基于广义Hoek-Brown准则的边坡稳定性强度折减法数值分析

Hoek-Brown屈服准则作为估计完整岩石或节理岩体剪切强度的半经验准则,已成为岩体强度预测及计算领域应用最广泛的准则之一,并在边坡极限平衡法计算中得到了广泛应用,但很少应用于数值模拟计算领域。本文结合工程实例,以广义Hoek-Brown屈服准则建立数值计算模型,并基于强度折减方法计算边坡安全系数,经与等效Mohr-Coulomb屈服准则数值模拟及极限平衡计算对比,得出基于Hoek-Brown屈服准则的模拟计算结果与其它方法一致并且正确的结论。并认为不同屈服准则条件下的边坡潜在滑移面位置及变形特点存在差异,原因在于不同的屈服准则采用了不同的流动法则。与Mohr-Coulomb屈服准则相比,Hoek-Brown屈服准则采用基于应力水平的塑性流动法则更加体现了节理岩体的变形和破坏特点,可有效反映岩体的非线性破坏特征,更加接近工程实际,适于节理岩体的强度计算及稳定性分析。     

岩体非线性特征描述的数值实现及其试验验证

为了采用Hoek-Brown非线性准则描述岩体特征,提出了Hoek-Brown非线性破坏准则的数值实现方法,并对岩体进行了三轴压缩试验的数值模拟,验证了数值计算方法的可靠性,分析了非线性破坏准则中各参数对剪切强度参数的影响.结果表明:通过理论推导可确定Mohr-Coulomb准则中的剪切强度参数与Hoek-Brown准则参数之间的关系;随着地质强度指标GSI的增大,岩体的剪切强度参数c和φ均不断增大,粘结力较内摩擦角对岩体地质强度指标的变化更加敏感;二者随完整岩石的岩体常数mi的变化幅度均不大,地质强度指标GSI对岩体强度的影响大于mi.     

基于广义Hoek-Brown非线性破坏准则的节理岩体地基承载力研究

 针对节理岩体非线性破坏特征,发展基于Hoek-Brown破坏准则的临界滑动场理论进行节理岩体地基承载力的计算。首先将Hoek-Brown准则的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,求得每点的瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力;在此基础上,改进基于Mohr-Coulomb准则的临界滑动场理论,建立新的迭代算法,将Hoek-Brown强度准则与临界滑动场理论结合起来,求解被动土压力和地基承载力。同时,综合分析GSI和mi值对地基承载力的影响。算例对比分析结果表明,该方法能迅速准确地确定节理岩体地基最危险破坏滑面并得到相应的地基极限承载力值。     

基于广义Hoek-Brown破坏准则的边坡临界滑动场

 针对岩体介质非线性破坏特点,采取国际广泛接受应用的建立在地质强度指标(GSI)法基础上的Hoek-Brown屈服准则,建立基于广义Hoek-Brown破坏准则的边坡临界滑动场计算的新方法。首先,根据Hoek-Brown准则确定岩体强度参数;然后,将Hoek-Brown准则不同法向应力水平上的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,用等效内摩擦角和等效黏聚力的Mohr-Coulomb准则代替Hoek-Brown准则;最后,将基于Mohr-Coulomb破坏准则的边坡临界滑动场计算方法进行改进,建立新的迭代方法,获得边坡在满足力与力矩平衡条件下的整体和局部临界滑动面和相应的安全系数。将该方法应用于2个算例和一工程实例边坡的稳定性分析,计算结果表明,该方法既继承了临界滑动场方法快速、准确找到边坡整体局部临界滑动面的优点,又能考虑岩质边坡非线性破坏的特点,更加符合工程实际。     

Hoek-Brown准则的多项式近似解法

Hoek-Brown岩体破坏准则已在全世界范围内的岩土工程中广泛应用,它综合考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多方面的影响。基于通用的Hoek-Brown准则,引入Lambe变量和既时摩擦角,将其转化为Mohr-Coulomb破坏准则的形式,得到用Mohr-Coulomb破坏准则形式表示的隐式函数Hoek-Brown准则。为求得隐式函数的近似解,采用三次和四次多项式进行拟合,得到了n为0.5及0.65时的近似解以及Hoek-Brown破坏应力圆的Mohr包络线,并给出了各不同多项式拟合公式的误差分布。经分析对比,考虑到精度和工程的适用性,最终选用四次多项式进行拟合。最后结合一嵌岩桩嵌岩段极限摩阻力工程实例,并给出了该算法求解的具体过程。     

高应力状态下岩石非线性统一强度理论

Hoek-Brown破坏准则和广义Hoek-Brown破坏准则广泛应用于岩石工程,其缺点是没有考虑中间主应力效应。为此,建立了一对双剪模型,它们包含两个双剪应力、对应于双剪应力作用面的两个正应力和两个或一个较小主应力。根据这一对模型,可以推出俞茂宏提出的统一强度理论和昝月稳、俞茂宏和王思敬提出的岩石非线性统一强度准则和广义非线性统一强度准则。当b = 0时,岩石非线性统一强度准则就变成了Hoek-Brown破坏准则。当岩石所受到的应力状态从低应力水平到高应力水平时,岩石的破坏从脆性破坏转化为韧性破坏。与Hoek-Brown破坏准则相同,岩石非线性统一强度准则和广义非线性统一强度准则只适应于3s相似文献   

岩石的非线性统一强度准则

Hoek-Brown强度准则在岩石工程中被广泛采用，但由于它没有考虑中间主应力效应，因而在理论和实际应用上都存在不足之处，综合统一强度理论和Hoek-Brown强度准则的优点，提出一个适用于岩石的非线性统一强度准则，这一准则既考虑岩石拉压强度相差较大的特点，又考虑了中间主应力效应及其区间性。Hoek-Brown强度准则和非线性双剪强度准则在π平面上构成了岩石屈服破坏面的内边界和外边界，它们均为所提准则的特例。岩石的非线性统一强度准则，其子午线是非线性的，其参数与Hoek-Brown准则的参数一致，可以用岩石的常规三轴试验结果按Hoek-Brown提出的回归公式得出，完整岩石能够从常规三轴试验数据预测出不同应力角的破坏极限线，与国内4个单位6种岩石20余组岩石真三轴实验结果对比表明，该准则与实验结果吻合良好，这一准则也可以推广到岩体或节理化岩体。     

广义Hoek-Brown准则在强度折减法中的应用实现

目前的强度折减法的实施主要以Mohr-Coulomb线性准则为主,该模型作为广义Hoek-Brown准则的线性近似,在描述岩体非线性力学行为特别是低应力状态影响和强度围压效应时存在不足。尽管一些学者已提出基于广义Hoek-Brown准则强度折减法的实现方法,但仍然存在力学概念模糊或分析效率较低的问题。以更为契合工程需要为目的,以抗剪强度作为指标将基于Hoek-Brown准则强度折减法的力学定义具体化,即系统性阐述了折减后岩体强度的力学表达,并提出用于折减后强度参数标定的非线性拟合方法,最后通过案例比较分析验证了研究成果的合理性。     

Hoek-Brown屈服准则及其在隧道开挖中的应用

以梁忠高速公路礼让隧道为例,建立了有限元数值计算模型,并对比分析了采用Hoek-Brown和Mohr-Coulomb两种不同屈服准则时围岩稳定性计算结果,结果表明,不同准则计算的极限状态下,Hoek-Brown屈服准则能有效反映岩体的非线性破坏特征,与现场实际较为吻合,适用于节理岩体计算和稳定性分析。     

Hoek-Brown准则奇异屈服面的圆化方法及其强度折减技术与应用

 为克服基于Hoek-Brown强度准则的屈服面数值奇异问题,提出新的棱角处屈服面圆化方法,在此基础上,借助ABAQUS二次开发平台,采用FORTRAN语言编制理想弹塑性模型子程序,应力更新算法为完全隐式的向后欧拉积分算法; 提出基于Hoek-Brown准则的有限元强度折减技术,并将其嵌入到圆化后的屈服函数中,探讨了强度折减技术应用于Mohr-Coulomb强度准则和Hoek-Brown非线性强度准则的异同点。对某圆形隧洞的模拟分析表明,围岩应力和塑性区的数值计算结果和解析结果吻合很好;对某岩质边坡的模拟分析表明,与等效Mohr-Coulomb模型的线性强度折减技术相比,基于Hoek-Brown模型的非线性强度折减技术获得的潜在滑动面位置较浅、形状较陡,更符合岩质边坡滑动面的特征,两个算例验证了该圆化方法和非线性强度折减技术的正确性和适用性。     

岩石材料的非线性强度与破坏准则研究

将三维应力条件下岩石材料的非线性强度特性,分解为偏平面上的非线性与子午面上的非线性,在偏平面上研究中主应力效应,在子午面上研究静水压力效应,以及中主应力与静水压力的耦合效应。通过八面体面外法线方向与空间滑动面外法线方向二者之间的线性插值,提出统一强度理论的物理模型,每一种材料对应于一个特定的剪切破坏面,进而建立广义非线性强度理论,该理论具有明确的物理模型、清晰的物理概念,4个相互独立的材料参数均具有明确的物理意义,在主应力空间的强度面连续光滑。通过5种岩石材料的真三轴强度试验结果的验证表明,该理论可较好地描述不同类型岩石材料的非线性强度特性。基于广义非线性强度理论提出2种变换应力空间,将广义非线性强度理论分别变换为2个新空间中的Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则,通过5种岩石材料的真三轴强度试验结果的验证表明,该理论可以在变换应力空间中以Drucker-Prager准则、Mohr-Coulomb准则的形式应用。     

地震载荷作用下岩质边坡应力状态调整与破坏规律分析

地震载荷导致岩质边坡内部应力状态调整,引发溃崩、抛射等多种破坏形式。通过对静态与地震载荷作用下岩质边坡内部单元体及结构面应力状态分析,研究了边坡内部应力状态调整规律。以岩石抗拉强度准则和摩尔-库伦强度准则为判据,推导出用于描述完整岩石和含结构面岩体破坏规律的公式。结合地震动力学理论,得到了边坡在地震作用下坡肩拉破坏与坡脚剪破坏的破坏机制,讨论了含结构面边坡的启滑条件与动态滑移过程。地震载荷施加于单元体上的附加应力正负交替,主平面轴动态旋转,边坡不同部位岩体出现拉、压不同的应力状态,破坏形式具有成层性,地震载荷扩大了诱发滑坡的结构面倾角范围。实例分析表明,应力状态分析方法能较好地反映边坡震害演化过程,为边坡震害分析与防治提供新思路。     

线性和非线性的统一强度理论

统一性,即将以前相互没有联系的概念、方法、理论、现象等统一起来,这是一个科学理论美的重要特点之一。统一强度理论是一种新的序列化的理论,它不仅建立起各种线性破坏准则的相互联系,并且产生一系列新的准则。单剪强度理论、双剪强度理论和介于单剪强度理论与双剪强度理论之间的一系列线性准则均为它的特例。但是,它没有将Huber-von Mises准则等非线性准则统一起来,而只能线性逼近它们。根据一个新的力学模型,提出一个普遍形式的统一强度理论,它不仅将单剪强度理论和双剪强度理论的线性准则统一起来,并且将八面体剪应力理论的非线性准则统一起来,从而建立起各种强度理论之间的相互联系,并将最常用的各种强度理论统一于一体,形成一个线性和非线性准则统一的普遍形式的强度理论,可以适用于更多的材料。     

有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用

通过有限元强度折减，使边坡达到破坏状态时，滑动面上的位移将产生突变，产生很大的且无限制的塑性流动，有限元程序无法从有限元方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力．应变关系和强度准则的解，此时不管是从力的收敛标准，还是从位移的收敛标准来判断有限元计算都不收敛，因此采用力和位移的收敛标准作为边坡破坏的判据是合理的。对有限元强度折减法的计算精度和影响因素进行了详细分析，包括屈服准则、流动法则、有限元模型本身以及计算参数对安全系数计算精度的影响，并给出了提高计算精度的具体措施。研究表明：采用徐干成、郑颖人(1990年)提出的摩尔一库仑等面积圆屈服准则求得的稳定安全系数与传统Spencer法的误差在5％左右，证实了其实用于工程的可行性。在平面应变条件下则可采用摩尔匹配DP准则。该文还将此法应用于岩质边坡的稳定分析，得到了岩质边坡的滑动面和安全系数，开创了求节理岩质边坡滑动面与稳定安全系数的先例。     

大理岩卸围压幂函数型Mohr强度特性研究

 对大理岩进行三轴试验和峰前、峰后卸围压试验。研究结果表明：直线型Mohr-Coulomb强度准则不能很好地反映大理岩峰前、峰后卸围压的强度特征;提出非线性Mohr强度准则——幂函数型Mohr强度准则;推导并做出了其在p平面上的屈服曲线,与Mohr-Coulomb强度准则在p平面上的屈服曲线进行比较。研究结果表明,幂函数型Mohr强度准则比直线型Mohr-Coulomb强度准则能更好地描述大理岩的强度特征。     

基于黄土联合强度的黄土隧道围岩应力及位移研究

隧道围岩应力及位移计算问题是隧道工程界中传统研究课题之一,但黄土抗拉强度在黄土隧道围岩应力及位移计算中存在的影响需要进行合理性评价。基于建立的可综合考虑黄土抗拉和抗剪特性的联合强度,开展了极限应力平衡分析,重新推导了强度破坏曲线的主应力表达式;然后重新确定了轴对称圆形隧道条件下黄土围岩塑性区半径;最后得到了隧道周边黄土围岩位移表达式。研究结果表明:在围岩塑性区应力计算与比较中,基于联合强度确定的围岩塑性区应力小于基于传统的Mohr-Coulomb理论确定的围岩塑性区应力,而塑性区半径和隧道周边围岩位移相对较大;基于拉强度建立的联合强度理论克服了Mohr-Coulomb理论高估黄土抗拉强度的缺陷,可以合理评价黄土隧道围岩应力及位移。     

三向应力状态下球形孔扩张问题的弹塑性解

基于Mohr—Coulomb理论推导的球形孔扩张问题的弹塑性解,没有考虑中间主应力的影响．因而与实际结果有误差。为此,本文利用统一强度理论建立了球形孔扩张问题的统一解形式。利用此解可以合理地得出不同材料的相应解,并且能充分发挥材料自身的承载能力,对实际工程具有重要意义。     

考虑σ2作用的加筋土挡墙筋材设计计算

通常加筋土挡墙筋材拉力和锚固区长度的设计计算是基于莫尔-库仑准则得到的，没有考虑中主应力σ2的影响，而双剪强度理论克服了莫尔-库仑准则的不足，并利用双剪强度理论的φ1，Ct参数替代莫尔-库仑抗剪强度指标。基于双剪强度理论（m=1）计算分析了挡墙筋材拉力大小及其锚固区长度，并将该结果与基于莫尔-库仑准则计算的结果进行了对比，结果表明墙高较小时两者结果基本一致，而墙高较大时，双剪强度理论计算结果大于莫尔-库仑准则计算的结果。     

An approximate nonlinear modified Mohr-Coulomb shear strength criterion with critical state for intact rocks

In this paper, the Mohr-Coulomb shear strength criterion is modified by mobilising the cohesion and internal friction angle with normal stress, in order to capture the nonlinearity and critical state concept for intact rocks reported in the literature. The mathematical expression for the strength is the same as the classical form, but the terms of cohesion and internal friction angle depend on the normal stress now, leading to a nonlinear relationship between the strength and normal stress. It covers both the tension and compression regions with different expressions for cohesion and internal friction angle. The strengths from the two regions join continuously at the transition of zero normal stress. The part in the compression region approximately satisfies the conditions of critical state, where the maximum shear strength is reached. Due to the nonlinearity, the classical simple relationship between the parameters of cohesion, internal friction angle and uniaxial compressive strength from the linear Mohr-Coulomb criterion does not hold anymore. The equation for determining one of the three parameters in terms of the other two is supplied. This equation is nonlinear and thus a nonlinear equation solver is needed. For simplicity, the classical linear relationship is used as a local approximation. The approximate modified Mohr-Coulomb criterion has been implemented in a fracture mechanics based numerical code FRACOD, and an example case of deep tunnel failure is presented to demonstrate the difference between the original and modified Mohr-Coulomb criteria. It is shown that the nonlinear modified Mohr-Coulomb criterion predicts somewhat deeper and more intensive fracturing regions in the surrounding rock mass than the original linear Mohr-Coulomb criterion. A more comprehensive piecewise nonlinear shear strength criterion is also included in Appendix B for those readers who are interested. It covers the tensile, compressive, brittle-ductile behaviour transition and the critical state, and gives smooth transitions.     

多轴受力状态下再生混凝土的破坏准则及应力-应变本构关系研究

以再生粗骨料取代率、侧向围压值、时间龄期、再生骨料来源和混凝土强度等级为变化参数,设计68个试件进行三轴受压试验研究,观察了三轴受压状态下再生混凝土的破坏形态,揭示了其破坏机理,获取了三轴受压时的应力-应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量等特征点参数。研究结果表明：随着围压值的增大,再生混凝土的破坏形态由垂直劈裂转变为斜向劈裂破坏,且与斜向劈裂面相交的粗骨料被剪断;单轴受压和侧向围压值σw≤9MPa时,再生混凝土发生脆性破坏;围压值σw≥12MPa时,再生混凝土为塑性状态破坏。最后,基于试验分析和普通混凝土的强度理论,分别采用莫尔-库仑破坏准则、π平面剪应力破坏准则以及Rendulic平面上的应力破坏准则从宏观的角度对再生混凝土材料的强度准则进行深入分析,并探讨了多轴应力状态下再生混凝土的应力-应变本构方程。研究结果可供再生混凝土的进一步研究和推广应用提供参考。