岩土力学 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (8): 2279-2286.doi: 10.16285/j.rsm.2021.0032

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

砂土临界状态模型的隐式积分算法 在有限元分析中实现

陈洲泉1, 2, 3, 4，陈湘生1, 2, 3, 4，庞小朝3, 5   

  1. 1. 深圳大学 土木与交通学院，广东 深圳 518060；2. 深圳大学 滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，广东 深圳 518060； 3. 深圳大学 未来地下城市研究院，广东 深圳 518060；4. 深圳大学 深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室，广东 深圳 518060； 5. 铁科院（深圳）研究设计院有限公司，广东 深圳 518060
  • 收稿日期:2021-01-07 修回日期:2021-03-21 出版日期:2021-08-11 发布日期:2021-08-16
  • 作者简介:陈洲泉，男，1988年生，博士（后），主要从事岩土工程数值计算方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金重点项目（No. 51938008）；中国铁道科学研究院基金项目（No. 2019YJ181）。

An implicit integration algorithm for implementing the critical-state sand model into the finite element analysis

CHEN Zhou-quan1, 2, 3, 4, CHEN Xiang-sheng1, 2, 3, 4, PANG Xiao-chao3, 5   

  1. 1. College of Civil and Transportation Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518060, China; 2. Key Laboratory for Coastal Urban Resilient Infrastructures of Ministry of Education, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518060, China; 3. Underground Polis Academy, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518060, China; 4. Shenzhen Key Laboratory of Green, Efficient and Intelligent Construction of Underground Metro Station, Shenzhen University, Shenzhen, Guangdong 518060, China; 5. Shenzhen Research and Design Institute of China Academy of Railway Sciences, Shenzhen, Guangdong 518060, China
  • Received:2021-01-07 Revised:2021-03-21 Online:2021-08-11 Published:2021-08-16
  • Supported by:
    This work was supported by the Key Program of National Natural Science Foundation of China (51938008) and the China Academy of Railway Sciences Fund Project(2019YJ181).

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摘要： 材料状态相关的临界状态砂土模型，能够合理描述不同密实度砂土在不同围压条件下的应力-应变关系以及剪胀特性。考虑到实际工程问题中的土体通常处于真三轴应力状态，基于该模型在多轴应力状态下的扩展形式，在包含第三应力不变量的模型框架中构造了模型隐式应力积分算法的迭代格式。然后，基于ABAQUS的材料用户子程序Vumat进行二次开发，将砂土本构模型在有限元分析中实现。通过Explicit分析模块，模拟了不同密实度条件下砂土的单元试验，同时分析了圆形及条形基础的地基承载力问题。结果显示该隐式算法收敛性较好，强健有效，适用于计算大规模的边值问题。

关键词: 全隐式积分算法, 状态相关本构模型, 弹塑性理论

Abstract: The critical state model for sand is capable of describing the stress-strain relationships over a range of densities and stress levels, as well as the feature of dilatancy. Considering that the soil is generally under true triaxial stress condition in practical engineering problems, the extension of the state-dependent model in the multi-axial stress space will be taken into account in this paper. The iteration scheme for the implicit integration algorithm is formulated in the three-invariant plasticity model platform. With this algorithm programed into the user subroutines, Vumat, the constitutive model is implemented into the finite element analysis based on ABAQUS. Through the Explicit procedure, the sand element tests with different relative densities are simulated first. Then the bearing capacity of circle and strip foundation is analyzed subsequently. The calculated results show that this algorithm is converged and robust, as well as being potential to deal with large-scale boundary value problems.

Key words: fully implicit integration algorithm, state-dependent constitutive model, elasto-plastic theory

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