考虑中主应力和剪胀的深埋圆形隧道黏弹塑性蠕变解

深埋圆形隧道的开挖支护是与时间相关的复杂力学过程。为了描述这一过程,假设隧道围岩为Burgers体与Drucker-Prager准则组合的黏弹塑性模型。隧道开挖支护完成瞬时围岩表现为弹塑性,此时考虑中主应力的影响,推导出原岩应力和支护反力共同作用下的应力场;随后,假设此应力场保持不变,隧道围岩表现出随时间变化的蠕变性能,进一步推导出深埋圆形隧道考虑剪胀性能的围岩蠕变位移解析式;结合实际算例,分析围岩剪胀角与支护反力对深埋圆形隧道围岩蠕变位移的影响规律。结果表明,剪胀角的变化会对隧道围岩蠕变位移产生较大影响,而支护反力并不能完全控制高地应力作用下的深埋隧道围岩位移随时间的持续增加。     

横观各向同性砂土的强度准则

提出了一个物理意义清晰且满足客观性原理的横观各向同性砂土的强度准则。通过对典型试验结果的观察,总结了各向异性粒状材料峰值强度随加载方向的变化规律。分析了强度发挥的物理机制,定义了一个新的无量纲各向异性参量Λ(σ,F),用于度量应力张量与组构张量的相对方位。利用该各向异性参量将SMP准则推广,得到一个新的适用于横观各向同性砂土的强度准则。在沉积面方位已知的情况下,该准则只需确定两个试验参数kf0和k,其中kf0代表基准强度,k代表各向异性程度的大小。kf0和k通过两个加载方向不同的破坏试验即可确定。通过物理试验和数值试验结果初步验证了该准则的有效性。     

横观各向同性土的三维强度准则

横观各向同性土体的强度规律包括两个方面:偏平面上的强度曲线畸变和大主应力作用面与沉积面相对夹角?方向上的强度参数变化。当前对横观各向同性材料强度准则的研究主要集中在反映主应力与沉积面垂直条件下偏平面上的强度规律,对方向角?方向上的强度规律研究还不完善。基于微观结构张量法,通过引入滑动面的概念,以大主应力垂直作用于水平沉积面时应力空间与物理空间重合为基准,利用三维滑动面与沉积面之间的相对位置关系,并综合方向角?方向上的强度变化规律,提出了三维横观各向同性强度参数ηn。将其与M-N强度准则相结合,得到了横观各向同性土的三维强度准则。所得强度准则考虑了主应力与沉积面绕某一主应力轴旋转过程中偏平面强度曲线的变化,综合地反映了横观各向同性土体的强度规律。     

横观各向同性成层路基的传递矩阵解

从平面应变横观各向同性弹性体的基本方程出发,推导了成层地基的传递矩阵解;编制了相应程序并进行数值计算,数值结果表明:横观各向同性对路基竖向位移和应力的影响显著。     

深埋圆形水工隧洞弹塑性应力和位移统一解

考虑渗流体积力、中间主应力、主应力顺序、围岩应变软化和剪胀等综合影响,提出深埋圆形水工隧洞弹塑性分析的基本假定。根据假定分别建立施工期和运行期隧洞弹塑性应力和位移统一解,其中运行期又分围岩施工期处于弹性或弹塑性变形两种情况。所得统一解具有广泛的适用性,可退化为众多已有成果。通过工程算例分析,得出围岩与衬砌渗透系数比、统一强度理论参数、软化特性参数和剪胀特性参数对隧洞切向应力和位移的影响规律。研究结果表明:各参数对施工期的影响要大于运行期;围岩与衬砌渗透系数比、黏聚力软化特性参数对施工期和运行期隧洞切向应力和位移影响都很显著;考虑中间主应力的影响,可以更加充分发挥围岩的强度潜能;剪胀特性参数对隧洞位移影响明显。     

考虑中间主应力影响时的圆筒形孔扩张问题的弹塑性解

Tresca强度理论、Mohr-Coulomb强度理论在求解圆筒形孔扩张问题时的弹塑性解并没有考虑中间主应力的影响。本文首次考虑中间主应力影响时求解圆筒形孔扩张问题的弹塑性解。计算表明考虑中间主应力时圆筒形孔的塑性区半径有明显减少。据此可以充分发挥岩土体自身的承载能力，对岩土工程有重要意义。     

横观各向同性岩石弹塑性耦合变形的试验研究

 层理状岩石的变形具有各向异性和弹塑性耦合的特点。推导出各向异性岩石弹性变形参数是塑性应变和加载角度的函数。在此基础上,设计并完成具有明显层理状结构的泥质板岩的三轴循环加卸载试验。试验结果表明：泥质板岩的视弹性模量随塑性应变的增大呈指数规律衰减,视泊松比随塑性应变的增大而增大。提出2个经验函数来分别描述视弹性模量、视泊松比与岩样轴向塑性应变、加载角度间的关系,并获得经验函数中相关参数值,据此绘制视弹性模量随加载角度和塑性应变变化的三维空间曲面图。弹性变形参数的各向异性程度随塑性应变的增大而降低。     

考虑中间主应力和渗流模型的围岩抗力系数新解

考虑三剪统一强度准则、Mogi-Coulomb准则、内外水压力等的综合影响,建立平面应变情况下的力学平衡方程,并结合位移与应力连续条件,得到了裂缝区位移解析解和围岩抗力系数K的表达式。讨论了围岩强度参数c、φ,中间主应力系数n,岩体孔隙率η,内外水压力差对K的影响,结果表明：其他参数不变的情况下,随着n、c、φ的增大,K值逐渐增大;三个系数对K值影响敏感性强弱顺序为：n>φ>c;随着η的增大,K值先出现波动,后趋于稳定;外水压力p₃不变而内水压力p₀逐渐增大时,适当增加p₀(小于600 kPa)有利于岩体承载能力的发挥,当p₀超过600 kPa时,K值也出现波动;在该工况下可以采用注浆措施,以提高岩体密实度与强度或控制内水压力小于600 kPa,使K值处于稳定状态。     

横观各向同性体平面问题的不连续位移法

采矿和岩土工程中所遇到的大多数岩石以及很多复合材料都是横观各向同性体.作为边界元法的一种,不连续位移法较适用于解决采矿和岩土工程中包含有不连续面诸如断层,节理和裂縫等的问題.法向和剪切的不连续位移可以证明系等于相应的四极力系.本文中利用富氐变换推导出了与弹性主方向是呈任意角度的法向和剪切的不连续位移的基本解,并开发了相应的计算程序.数值解与理论解吻合很好,证明了所给出解及程序的正确性.文中还给出了一些应用实例.     

横观各向同性层状地基平面应变问题的解析层元解

从横观各向同性平面应变弹性体的基本控制方程出发,通过Fourier积分变换和Cayley-Hamilton定理推导出单层横观各向同性地基的传递矩阵,然后再通过矩阵变换求得单层地基的精确刚度矩阵,即解析层元解;根据有限层法原理组合得到总刚度矩阵,通过求解总刚度矩阵得到横观各向同性层状地基平面应变问题在积分变换域内的解答,应用Fourier逆变换得到物理域内的精确解。编制相应的计算程序,计算结果与有限元软件模拟结果吻合。算例分析表明土的分层特性和横观各向同性性质对土体变形有明显影响。     

考虑中间主应力影响的压力隧洞围岩抗力系数通用计算式

采用双剪统一强度理论,考虑中间主应力影响,建立了压力隧洞围岩抗力系数K的计算方法,给出了其相应解析计算式,并退化到莫尔–库仑屈服模型、特雷斯卡屈服模型,验证了所获成果的正确性与通用性。     

横观各向同性岩石弹塑性本构模型与参数求解方法研究

地层中普遍存在层理状岩石,这些岩石细观结构具有显著的方向性,从而引起了其变形与强度具有横观各向同性。采用弹性力学与广义塑性力学基本理论,建立了岩石横观各向同性弹塑性本构模型:弹性部分采用广义胡克定律描述,塑性部分采用基于广义八面体剪应力的屈服准则和势函数、非关联流动法则和应变硬化准则描述。该模型屈服面为外凸的非等截距椭圆截面角锥体,在各向同性条件下可退化为米塞斯屈服准则。提出了模型参数求解方法:弹性参数采用三轴压缩和扭转试验联合求解;塑性参数采用不同层理方向试样的三轴压缩试验求解。以炭质板岩为例,验证了所提出的横观各向同性弹塑性模型和参数求解方法,验证结果表明所提模型较好地反映了岩石的横观各向同性,参数求解方法简单有效。此外,还根据试验数据分析了炭质板岩塑性势方向性和弹塑性参数耦合特征。研究成果将为丰富岩石力学基本理论和解决相关工程问题提供理论基础。     

砂土中主应力与内摩擦角统一关系研究

提出了一种适用于砂土的各向异性破坏准则,该准则能够反映不同砂土各向异性破坏特性,其参数可以根据某些特定应力区的三轴压缩和三轴拉伸试验结果获得,即根据强度比值确定。为了考虑不同应力区内的中主应力对内摩擦角的影响,提出了广义中主应力系数和广义内摩擦角的概念和表达式,并且建立了基于一种各项异性破坏准则的内摩擦角和中主应力系数的统一显示表达式。通过对一些真三轴试验结果预测,结果表明所提出的摩擦表达式能够整体上描述各向异性砂土的中主应力系数对内摩擦角的影响。     

基于统一强度理论的深埋圆形岩石隧道收敛限制分析

基于统一强度理论和非关联流动法则,考虑中间主应力、围岩软化、剪胀和塑性区较小弹性模量等综合影响,推导了深埋圆形岩石隧道围岩特征曲线解析新解。采用较合理的 Vlachopoulos 公式确定隧道纵向位移释放系数,利用收敛限制法对比两种支护起始位置方法下支护压力的差异。研究结果表明：统一强度理论参数对围岩特征曲线和隧道纵向变形曲线的影响显著,考虑中间主应力效应可以更加充分发挥围岩的强度潜能,塑性区弹性模量和剪胀参数对围岩特征曲线的影响显著,不同支护起始位置方法确定的支护压力差异明显。     

考虑主应力轴方向的砂土各向异性强度准则与滑动面研究

主应力加载方向对土体强度产生影响的根本原因是土体存在各向异性。对于横观各向同性砂土而言,沿不同平面的抗剪强度随该平面与沉积面夹角增大而增大。认为砂土固有各向异性强度与该平面的各向异性参数密切相关,给出了各向异性砂的峰值强度表达式。在SMP准则中,各个潜在滑动面上的剪正应力比相同,各向异性砂土的抗剪强度和滑动面位置由强度最低的潜在滑动面所决定。综合考虑主应力轴、滑动面以及沉积面之间的位置关系,得到了砂土的各向异性强度准则。采用福建标准砂进行了一系列定轴剪切试验,系统地观测了定轴剪切试验中试样滑动面的特征。已有试验数据和理论结果的对比表明,各向异性强度准则可以较好地预测各向异性砂土的强度与滑动面位置。     

土体平面应变方向上的主应力

通常认为在土体平面应变的方向上的主应力总是中主应力 ,而文中的试验结果和理论分析表明 :在土体接近破坏时 ,土体平面应变的方向上的主应力是中主应力 ;在保持两个主动主应力比值较小加载时 ,土体平面应变的方向上的主应力一般是小主应力 ;当两个主动主应力减载到应力值或应力水平很低时 ,平面应变方向上的主应力可能变成大主应力 ,并且发生减载屈服。这是由土受力变形的弹塑性性质决定的。     

中主应力系数对应力主轴循环旋转条件下砂土变形特性的影响

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪对日本标准丰浦砂进行了四个系列、每个系列包含中主应力系数b=0.1,0.5和1.0三种不同情况的纯应力主轴循环旋转排水试验,即试验过程中控制作用在砂样上的有效主应力的幅值不变,仅应力主轴在0°～180°循环旋转。试验发现中主应力系数b对应力主轴循环旋转条件下砂土的变形特性有显著影响,着重分析了这一参数对纯应力主轴循环旋转条件下砂土的应变分量和体应变的发展、剪应力剪应变关系曲线及流动规律等变形特性的影响。