中主应力对土体本构关系的影响

本文根据常规三轴试验和平面应变试验结果,对以常规三轴试验为基础的土体本构模型在平面变形问题中的适用性进行了研究.文中用双曲线模型和双屈服面弹塑性模型对两种试样的变形进行了计算比较.结果表明,两种模型用于平面问题都有误差,主要是由于两模型中所含破坏准则没有很好反映中主应力影响所致;中主应力主要通过对破坏准则的影响来影响本构关系.改进破坏准则,变形计算可得到很大改善.     

一种新型的摩擦类材料的广义屈服面

在讨论摩擦类材料的屈服及强度特性的基础上提出了一种将子午面内二维屈服迹线扩展到三维主应力空间的方法,将此扩展方法应用于Mohr Coulomb准则,获得了一种新型的广义屈服面.对这种广义屈服面的特性进行了广泛的分析和讨论,还将此屈服面分别应用于各向同性和横观各向同性摩擦材料,并与现有试验数据进行拟合对比,结果表明这种新型的屈服面可以很好地模拟摩擦类材料的屈服特性,可以涵盖部分经典屈服面,适用性更强.     

相似角θ与Lode角θδ的相互关系及其在岩土力学中的作用

岩土力学中的摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则是在工程实践中经得起考验的屈服准则,由于该屈服函数的导数不连续而不能用于有限元分析中,从而限制摩尔-库仑屈服准则的应用范围,用D-P(Druck-Prager)类屈服准则去逼近摩尔-库仑屈服准则可以克服这些困难,但由于两者之间没有建立明确的物理关系,因此逼近效果还不够理想.利用主应力空间与偏平面的几何关系,给出相似角θ与主偏应力s1和偏应力r之间的关系,再依照Lode角θδ的定义,得出两者之间的关系,最后给出了相似角在岩土力学屈服准则中的一个应用,为今后建立更好的屈服准则打下基础.     

Mohr-Coulomb准则的弹塑性积分方法

基于Koiter法则,提出一种适用于Mohr-Coulomb非光滑本构模型的弹塑性积分方法;阐述Mohr-Coulomb准则角点问题产生的原因,采用经典的Kuhn-Tucker互补条件判断可能活跃的屈服面,将Kuhn-Tucker互补方程作为一类特殊的变分不等式,使用投影收缩算法进行求解,并进一步通过迭代确定实际活跃的屈服面;基于主应力特征方程,在主应力空间中计算屈服函数对应力分量的偏导数,同时在一般应力空间中执行应力返回。结果表明,所提出的算法解决了Mohr-Coulomb准则的角点问题,消除了光滑角点带来的误差,既避免了Mohr-Coulomb屈服函数在一般应力空间中角点处的数值奇异性,又不需要进行主应力空间法中所需的应力变换。     

A study of the energy yield criterion of geomaterials

讨论了岩土材料的内摩擦性质,认为其单元体内始终都存在内摩擦力,且摩擦力的方向与剪应力方向相反,是阻止变形产生的。比较了金属材料和岩土材料的变形破坏机制,认为两者存在较大差异,金属材料是由于剪应力的作用使结晶构造产生了滑移破坏,所以应着眼于最大剪应力;而岩土材料属于粒状体材料,其变形和破坏受摩擦法则的支配,由剪应力与垂直应力的共同作用使粒子间克服摩擦产生相对滑移破坏,所以应着眼于最大剪切角。基于此建立了岩土类材料的三剪能量屈服准则及其相应的Drucker－Prager准则,三剪能量准则当不考虑中主应力影响时简化为Mohr-Coulomb准则,当不考虑内摩擦角时简化为Mises准则。从应力、应变、能量角度对材料屈服准则进行了系统的研究,表明无论采用应力、应变或能量表述,只是其形式不同,而其实质是一致的,三剪能量准则是材料的统一屈服准则。结合岩石真三轴试验结果,分别采用Mohr-Coulomb准则及三剪能量准则进行了验证,结果表明大多数情况下三剪能量准则比Mohr-Coulomb准则误差小,更接近试验结果,证明能量准则是可行的。针对一个简单的边坡算例进行了三剪能量屈服准则的工程应用,计算结果表明只考虑单剪切面的Mohr-Coulomb准则比考虑三剪切面的能量准则偏于保守。     

二次曲线作为Mohr包线时的地基塑性区

基于Mohr强度理论和三轴试验结果,建立了Mohr破坏包线的二次型形式.与直线型Mohr-Coulomb准则相比,该破坏模型能反映土体抗剪强度增长随正应力增加逐渐趋缓的特点.在此基础上,基于弹性理论并且抛弃K＝1的假设导出了求解塑性区的方程,与塑性区的几何方程一起构成可以求解的方程组.算例分析结果表明,由本法确定的结果有以下特点:临塑荷载较小且塑性区的形状和发展趋势也不同于传统法得出的结论.     

粗粒土在仔平面上的真三轴试验及强度准则

利用河海大学TSW-40型真三轴仪,对粗粒土进行π平面上的等p(球应力)、等b(中主应力系数)试验,研究粗粒土在π平面上破坏应力比Mb与b的关系。试验结果表明：Mb 随着b的增大而减小;b值较小时其变化对Mb 的影响较大,b值较大时其变化对Mb 的影响则较小;在相同b值下,Mb随着p的增大而减小,强度表现出非线性特性。将等σ3面上的破坏准则、Mohr-Coulomb破坏准则、粗粒土的应力不变量破坏准则、Lade-Duncan破坏准则、Matsuoka-Nakai破坏准则这5种破坏准则在π平面上的破坏线与试验结果比较,验证其对粗粒土的适用性。结果显示,粗粒土等σ3面上的破坏准则由于考虑了中主应力的影响,比Mohr-Coulomb破坏准则更符合试验结果,且可以较方便地考虑粗粒土的强度非线性;粗粒土的应力不变量破坏准则介于Lade-Duncan破坏准则和Matsuoka-Nakai破坏准则之间,与试验结果较接近。     

粗粒土在π平面上的真三轴试验及强度准则

利用河海大学TSW-40型真三轴仪,对粗粒土进行π平面上的等p(球应力)、等b(中主应力系数)试验,研究粗粒土在π平面上破坏应力比Mb与b的关系。试验结果表明:Mb随着b的增大而减小;b值较小时其变化对Mb的影响较大,b值较大时其变化对Mb的影响则较小;在相同b值下,Mb随着p的增大而减小,强度表现出非线性特性。将等σ3面上的破坏准则、Mohr-Coulomb破坏准则、粗粒土的应力不变量破坏准则、Lade-Duncan破坏准则、Matsuoka-Nakai破坏准则这5种破坏准则在π平面上的破坏线与试验结果比较,验证其对粗粒土的适用性。结果显示,粗粒土等σ3面上的破坏准则由于考虑了中主应力的影响,比Mohr-Coulomb破坏准则更符合试验结果,且可以较方便地考虑粗粒土的强度非线性;粗粒土的应力不变量破坏准则介于Lade-Duncan破坏准则和Matsuoka-Nakai破坏准则之间,与试验结果较接近。     

考虑主应力方向影响的正交各向异性土体强度

利用材料组构与应力主轴的方向关系,对椭圆型角隅函数进行修正并引入到Mohr-Coulomb准则,建立了一个适用于正交各向异性土体的三维强度准则.通过所建立的准则,推导了考虑主应力轴方向变化影响的土体峰值应力比与中主应力比关系的计算公式,获得了土体峰值内摩擦角随中主应力比及大主应力偏转角的变化特性.通过与不同沉积面角度条件下的三轴试验及空心圆柱扭剪试验结果对比表明,理论公式预测的内摩擦角与试验结果一致.     

基于等效Mohr-Coulomb摩擦角的强度准则主应力平面表示

定义Mohr-Coulomb(M-C)强度准则各种表达式和对应的等效M-C摩擦角,基于等效M-C摩擦角给出主应力σ1σ2关系表达式,即各种强度准则在主应力平面的表示。以Matsuoka-Nakai(M-N),Lade-Duncan(L-D)和Moji强度准则为例,演示了该方法的应用,研究3种强度准则中间主应力σ2对材料屈服时的最大主应力σ1的影响。结果表明:这种在二维主应力σ1-σ2平面中表示强度准则的新方法既适用于无黏性材料又适用于黏性材料,用于黏性材料时,通过平移坐标轴将黏性材料破坏面转换成无黏性材料破坏面,为材料强度准则研究提供了新思路。     

重塑非饱和黄土等p剪切试验

探讨了重塑非饱和黄土等p剪切试验过程的破坏特性、屈服特性和水量变化特性.做了2种不同干密度的净平均应力和吸力等于常数、偏应力增大的三轴排水剪切试验.结果表明:破坏应力随吸力增大而增大;得到了一种确定等净平均应力剪切条件下屈服应力的新方法,q-s平面上的加载湿陷屈服线形状与p-s平面相似;土-水特征曲线依赖于偏应力,建立了含水量-吸力-净平均应力-偏应力形式的土-水特征曲线.     

用应力偏量不变量表示双剪应力屈服准则

对双剪应力屈服准则,本文给出了一个用应力偏量不变量描述的表达式:     

双剪强度理论在水工压力隧洞弹塑性应力分析中的应用

水工压力隧洞的弹塑性分析,工程上一直采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ强度准则进行求解。但由于该理论和试验结果常常不符,故产生误差。本文应用俞茂宏教授提出的双剪强度理论对水工压力隧洞进行弹塑性分析,解决了上述问题。     

应用双剪应力屈服准则进行弹塑性分析

导出了双剪应力屈服准则在平面应力状态下的屈服曲线及其方程.应用双剪应力屈服准则对旋转园盘、厚壁园筒和具有园孔的大平板进行了弹塑性分析,将计算结果与用Mises和Tresca屈服准则计算的结果作了比较.     

圆板中摩尔-库仑准则的内力屈服条件

对具有拉压强度差效应材料构成的轴对称弯曲圆板在弹塑性阶段应力分布的研究,导出了塑性极限状态下圆板中塑性应力分量间的关系式。以不同受力状态下圆板单元体进入塑性极限状态时的内力分析为基础,建立了圆板在摩尔库仑准则基础上用弯矩表示的内力屈服条件。该内力屈服条件是一条闭合的外凸曲线,符合内力分量的对称性,在材料拉压强度相同时蜕化为屈雷斯卡内力屈服条件。所得内力屈服条件可以用于由拉压强度不同材料构成的圆板和环板的塑性极限分析。     

弹性-脆性-损伤模型及其在岩石局部破坏研究中的应用

在弹性-脆性-损伤本构模型中,采用了由线性的莫尔-库仑剪切屈服函数和非线性的虎克-布朗屈服函数复合后的屈服函数,以适应高压应力条件下岩石变形及破坏规律的研究.为了考虑脆性岩石在应力突然跌落过程中的弹性模量的变化,引入了一个损伤因子,以描述损伤的程度.此外,还考虑了围压对弹性模量的增强作用.对平面应变压缩条件下的矩形岩样的破坏过程进行了计算,并与接近脆性的带拉伸截断的应变软化莫尔-库仑模型的结果进行了对比,发现了它们之间的差异.又对静水压力条件下的平面应变模型开挖圆形巷道之后的破坏区、轻微的剪切及拉伸岩爆区和体积模量的分布进行了计算.研究发现,当考虑围压对弹性模量的影响后,体积模量的高值区位于V形坑的尖端,而V形坑内部的损伤程度随着损伤因子的增加而增加.如果不考虑围压对弹性模量的影响,V形坑尺寸大、较钝.研究结果表明,不同岩石脆性破坏过程中的损伤程度及围压对弹性模量的影响程度不相同是导致V形坑形态差别的原因之一.     

胖试样（矿柱）的曲线剪切带及应力分布模拟

采用拉格朗日元法,模拟了具有粗糙端面的屈服矿柱的宏观力学行为、曲线剪切带图案及渐进破坏特征。矿体在弹性阶段的本构关系取为线弹性;峰值强度后的本构模型取为莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。计算表明,矿柱的宽度越窄、强度越低。矿柱的破坏是逐渐发生的,剪切带从矿柱的四角开始启动,向矿柱的内部传播,最终形成了由曲线剪切带构成的剪切破裂网络。该网络与塑性力学中的曲线滑移线网非常类似。矿柱中心弹性区两侧的软化区的压缩应力由表至里波动上升,反映了矿柱内部条带状的局部剪切破坏。软化区厚度随时间步(或轴向应变)的变化率为常量。矿柱弹性区的应力水平及软化区的应力分布不受矿柱宽度的影响,前者与矿柱的轴向应变有关。     

非饱和土真三轴双剪新强度准则及验证*

依据非饱和土的双应力状态变量理论,在俞茂宏双剪新强度准则的基础上,建立了适用于非饱和土的真三轴双剪新强度准则,并用文献非饱和粉砂刚性与柔性真三轴试验结果进行了验证.研究结果表明:该分段线性的真三轴双剪新强度准则能反映非饱和土强度的中间主应力效应及其区间性与单轴拉压不等特性,且可线性逼近拓展的非线性Spatially Mobilized Plane准则;Mohr-Coulomb强度准则的预测值偏小、外接圆Drucker-Prager准则的预测值明显偏大,这两个准则对非饱和土的真三向应力状态及试验数据均不具有很好的适用性.     

考虑中间主应力与剪胀的新邓肯张模型

邓肯-张模型是岩土工程中广泛应用的非线性弹性模型,但由于其建立在Mohr-Coulomb强度准则基础上,不能考虑中间主应力的影响,且邓肯-张模型应用广义胡克定律时,假定体应变与轴应变之间为双曲线,不能反映岩土材料的剪胀性.基于统一强度理论,在沈珠江模型的基础上,采用二次抛物线体变公式,改进其参数形式,建立同时考虑中间主应力和剪胀的新邓肯-张模型.经与粗粒土和粘性土等试验结果比较,验证了新模型的正确性.研究结果表明:该新模型克服了邓肯-张模型的不足,可以合理地反映岩土材料的中间主应力效应和剪胀性.该结果为邓肯-张模型的改进提供了理论依据,对实际工程设计具有一定的参考价值.