剪切带倾角尺度律与局部化启动跳跃稳定研究

研究了剪切带倾角是如何依赖于岩样高度以及剪切带的不稳定性。建立了准脆性材料试件剪切带倾角尺度效应模型,得到了剪切带倾角尺度效应的解析解,且与实验结果比较相符。研究结果表明:剪切带倾角随着试件高度的增加而增加,但其增加幅逐渐减缓,最终趋于稳定值。笔者还对剪应变局部化启动、跳跃和稳定进行了理论分析,解释了实验所观测到的剪切带跳跃现象和砂岩岩样应变局部化较煤样滞后的原因。剪应变局部化是否发生跳跃,关键取决于全程应力-应变曲线软化段是否存在拐点。对于没有拐点的情形,宏观剪切带图案不跳跃。局部化是导致准脆性材料试件剪切带倾角尺度效应的原因。     

梯度塑性理论及其在地质灾害预测研究中的应用

岩石结构稳定性问题是岩土工程实践中迫切需要解决的重要课题之一。文章以地震为例，讨论了地质灾害的局部化特征，介绍了经典弹、塑性理论的某些缺陷及梯度塑性理论的几点优越性：(1)控制方程总是适定的；(2)病态网格依赖性消失；(3)局部化带宽度由材料的内部长度完全确定；(4)可对岩石结构的尺寸效应及失稳回跳进行合理解释和预测；(5)对预测宏观及微观问题均比较有效。介绍了基于梯度塑性理论的岩石变形、破坏及稳定性研究进展。梯度塑性理论可用于研究单轴压缩条件下，岩石试件发生剪切破坏时全程应力一应变曲线、尺寸效应、剪切带倾角尺寸效应及失稳回跳等问题。它们对土木工程及岩土工程均十分重要。若将单轴压缩岩样比拟为矿柱，则该失稳判据即为矿柱岩爆准则。梯度塑性理论可用于研究韧性断层带内部应变、应变率分布规律、断层带错动位移及带内孔隙度分布规律，为韧性断层带定量分析提供了新的手段。此外，该理论还可对直剪试验机——岩样系统不稳定性进行分析，系统失稳可比拟为断层岩爆。发展基于梯度塑性理论尺度律及失稳判据等解析解一方面可加深对岩石变形、破坏的理解；另一方面。还可用来检验数值结果的正确性。     

韧性剪切带形成的岩石流变学特征

 本文应用流变学有限元法,建立了韧性剪切带内的温度、应力、应变和位移之间的关系。并对加速蠕变和应变软化两种情况,给出了不同时刻韧性剪切带内的温度、应力、应变、应变率、位移和粘滞系数的分布特征,描述了岩石递进变形的规律。     

应变软化扩容对含随机缺陷岩石的渐进变形及破坏前兆特征的影响

在单轴平面应变压缩条件下, 采用FLAC模拟了剪切扩容对含随机缺陷岩石破坏前兆及变形特征的影响。密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则, 破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。缺陷在破坏之后经历理想塑性行为。随着轴向应变的增加, 试样内部破坏的单元数目增加, 直到达到一个常数, 该常数随着扩容角的增加而增加。当扩容角较高时, 计算得到的泊松比在峰前就可以超过0.5;剪切扩容于峰前发生; 变形后试样的最终体积大于初始体积。剪切局部化(导致了毗邻块体之间的相对滑动)及剪切扩容(发生于剪切带内部)是非零扩容角试样峰后体积膨胀的原因。在峰前, 通过观察剪切应变增量、破坏的单元数目、侧向应变、计算得到的泊松比及体积应变可以发现, 扩容角越高, 试样破坏的前兆越明显。在低扩容角时, 由于弯曲的剪切带边界, 试样内部充分发展的剪切带的倾角比较分散, 剪切带的倾角更接近Arthur理论。      

基于梯度塑性理论的岩样在压剪条件下变形及稳定性分析

考虑了正应力及剪应力联合作用在岩样的端部,而且,在正应力被视为变量,剪应力被视为常量这一特殊条件下,对剪切带的变形特征及剪切带-带外弹性体系统的失稳判据进行了分析.根据剪切虎克定律及梯度塑性理论,提出了剪切带内部弹性应变、塑性应变及总应变的解析式,对上述三种应变进行积分,提出了剪切带错动弹性位移、塑性位移及总位移的解析式.利用压缩虎克定律及几何关系建立了剪切带外弹性体的刚度的表达式.根据刚度理论,建立了剪切带-带外弹性体系统的失稳判据.考虑岩样端面的剪切应力后,在流动剪切应力相同时,剪切带内部的弹性剪切应变(均匀分布)将增加;剪切带内部的塑性剪切应变(不均匀分布)将减小;剪切带的弹性剪切位移(线性分布)将增加;剪切带的塑性剪切位移(非线性分布)将减小;剪切带错动位移要小一些.另外,剪切应力对剪切带-带外弹性体系统的失稳判据没有影响.失稳判据仅和岩石的本构参数、剪切带倾角及结构尺寸有关.     

甘肃北山白墩子-小西弓韧性剪切带及其控矿作用

白墩子—小西弓韧性剪切带是甘肃北山地区8条韧性剪切带中最南侧的一条, 位于北山南带的白墩子—小西弓一带, 呈近东西向展布, 长160km, 宽5~8km。该韧性剪切带以近水平右行剪切为特点, 是一条形成于中低—中偏高温度、较低差应力条件(53~106MPa)下的韧性剪切带, 主应变(Rxz)为4~20, 剪应变(γ)1.41~2.42, 剪位移达10~25km。该韧性剪切带对金矿床控制作用明显, 在区域上控制金矿床(点)的分布, 在矿床范围内控制金矿化带、矿体的形态、产状和规模。压扭性韧性剪切变形特点决定了金矿化类型以蚀变糜棱岩型为主, 蚀变以交代作用为特色。金矿化稍晚于韧性变形。      

韧性剪切带形成的岩石流变学特征

本文应用流变学有限元法,建立了韧性剪切带内的温度、应力、应变和位移之间的关系。并对加速蠕变和应变软化两种情况,给出了不同时刻韧性剪切带内的温度、应力、应变、应变率、位移和粘滞系数的分布特征,描述了岩石递进变形的规律。     

土体应变局部化现象的理论解析

引起土体失稳的应变局部化现象是在特定应力状态下,土体本构产生的分叉特性。基于有限变形理论推导了应变局部化产生的三维解析解。基于应变局部化的理论解析,分析了轴对称和平面应变条件下应变局部化现象在弹塑性硬化阶段的存在性以及剪切带的方向性。 理论分析表明,在轴对称条件下,土体应变局部化产生于土体应力-应变的软化阶段,而平面应变条件下,土体应变局部化一般出现在应力-应变的硬化阶段,其剪切带方向角的理论预测与Arthur等[1]建议值较为一致。     

考虑应变局部化的粗粒料剪切损伤力学机制

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性,通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象,建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化,基于应变等价原理、Weibull分布,推导了粗粒料的应力-应变关系方程。从剪胀作用的机制出发,提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程,提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验,对剪切损伤力学模型进行验证,进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明,考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征,有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制,模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致,计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。     

考虑塑性应变率梯度的单轴压缩岩样轴向响应

基于剪切应变率梯度格式,采用解析方式研究了岩石材料在单轴压缩条件下的应变软化的结构响应。根据非局部连续介质模型,提出了一维二阶剪切应变率梯度格式。非局部剪切应变率与局部剪切应变率及其二阶梯度有关。将经典塑性理论中的局部剪切应变率替换为非局部剪切应变率,可以直接得到局部剪切应变率的封闭解析解,而不必通过将局部剪切应变对时间求导获得。通过对局部剪切应变率积分,得到了沿剪切带方向的相对剪切速度。试件峰值强度后的端部速度由弹性及塑性两部分构成。前一部分由虎克定律描述;后一部分与相对剪切速度有关。对弹性及塑性两部分速度求和,得到了单轴压缩岩样剪切破坏问题轴向响应的解析式。研究表明：试样高度越大、内部长度越小、剪切软化模量越大及泊松比越小,则岩样的轴向响应倾向于脆性。根据岩样与矿柱的相似性,岩样响应倾向于脆性,意味着矿柱将失去稳定性,发生矿柱岩爆。目前的基于剪切应变率梯度格式的主要优点是简洁。     

Localized failure of fibre‐reinforced elastic–plastic materials subjected to plane strain loading

We consider discontinuous bifurcations as the indicator of a localized failure for a class of composites that are characterized by elastic fibres reinforcing an elastic–plastic matrix. A macroscopic tangent stiffness tensor for the fibre‐reinforced composite is developed by consistently homogenizing the contribution of fibres in a spherical representative volume element. Analytical solutions are derived for the critical hardening modulus and corresponding bifurcation directions for the case of plane strain loading. Properties of the solutions are further illustrated on the example of the non‐associated Drucker–Prager model at onset of yielding. Results show that presence of fibres decreases the critical hardening modulus, thus inhibiting the onset of strain localization. The rate of decrease in the critical hardening modulus is the highest for pure shear, followed by uniaxial tension, uniaxial compression, biaxial tension and biaxial compression. The main fibre parameters that control the onset of strain localization are their volumetric content and their stiffness modulus whereby very stiff fibres can produce the most significant decrease in the critical hardening modulus, especially for the state of biaxial tension. The critical hardening modulus for the non‐associated Drucker–Prager model exhibits a full range of localization modes including compaction bands, dilation bands, and transition in the form of shear bands regardless of the presence of fibres. Presence of fibres affects bifurcation directions, except in the case when Poisson's ratio of the matrix is equal to 0.25. The results demonstrate stabilizing effects of fibres by which they provide the control against the onset of strain localization. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

泊松比对岩样破坏模式及全部变形特征的影响

利用编写的计算岩样全部变形特征的FISH函数, 采用FLAC模拟了泊松比不同时单缺陷岩石试样的破坏及全部变形特征。在峰前及峰后, 本构模型分别取为线弹性模型及莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。高泊松比使岩样发生由单一剪切破坏向复杂破坏转变、破坏区域的面积增加、剪切带倾角降低, Coulomb、Roscoe及Arthur理论对此无法解释。不同泊松比时计算得到的峰前应力-轴向应变曲线、应力-侧向应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线的线性阶段与平面应变压缩条件下的线弹性解吻合。若泊松比超过1/3, 通过计算得到的平面应变压缩泊松比可大于0.5, 这被数值模拟确认。泊松比的增加使峰后的侧向应变-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线、计算得到的泊松比-轴向应变曲线变得不陡峭, 使峰后的应力-侧向应变曲线变得陡峭, 使破坏的前兆变得不明显。      

堆石料等应力比路径四模量增量非线性模型

已有研究表明,土石坝内堆石料在施工填筑期的应力路径可近似为主应力比为常数的路径。根据大型三轴仪上进行的两种应力路径排水试验,即等向压缩的固结试验和等应力比值的剪切试验,提出了一个四模量增量非线性模型。模型除给出了堆石料体积模量K和剪切模量G的表达式外,对剪应力产生的体积应变和平均主应力产生的剪切应变也分别采用了交叉模量J1、J2表达。通过与试验数据的对比表明,四模量增量非线性模型能够较好地预测堆石料在等应力比路径下的应力-应变关系。     

陇东Q3结构性黄土压剪损伤本构模型试验研究

Q3黄土在我国西北地区分布广泛,且大部分都具有显著的结构性。随着国家“一带一路”倡议的不断向前推进,作为丝路沿线的西北黄土分布地区将迎来新的建设大潮。黄土的结构变形特性非常复杂,深入研究黄土在压缩、剪切条件下的结构损伤变形特性,并依此构建黄土的本构关系在理论研究及现场工程应用中具有非常重要的意义。通过对黄土进行均等压缩试验及三轴剪切试验,基于损伤力学思想,提出黄土结构在均等压缩条件下的平均正应力损伤比,在剪切条件下的平均正应力损伤比及偏应力损伤比。根据弹性、塑性应变确定塑性势线,进而确定其屈服函数;将确定的黄土结构损伤比引入到屈服函数中,得到一定结构损伤时黄土的屈服函数表达式;验证了选取塑性体应变作为本构模型硬化参量的合理性;根据硬化参量与相关试验参数的联系,推导出结构性黄土在压剪条件下的损伤本构模型。经过实测应力-应变曲线与本构模型推算得到的应力-应变曲线对比可知,所建立的本构模型可以较好地反映黄土在压剪条件下结构损伤演化变形过程,具有较好的工程应用前景。     

On the role of particle breakage in the shear failure behavior of granular soils by DEM

This article presents a fundamental study on the role of particle breakage on the shear behavior of granular soils using the three‐dimensional (3‐D) discrete element method. The effects of particle breakage on the stress ratio, volumetric strain, plastic deformation, and shear failure behavior of dense crushable specimens undergoing plane strain shearing conditions are thoroughly investigated through a variety of micromechanical analyses and mechanism demonstrations. The simulation of a granular specimen is based on the effective modeling of realistic fracture behavior of single soil particles, which is demonstrated by the qualitative agreement between the results from platen compression simulations and those from physical laboratory tests. The simulation results show that the major effects of particle breakage include the reduction of volumetric dilation and peak stress ratio and more importantly the plastic deformation mechanisms and the shear failure modes vary as a function of soil crushability. Consistent macro‐ and micromechanical evidence demonstrates that shear banding and massive volumetric contraction depict the two end failure modes of a dense specimen, which is dominated by particle rearrangement–induced dilation and particle crushing–induced compression, respectively, with a more general case being the combination and competition of the two failure modes in the medium range of soil crushability and confining stress. However, it is further shown that a highly crushable specimen will eventually develop a shear band at a large strain because of the continuous decay of particle breakage. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

平面应变状态下岩石剪切带网络数值模拟研究

研究了围压、端面约束、试件高度及界面特性对剪切带网络形成的影响。首先对影响剪切带网络形成的因素（包括试件高度、围压及温度、试件端部轴向应变大小的计算方法的差异）进行了分析。之后采用FLAC 3D对平面剪切带网络进行了数值模拟,其中摩擦角及内聚力为应变软化。探讨了倾向于出现剪切带网络的若干条件。若端面缚束较强且存在一定的侧压力,试件中部出现多重剪切带。若端面缚束较弱,试件端部易于形成剪切带网络,且随试件高度的增加剪切带条数增加。界面法向和切向刚度越大,剪切带穿越断层并按其固有方向延伸能力越强,剪切带网络格局越明显。获得的数值结果可在实验中找到佐证,并且可以用来解释地震中的一些剪切应变局部化现象。     

砂土的渐进破坏及其数值模拟

紧密砂土在排水剪切过程中由于材料的应变软化特性,会出现变形局部化并伴随剪切带的产生。对此类问题进行数值模拟时会遇到很多困难,比如如何模拟紧砂的应变软化特性,如何处理有限元数值分析过程中刚度矩阵的非正定导致计算结果发散问题,以及如何处理应力不连续的问题,拟针对以上问题进行了探讨。     

Failure modes of the lineaments on Jupiter's moon, Europa: Implications for the evolution of its icy crust

Lineaments referred to as ridges, troughs, bands, and faults on the icy surface of Jupiter's moon, Europa, have long been interpreted as extensional structures due to brittle fracturing of ice and intrusion of mobile materials from the interior of the satellite. Based on detailed mapping and possibly analogous structures present on Earth, we propose that the kinematics and failure mechanisms of these structures are variable and more complex than previously thought. A dense network of structures of multiple generations, forming the background on the surface of the planet, is here interpreted as localized zones of volumetric strain, likely compaction and/or dilation bands. The next class of linear failure structures is shear bands with significant offset of pre-existing markers. A few additional phases of less pervasive but more prominent volumetric deformation bands overprint the shear zones and background network. The mode of younger features can be characterized as sharp, dilational, brittle fracturing and subsequent shearing, thereby producing comminution and fragmentation in various sizes, leading to a series of younger faults with detectable lateral, as well as vertical, offset. This rich variability in the nature of the distribution, localization, kinematics, and formation mechanisms, if true, suggests that the conditions prevailing within the crust of Europa must have changed dramatically over time. The implication of this conclusion is that structures interpreted to be compaction/dilation bands and shear bands on Europa are composed of deformed materials similar to the surrounding ice, whereas only the younger faults, developed by brittle fracturing and fragmentation, may be conduits for mobile substrate to reach the surface and thus offer the highest potential for recovering evidence for life in the satellite.