geotech-constitutive

name	geotech-constitutive
version	1.0.0
description	Geotechnical constitutive model selection and parameter calibration for Abaqus
description_cn	岩土本构模型选择与参数标定（Abaqus）
triggers	["constitutive","本构","material","材料","mohr-coulomb","drucker-prager","cam-clay","摩尔库仑","德鲁克普拉格","剑桥模型","损伤","蠕变","creep","黏弹","viscoelastic","超弹","hyperelastic"]
priority	P0
dependencies	[]
author	AbaqusGPT Team
tags	["geotechnical","constitutive","material","calibration"]

Geotech Constitutive | 岩土本构模型

Overview | 概述

Expert guidance on selecting, configuring, and calibrating constitutive models for geotechnical materials in Abaqus. Covers soils, rocks, soft clays, sands, and engineered fills.

岩土材料本构模型的选择、配置和参数标定专家指导。覆盖土、岩石、软黏土、砂土和工程填料。

Capabilities | 能力

1. 弹塑性模型 | Elastoplastic Models

Mohr-Coulomb 模型

• 适用范围：一般土体的稳定性分析、边坡、基坑
• 关键参数：内摩擦角 φ、黏聚力 c、膨胀角 ψ
• Abaqus 关键字：

*MATERIAL, NAME=SOIL_MC
*ELASTIC
50000., 0.3
*MOHR COULOMB
30., 0.
*MOHR COULOMB HARDENING
0., 0.0
100., 0.05
200., 0.10

• 注意事项：
  • Abaqus 中 Mohr-Coulomb 在尖角处可能导致收敛困难
  • 建议设置膨胀角 ψ < φ（非关联流动法则）
  • 对于含水土体需区分有效应力参数和总应力参数

Drucker-Prager 模型

• 适用范围：岩石、混凝土、密实砂土
• 关键参数：摩擦角 β、流动应力比 K、膨胀角
• Abaqus 关键字：

*MATERIAL, NAME=SOIL_DP
*ELASTIC
80000., 0.25
*DRUCKER PRAGER
35., 1.0, 10.
*DRUCKER PRAGER HARDENING
200., 0.0
500., 0.02
800., 0.05

• 与 Mohr-Coulomb 的转换关系：
  • 平面应变：tan β = (√3 · sin φ) / (cos θ_T + sin θ_T · sin φ / √3)
  • K = (3 - sin φ) / (3 + sin φ)

Extended Drucker-Prager (Cap 模型)

• 适用范围：考虑体积压缩硬化的土体（如填土、粉土）
• 关键参数：d、β、R (cap eccentricity)、初始屈服面位置
• Abaqus 关键字：

*DRUCKER PRAGER
35., 1.0, 0.
*DRUCKER PRAGER HARDENING
100., 0.0
300., 0.01
*CAP PLASTICITY
0.01, 0.5, 0.0, 0.02
*CAP HARDENING
0.02, 50.
0.04, 100.
0.06, 200.

2. 临界状态模型 | Critical State Models

Modified Cam-Clay

• 适用范围：正常固结或轻微超固结饱和黏土
• 关键参数：
  • λ (压缩指数 Cc / 2.303)
  • κ (回弹指数 Cs / 2.303)
  • M (临界状态线斜率 = 6sinφ / (3-sinφ))
  • e₁ (参考孔隙比)
  • 初始屈服应力 p₀'
• Abaqus 关键字：

*MATERIAL, NAME=SOFT_CLAY
*ELASTIC
*POROUS ELASTIC, SHEAR=POISSON
0.026, 0.3
*CLAY PLASTICITY
1.0, 1.0
*CLAY HARDENING
200., 1.5

• 配套设置：

*INITIAL CONDITIONS, TYPE=STRESS
SOIL_SET, -50., -100., -50., 0., 0., 0.
*INITIAL CONDITIONS, TYPE=RATIO
SOIL_SET, 0.8

Modified Drucker-Prager/Cap

• 适用范围：需要同时考虑剪切破坏和体积压缩的粒状材料
• 与 Cam-Clay 的区别：剪切屈服面使用 Drucker-Prager 而非 von Mises

3. 蠕变模型 | Creep Models

时间硬化蠕变

• 适用范围：软黏土的长期变形、软岩蠕变
• Abaqus 关键字：

*MATERIAL, NAME=CREEP_SOIL
*ELASTIC
30000., 0.35
*CREEP, LAW=TIME
1.e-10, 3.0, -0.5

幂律蠕变

*CREEP, LAW=STRAIN
A, n, m

4. 损伤与软化模型 | Damage & Softening

应变软化 Mohr-Coulomb

• 适用范围：渐进破坏分析、边坡滑坡
• 通过 *MOHR COULOMB HARDENING 定义峰后软化

*MOHR COULOMB HARDENING
100., 0.0
120., 0.02
50., 0.05
30., 0.10

• 注意：应变软化会导致网格依赖性，建议使用非局部正则化

岩石损伤模型

• 可结合 *DAMAGE INITIATION 和 *DAMAGE EVOLUTION
• 对于脆性岩石可使用 Extended Drucker-Prager + 拉伸截断

5. 特殊材料模型 | Special Material Models

膨胀土

• 使用 *MOISTURE SWELLING 定义湿胀变形
• 配合渗流分析

*MOISTURE SWELLING
0.0, 0.0
0.5, 0.03
1.0, 0.08

冻土

• 使用温度相关的材料参数

*ELASTIC
*ELASTIC, TYPE=ISOTROPIC
30000., 0.3, -20.
15000., 0.35, -5.
5000.,  0.4,  0.

Parameter Calibration Guide | 参数标定指南

从试验数据获取参数

试验类型	可标定的参数
三轴压缩试验 (CU/CD)	φ, c, E, ν, M (Cam-Clay)
固结试验 (oedometer)	λ, κ, Cc, Cs, cv, 预固结压力
直剪试验	φ, c (大应变)
无侧限压缩	qu, Eu
共振柱试验	Gmax, D (动力参数)

Mohr-Coulomb 参数标定流程

1. 至少 3 组不同围压的三轴试验
2. 绘制 Mohr 圆 → 包络线 → φ 和 c
3. 弹性模量取 50% 强度对应的割线模量 E₅₀
4. 泊松比 ν：砂土 0.25-0.35，黏土 0.30-0.45

Cam-Clay 参数标定流程

1. 固结试验 → e-ln(p') 曲线 → λ 和 κ
2. 三轴试验 → 临界状态线 → M
3. 初始屈服面 → 预固结压力 → p₀'

Common Issues | 常见问题

收敛问题

问题	原因	解决方案
Mohr-Coulomb 不收敛	屈服面尖角处不光滑	改用 Drucker-Prager 或增大步数
Cam-Clay 初始步不平衡	初始应力与 OCR 不匹配	检查 *INITIAL CONDITIONS 和 *GEOSTATIC
大变形下收敛困难	材料参数在大应变下不合理	检查硬化曲线斜率，确保单调递增
Cap 模型发散	初始帽面位置不合理	调整 *CAP HARDENING 初始值

模型选择决策树

土体类型判断
├── 黏土
│   ├── 正常固结/轻超固结 → Cam-Clay
│   ├── 强超固结 → Mohr-Coulomb / Drucker-Prager
│   └── 软黏土长期变形 → Cam-Clay + 蠕变
├── 砂土
│   ├── 静力分析 → Mohr-Coulomb / Drucker-Prager
│   ├── 动力/液化 → Drucker-Prager + 孔压模型
│   └── 填土压实 → Cap 模型
├── 岩石
│   ├── 脆性岩石 → Drucker-Prager + 拉伸截断
│   ├── 软岩 → Drucker-Prager + 蠕变
│   └── 节理岩体 → 等效连续体 + 弱化参数
└── 特殊土
    ├── 膨胀土 → Cam-Clay + *MOISTURE SWELLING
    └── 冻土 → 温度相关参数

Usage | 用法

CLI

# Get model recommendation
abaqusgpt ask "粉质黏土基坑开挖用什么本构模型" --domain geotechnical

# Parameter calibration help
abaqusgpt ask "如何从三轴试验标定Mohr-Coulomb参数" --domain geotechnical

Python API

from abaqusgpt.skills.geotech_constitutive import GeotechConstitutiveSkill

skill = GeotechConstitutiveSkill()
result = skill.execute({
    "query_type": "model_selection",
    "soil_type": "soft_clay",
    "analysis_type": "consolidation",
    "available_tests": ["triaxial_cu", "oedometer"]
})

References | 参考文献

• Abaqus Analysis User's Manual: Section 23 (Geostatic stress state)
• Abaqus Theory Manual: Chapter 4.4 (Plasticity models)
• Potts, D.M. & Zdravkovic, L. (2001) Finite Element Analysis in Geotechnical Engineering
• Wood, D.M. (2004) Geotechnical Modelling