应用自动子增量步算法进行误差控制,采用改进欧拉法进行常微分方程显示求解。应用ABAQUS usdfld子程序将ABAQUS计算过程中饱和度及其增量保存为状态变量并导入umat进行耦合计算,使程序完全具备了进行非饱和土本构计算的能力。通过与ABAQUS自带饱和土本构模型的对比数值试验以及多种不同应力路径下的数值试验,验证了本构程序算法的正确性与合理性,相较于传统方法具有形式简洁、计算精度高、稳定性高等优点。最后运用扩展剑桥模型进行考虑水力滞回效应的土干湿循环数值试验,并分析了模型参数b对土干湿循环条件下不可逆累积变形的影响。结果表明,模型参数b对非饱和土干湿循环条件下的力学行为影响很大,b值越大不可逆累积变形越明显,b值越小则不可逆累积变形越小。所采用的误差控制自动子增量步显示积分算法在模拟非饱和土扩展剑桥模型时取得了良好效果,为后续研究打下坚实基础。

关键词: 非饱和土, 显示积分算法, 扩展剑桥本构模型, 水力滞回, 干湿循环

Abstract: Developing the constitutive models of unsaturated soils is a main field of soil mechanics. Although a large number of approaches have been applied, only a few were reported to consider the explicit integration algorithms in FEM. In this paper, we consider the numerical explicit integration with sub-stepping error control implementation of an extended Cam-clay constitutive model for unsaturated soils in ABAQUS umat (user-defined material model) subroutine. The modified Euler method has been used to solve the ordinary differential equations associated with both of the saturation and the saturation increment obtained by usdfld subroutine from ABAQUS. The accuracy, stability and robustness of the schemes were examined by a set of triaxial compression tests between the modified Cam-clay model from ABAQUS and the extend Cam-clay unsaturated model. As a conclusion, the extended Cam-clay unsaturated model with the explicit integration scheme shows great performance in a series of stress pass numerical triaxial test. Finally, the new unsaturated soil umat was applied to analyze the dry-wet cycle triaxial consolidation tests with hydraulic hysteresis. The results show the material parameter b plays a significant role for accumulative irreversible volumetric strain in dry-wet cycle condition, in which the accumulative strain decreases as b reduces but rises with b increases. Those results provide a solid foundation for further studies.

Key words: unsaturated soils, explicit integration algorithm, extended Cam-clay model, hydraulic hysteresis, dry-wet cycle

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