考虑主应力轴旋转的砂土非共轴本构模型的有限元数值计算

很多静动力岩土工程有主应力轴旋转现象，考虑它的影响对模拟诸如地震引起的砂土液化等复杂岩土工程问题有重要意义。岩土工程的数值模拟主要由本构模型的构建，实验获取模型参数和有限元实施组成。人们已经构建了很多非共轴模型模拟主应力轴旋转对砂土的影响，同时积累了大量的实验数据，但非共轴模型很少在复杂的有限元计算中应用。申请人发现，该类模型的独特结构（存在一个切向于屈服面的塑性应变）使得它的数值计算较困难：如果切向塑性应变增量发生轻微的偏移就会指向屈服面里，变成弹性应变增量。针对此类模型的重要性，该项目着重解决它们的数值计算问题。该类模型的独特结构使得它们的数值积分成为计算中最关键的问题。因此，该项目首先探索针对此类模型最适宜的积分方法；将积分后的模型应用到有限元程序中，分析各种主应力轴旋转的岩土工程问题，并同现有的实验数据对比；为推广非共轴模型的应用，将模型程序连接到开放岩土软件平台，供他人应用验证。

在岩土工程中，主应力轴旋转（非共轴现象）会出现在很多荷载中，比如地震和波浪荷载。但是，目前的数值计算中没有准确地考虑主应力轴旋转的影响。主要是因为没有合适的针对主应力轴旋转的土体本构模型。该模型需要准确地模拟主应力轴旋转对土体的作用，并且易于应用到数值计算方法中。因此，该项目旨在构建主应力轴旋转模型，并将模型应用于现有的数值计算方法中，分析计算主应力轴旋转对土工边界值问题的影响。..在项目的执行过程中，首先构建了针对主应力轴旋转的土体模型。该模型能够准确地模拟主应力轴旋转对土体应力应变关系的影响。另外，模型较容易应用于现有的的数值计算软件中。第二个工作是利用室内土工实验对该模型进行了验证。主要采用可以产生主应力轴旋转的土工实验，包括空心圆柱扭剪仪以及单向和多向单剪实验仪。实验结果验证了模型的准确性。第三个工作是对模型进行数值积分。采用了自动分布、无条件收敛的显性积分方法。该数值积分方法能够提高非线性计算的稳定性。第四个工作是将本构模型植入大型有限元软件中，分析计算典型的带有主应力轴旋转的岩土边界值问题，包括波浪与海底土的相互作用以及地震产生的砂土液化现象。数值计算结果同实验结果比较表明，考虑了主应力轴旋转的本构模型计算的结果更符合实验结果。验证了该模型和计算方法的重要性。..该项目提出了构建考虑主应力轴旋转模型的正确方法，并且开发了应用主应力轴旋转模型的数值计算体系。计算结果表明，在岩土边界值数值计算中，主应力轴旋转的作用不可忽视。该项目为进一步提高岩土工程数值模拟的准确性做出了贡献。有关科研成果发表在国内外多个专业期刊以及会议，包括2篇出版的SCI论文，2篇接受等待出版的SCI论文，2篇正在审稿的SCI论文。通过该项目培养了2名硕士生和3名博士生，其中2名硕士生已经顺利毕业，一名博士生已经顺利通过毕业答辩。