考虑压剪耦合特性的岩土材料广义非线性屈服准则

针对岩土材料的压剪耦合特性,将原广义非线性强度理论(GNST)扩展为可合理考虑岩土材料屈服与破坏特性的广义非线性屈服准则。在偏平面上,屈服准则表达式采用SMP准则与广义Mises准则的插值表达式;在子午面上,屈服准则表达式采用可考虑压剪耦合特性的封闭曲线表达式。由于在过渡空间中建立相应的屈服准则表达式,因此与已有的Matsuoka-Nakai准则与Lade-Duncan准则的插值准则(MNLD准则)相比,新准则描述屈服时采用非线性强度曲线,同时能够更合理地考虑静水压力对于偏平面以及子午面上屈服特性的影响,模型参数均具有物理意义,且通过常规试验可以确定。通过不同岩土材料的破坏以及屈服特性的试验预测对比,验证了新准则在描述岩土材料压剪耦合特性方面的合理性。     

论岩土材料屈服准则的基本特性和创新

从岩土材料的基本力学性能出发,讨论岩土材料屈服准则的基本特性和屈服准则的创新。根据国内外学者的大量实验结果,岩土材料屈服准则的基本特性为:拉压异性(SD)效应、正应力效应、静水应力效应、中间主应力效应、中间主剪应力效应、双剪应力正应力效应、双剪应力围压效应、应力角效应(应力偏张量第三不变量效应)和屈服面的外凸性。屈服准则应该满足这些基本特性,Tresca准则不符合这些条件,Mohr-Coulomb理论只能够满足部分条件,Drucker-Prager准则不能满足应力角效应。屈服准则的创新应该满足科学创新的3个要素:(1)新,前所未有;(2)比原来的准则更好;(3)能够实施、便于实际应用。总结各种力学单元体模型的发展,并以一个新的力学模型为依据,对统一强度理论补充一个拉伸破坏条件,它类似于Mohr-Coulomb准则的拉伸截断。从而将统一强度理论扩展到三向拉伸区,更能适用于岩土材料和岩土工程,也使统一强度理论在理论上更趋完整。     

岩土材料能量屈服准则研究

比较岩土类材料与金属的材料特性的差异及由此导致的力学性质差异认为,岩土类材料属于多相体的摩擦型材料,具有内摩擦性质。分析两类材料的力学单元,认为摩擦体力学单元中存在摩擦力。从能量角度对岩土材料的屈服进行研究,分别将Tresca准则和Mohr-Coulomb准则进行推广,推导出只考虑单一剪切面的两类材料单剪能量屈服准则,证明Tresca准则既是金属材料的单剪应力屈服准则,也是金属材料的单剪能量屈服准则,而Mohr-Coulomb准则既是岩土材料的单剪应力屈服准则,也是岩土材料的单剪能量屈服准则。对考虑3个剪切面的能量屈服准则进行探讨,建立适用于岩土类材料的三剪能量屈服准则及其相应的Drucker-Prager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验证。结果表明,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。最后利用一个简单的算例进行验证,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。     

岩土材料基本力学特性与屈服准则体系

比较了岩土材料与金属材料特性及其力学性质差异,认为岩土材料属于多相体的摩擦型材料,存在内摩擦性质,并对岩土材料在弹性状态及极限状态下的摩擦特性进行了分析。详细介绍了高红-郑颖人岩土材料三剪能量屈服准则,给出了其在各种特殊情况下的具体形式,并与Mohr-Coulomb准则进行了比较,提出了三剪能量与三剪应力状态下的Drucker-Prager准则。最后总结了各国常用的应力与应变屈服准则及能量屈服准则,并对其进行了分析比较。     

小议SMP强度准则在岩土工程计算中的应用

提到粒状材料,首先想起的就是砂土、粉末。这类材料在有外力的影响下就会出现不同程度上的形变,这是由于材料的强度决定的。这也就决定了材料的稳定性。SMP强度准则是众多准则中比较适用的,本文浅谈SMP强度准则在岩土工程计算中的应用。     

岩土类介质强度准则新探

在分析Mohr-Coulomb强度准则和双剪统一强度准则的基础上，提出了主剪面应力对以及主剪面应力对的作用这2个新概念，并以此为出发点，通过考虑十二面体单元主剪面上所有3个主剪应力对的共同作用，提出了一个有关岩土类介质的新强度准则。对该准则所作的极限线分析、应力摩尔圆分析、中间主应力效应曲线分析、破坏角分析以及实验对比分析表明，所提准则均能较好地反映岩土类介质的强度和破坏特征。     

平面应变状态下广义Mises准则参数特性

考察了平面应变状态下广义Mises准则参数表达式的基本特性。分析表明,平面应变状态下广义Mises准则会出现中主应力系数小于0的不合理情况,这可能就是导致预测与试验结果之间不一致的原因之一。     

有关岩土材料剪胀的讨论

剪胀是岩土材料一个非常重要的特性,但目前对于剪胀的描述并不统一。剪胀角在滑移线场理论中主要有两种定义:①是实际塑性应变ε与剪切应变γ之间的夹角;②是破坏面(应力滑移线)与速度矢量方向的夹角(此时也称膨胀角)。在有限元计算中剪胀角则通过塑性势函数来定义,但对塑性势函数的选择比较随意,只是将屈服函数中的内摩擦角换成剪胀角,此时的剪胀角已没有明显的物理意义,只能在一定程度上反映材料的剪胀特性。阐明了滑移线场理论中有关剪胀的描述,推导了平面应变条件下考虑剪胀角影响并与Mohr-Coulomb准则精确匹配的广义Mises准则,研究了剪胀对浅基破坏模式的影响。     

岩土类摩擦材料空间Mohr应力圆与强度准则

 分析传统空间Mohr应力圆理论,并指出该理论不能完全反映双向受力下(即考虑中间主应力时)岩土类摩擦材料的应力状态。试验表明岩土类摩擦材料包括混凝土、岩石和土体在双向受压下(以压为正,此时?3 = 0)抗压强度大于单向受压(此时?2 = ?3 = 0)抗压强度,由此提出双向受力状态下2个主剪切平面上承载能力比单向受力状态下剪切平面上的承载能力大,其原因在于双向受力状态下的法向应力大于单向受力下的法向应力,从而使摩擦力和黏聚力增大。这表明空间应力状态下最大压应力?1随?2增大而增大,此时Mohr圆也随之增大。当?2从?2 = ?3 = 0增大至?2 =?1时,不仅2个小极限应力圆在变动,而且3个极限应力圆都在不断增大,由此建立适应双向受力下岩土类摩擦材料的空间Mohr应力圆理论。考虑上述特性,将基于传统空间Mohr应力圆理论的等强度能量强度准则发展为变强度能量强度准则,这一准则能很好地反映岩土类摩擦材料在双向受力条件下的强度特性。     

应力空间变换——岩土本构描述的一条新途径

岩土类摩擦型材料的极限状态线限制了岩土体应力状态的变化范围。岩土体应力状态靠近极限状态时，岩土体塑性剪切变形越来越大，趋以破坏，而离开极限状态线时，结果刚好相反，这是岩土次生各向异性的一种反映，从岩土类材料极限状态线导致的各向异性出发，提出了应力空间变换的思想，以重塑土为例，以修正剑桥模型屈服面的中心为映射中心，导出了重塑土的应力空间变换，应力增量变换的公式，并考虑了应力洛德角的影响，通过应力空间变换，为岩土类材料本构描述提供了一条新途径，使屈服面，边界面只能在允许的应力空间中运动（等向硬化或运动硬化），合理地反映了岩土体次生各向异性与应力路径的影响。     

用统一强度理论求解岩土材料的动力强度参数

基于俞茂宏的统一强度理论，研究了岩土材料在复杂应力状态下的强度理论及确定其动力强度参数的新方法。根据循环荷载作用的特点，把循环过程中的动态应变变化和极限平衡理论耦合起来，提出了基于统一强度理论考虑中间主应力的动态极限平衡概念，探讨了它在岩土材料中的应用，并推导出了确定有效动强度参数C′d，φ′d的方程。进一步研究了统一强度理论下的偏应力、有效固结压力和动态平衡状态线的概念，提出了确定有效动强度参数C′d，φ′d的简便方法。该方法不仅可以适用于砂土、粉土，而且还适用于沉积软岩材料。     

广义Hoek-Brown准则中强度折减系数的确定

 稳定性系数是边坡安全性评价的关键指标,但对适用于岩体特性的Hoek-Brown准则的折减存在标准不统一或计算复杂的特点,有必要确定合适的强度折减方案和系数。将广义Hoek-Brown准则(2002)与强度折减原理相结合,以三峡库区狮子包高边坡为模型,通过改变坡高、坡角和参数,以7种对岩石单轴抗压强度?ci、地质强度指标GSI和岩石材料常数mi的简化折减方案,研究狮子包高边坡的稳定性,并对稳定性系数和抗剪强度进行误差分析,确定广义Hoek-Brown准则的最优强度折减方案。研究结果表明,对广义Hoek-Brown准则的强度折减可通过同比折减参数?ci和GSI获得,此时数值计算与极限平衡法(Morgenstern-Price)确定的高边坡稳定性系数相对误差平均值为6.9%,方差为6.9%,抗剪强度相对误差为4.98%。这对广义Hoek-Brown准则在岩质边坡稳定性数值计算中的广泛应用有一定理论意义和价值。     

岩土材料最大主剪应变破坏准则的推导

屈服和破坏是2个不同的概念,是材料变形过程中的2个不同阶段。在应力空间中,理想塑性的屈服面在材料变形过程中始终保持不变,而在应变空间中,后继屈服面与初始屈服面大小相同,但中心位置随着塑性变形的增大而移动。所以传统的基于应力空间的各种准则无法判断材料破坏与否,而基于应变空间进行表述则能克服这一局限。据此,建立基于最大主剪应变的岩土材料延性剪切破坏应变准则;根据正常固结饱和土排水和不排水三轴试验结果,分析应力和体积应变（排水）或孔隙水压力（不排水）随应变的变化规律,并利用ANSYS对上述三轴试验进行数值模拟,计算结果与试验结果所得规律一致,表明取试样进入临界状态起始点的应变作为破坏极限应变容许值是合理的。最后,详细推导出最大主剪应变的计算公式,并针对几种常用屈服准则给出计算示例。     

脆性岩石广义多轴应变能强度准则及试验验证

通过分析脆性岩石多轴试验中的强度和破坏规律,在已有研究成果基础上,将其强度和破坏控制类型主要归结为3种:类型1,低静水压力时裂缝张开扩展,主要表现为张性微裂缝控制型脆性破坏;类型2,静水压力很高时,裂缝闭合,主要表现为摩擦滑移控制型延性破坏;类型3,处于两者之间时,微裂缝一部分张开,一部分闭合,主要表现为两者复合控制型脆延破坏.在分析脆性岩石强度的静水压力、中间主应力、最小主应力以及应力Lode角等4种效应的基础上,提出子午面上与Mohr-Coulomb准则包络线自然衔接的广义双曲线型破坏函数及八面体偏平面上光滑角隅型破坏函数,从而建立非线性广义多轴应变能强度准则.该准则包含单轴抗压和抗拉强度,在静水压力较低时,实质上它是Griffith-Murrell准则在多轴应力状态下的一种扩展形式,反映脆性岩石破坏类型1;在很高静水压力下该准则可转化为广义Mises准则,反映脆性岩石破坏类型2;而当静水压力较高时,该准则处于上述两种准则的过渡阶段,反映脆性岩石破坏类型3.最后,通过对不同种类岩石多轴试验结果的验证分析,表明该准则能够较为合理地描述上述4种效应,而且能够反映非线性强度特征和拉压强度的显著区别,可广泛地适用于各种脆性岩石.     

深埋圆形硐室围岩塑性形变压力的广义Hoek- Brown破坏准则解及其三元非线性回归模型

 研究侧压力系数l = 1时,以广义Hoek-Brown经验准则为屈服准则的深埋圆形硐室理想弹塑性围岩的塑性形变压力的闭合解。采用较易获得的围岩参数,分别建立最大塑性形变压力随相对初始应力和归一化地质强度指标变化的二元线性回归模型与相对塑性形变压力随相对初始应力、相对塑性区半径和归一化地质强度指标变化的三元非线性回归模型,为预测围岩塑性形变压力提供较为可靠的途径。     

岩土材料弹塑性损伤模型及变形局部化分析

常规的弹塑性模型由于没有考虑到损伤和塑性的耦合作用，难以模拟破坏时由于内部损伤的累积导致的变形局部化剪切带的形成过程，因而，不能很好地反映实际结构的细观破坏机理。作者采用一种宏细观结合的思路，基于细观损伤力学提出了一个适用于岩土材料弹塑性损伤模型，研究均质材料在外部环境作用下由于损伤和塑性的耦合导致的局部化剪切带的形成过程。对基体材料服从Drucke-Prager准则的球形孔洞体胞单元提出了一个塑性损伤屈服面，为了反映岩土材料在拉应力和压应力作用下不同的孔洞形成机理，分别采用了球形拉应力和塑性应变的成核机制来建立孔隙率的演化方程，根据塑性损伤屈服面和孔隙率的演化方程，导出了关联流动法则下的岩土材料塑性损伤本构方程。将笔者提出的岩土材料弹塑性损伤模型，通过用户子程序嵌入到大型商业有限元软件MRAC中。为了研究塑性和损伤的耦合作用，分别采用Gurson弹塑性损伤模型和Mises弹塑性模型，对Tvergaard关于自由表面有周期性分布微小形状缺陷的半无限大板在平面应变拉伸作用下剪切带的形成进行了数值模拟，计算结果表明弹塑性损伤本构模型在模拟变形局部化方面具有明显的优势。采用作者提出的岩土材料弹塑性损伤模型，对平面应力条件下有一个缺陷单元的均质岩土材料单轴受压试件的局部化剪切破坏进行了数值模拟。