On a mathematical basis for constitutive drivers in soil plasticity

Sammanfattning: Huvudsyftet med denna avhandling har varit att vidareutveckla en matematisk grund för konstitutiva drivenheter inom området plasticitetsteori för jord. Med en konstitutiv drivenhet avses här en datorrutin som innehåller ett antal utvalda konstitutiva modeller jämte integrationsmetoder och med vilken olika laboratorieförsök och fältförsök kan simuleras numeriskt och modellparametrar bestämmas genom optimering. De konstitutiva ekvationer som utgör den matematiska basen i drivenheten, och i vilka materiamodellema implementeras, har formulerats som inkrementella tangentsamband under blandad styrning för simulering av jords såväl dränerade som odränerade beteende. Blandad styrning innebär att kontrollvariablerna kan väljas som en blandning av spännings- och töjningskomponenter. De mot kontrollvariablerna associerade spänningarna/töjningarna blir då simuleringens responsvariabler. Inom forskningsprojektet har en metod för korrigering av spänningspunktens avdrift från flytytan vid explicit integrering och blandad styrning utvecklats för såväl dränerat som odränerat tillstånd. Vidare har en optimeringsrutin för identifiering av modellparametrar utgående från resultat från olika experimentella försök utarbetats. För kontroll av det matematiska konceptet har en generell och användarvänlig konstitutiv drivenhet utvecklats, i form av ett PC-program. Slutligen har effekterna av ändytefriktion och axiell töjningshastighet vid konventionella triaxialförsök analyserats genom numerisk simulering av försöksförfarandet med finita elementmetoden. Studien visar på att randeffekter bör beaktas vid utvärdering av triaxialförsök, t ex genom att utnyttja optimering också på nivån för randvärdesproblemet. Av den vid tillämpningen av den konstitutiva drivenheten vunna erfarenheten kan man dra slutsatsen att den matematiska basen, dvs det blandade tangentsambandet, korrektionsmetoden för avdrift och optimeringsrutinen, fungerar som avsett samt att programmet har en bra struktur. En konstitutiv drivenhet kan utnyttjas i forskning och undervisning men har också praktisk tillämpning. Inom forskningen existerar ett flertal olika tillämpningar såsom utvärdering och jämförelse av uppförandet hos etablerade liksom nyutvecklade konstitutiva modeller samt känslighetsanalys av modellparametrar, antal integrationssteg etc. Den konstitutiva drivenheten har även visat sig vara ett användbart pedagogiskt verktyg för att lättare kunna förstå olika jordmodellers beteende. Ett viktigt exempel på praktisk tillämpning, i samband med användning av finita elementmetoden för lösning av ett geotekniskt problem, är som hjälpmedel för valet av lämplig konstitutiv modell för ifrågavarande jordmaterial och problem liksom för bestämningen av rimliga värden på de i materialmodellen ingående parametrarna. Eftersom så många viktiga tillämpningar existerar för konstitutiva drivenheter vore det fördelaktigt om sådana program också vore lättåtkomliga i form av komplementprogram till kommersiell programvara.