考虑围压及孔隙压力的岩石试件应力与应变关系解析

假设剪切带内部的岩体为剪切破坏,利用剪切应变梯度塑性理论,解析得出了考虑围压和孔隙压力的岩石试件应力与应变的关系,解析解与众多的实验研究结果比较一致,围压效应和孔隙压力效应是局部化所致,这一研究结果对于自然灾害的防治有一定的理论和实际意义。      

岩体假三轴压缩及变形局部化剪切带数值模拟

岩体试件应力－应变全过程曲线，剪切带图案及其演化规律不仅在理论上，而且在工程实践中有着重要的意义，利用快速拉格朗日分析法模拟了尺寸效应，加载速率和围压等因素对假三轴试件抗压应力－应变全过程曲线，变形局部化启动，稳定，剪切带图案及演化规律的影响。     

上海粘性土剪切带倾角的试验研究

采用可量测局部侧向应变的平面应变仪，对上海地区第（2）层褐黄色粉质粘土和第（6）层暗绿色粉质粘土的原状土样，进行固结不排水平面应变压缩试验，观察土样的局部化变形过程，量测剪切带倾角，研究剪切带倾角随固结压力的变化情况，计算剪切带倾角的传统土力学理论解并与实测值进行比较，根据剪切带内局部剪胀角的近似估算，初步研究剪切带内的变形机理，认为剪切带的形成与孔隙水的运动密切相关。     

黏性土剪切带的形成与其屈服的内在联系的探索

为了深入了解黏性土的应力应变特性,对黏性土进行了量测侧向变形的不排水平面应变压缩试验。分析试验结果发现,黏性土局部化变形的起始点与黏性土样中的孔隙水压力的突然增长的转折点非常接近,而孔隙水压力开始急剧增长变化的转折点为其屈服点,说明黏性土剪切带开始形成的偏应力为其屈服点,超过此点后黏性土局部化变形加剧,这个发现将有助于土体在强度理论、变形和稳定分析等方面的深入研究。     

月壤双轴试验的剪切带离散元数值分析

土体的破坏问题一般都是从其剪切带入手进行研究的。针对真实月壤所处的环境（无水、低重力场、低气压等）和内摩擦角较大的特点,采用最近提出的1种考虑粒间抗转动作用与粒间范德华力2个因素的月壤散粒体力学接触模型,用离散单元法模拟了柔性边界条件下月球环境（含范德华力）与地球环境（不含范德华力）2种试样的双轴压缩试验,通过试样局部变形、速度场、孔隙比及转动场的变化情况研究了2种试样剪切带形成与发展。研究结果表明,剪切带的形成是试样内部应变局部化的结果,同时也伴随着试样内部颗粒相对转动的局部化,月面环境对试样的破坏形式与性状（剪切带的倾角及厚度）有显著的影响,探月工程中必须考虑到月面环境对月壤力学性质的影响。     

单轴压类岩石试件应变局部化位置、方向及预警应用研究

应变局部化是岩石破坏的先兆,为揭示单轴压缩条件下控制变形局部化带出现时间、位置和生长方向的主要因素。以白光数字散斑相关方法作为观测手段,获取实验过程中变形局部化的时间演变全过程数据,计算最大主应变场、最小主应变场、位移场,并结合轴力-位移关系曲线对多个试件的局部化演变特征进行了综合对比分析,发现类岩石脆性材料在单轴压受力条件下局部化带的发展沿最大主应变(最大压应变)方向,并随着最大主应变方向的偏转而发生偏转;局部化带的出现位置受最小主应变控制;短时位移场显示脆性类岩石材料局部化带内以张拉破坏为主,并非剪切破坏;局部化带不仅可在接近峰值载荷的高荷载条件下出现,还可能出现在荷载值较低的变形加速拐点处;局部化启动、局部化带两侧观测点水平位移分量反向是较好的构件破坏预警指标。     

不同应力路径下超固结黏土试样变形局部化分析

基于改进伏斯列夫面超固结黏土三维本构模型,利用有限元软件ABAQUS材料子程序接口,采用回映应力更新算法,实现了该模型在有限元分析中的应用。通过该模型与比奥固结理论的耦合,对超固结比为8的超固结黏土在三轴压缩、三轴伸长及平面应变应力条件下的变形局部化问题,进行了水-土耦合弹塑性有限元分析。分析结果表明：剪切带带内、带外点经历不同应力路径;剪切带带外单元经历了体缩、剪胀及被吸水体缩过程,而剪切带带内单元一直保持剪胀趋势;剪切带的形成伴随着剪胀,剪切带内、外出现了负的孔压,且孔压的分布也具有局部化特性。关于剪切带带内、外的孔隙水压及体变变化趋势与剪切速率有关,而平面应变介于三轴压缩与三轴伸长之间,但平面应变较早出现剪切带。孔隙水的迁移速度影响剪切带带内单元的剪胀,进而影响剪切带的形成及发展;而围压和弱单元位置也对剪切带的形成也有影响。     

超固结粘土的剪切带数值模拟

基于中井的子负荷面本构关系模型,采用高精度的隐式应力积分算法,研究了平面应变试验中超固结粘土试样的变形局部化问题。模拟了不同的加载速度和边界约束条件,得到了超固结比为8的藤森粘土土体内部明显可见的X型剪切带和单一型剪切带。结果表明：土体的剪胀特性、孔隙水在土体内的移动规律以及边界约束条件对剪切带的形成和发展起着控制作用。     

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。     

材料缺陷对岩样变形局部化影响的数值模拟

在平面应变压缩条件下,采用拉格朗日元法研究了材料缺陷对岩样应变局部化及宏观力学行为的影响。在数值计算中,采用了莫尔-库仑与拉破坏复合的破坏准则,峰后岩石的本构关系为线性应变软化。对于理想岩样（不含任何缺陷）,从剪切应变率的等值线图及变形网格图发现,变形场相对试样垂直对称轴对称。在试样的边界上设置材料缺陷后,变形场的对称性被打破。材料缺陷附近是局部化现象启动的主要位置。与不含材料缺陷试样相比,含缺陷试样的局部化提前启动。当缺陷位于试样左边界中部附近时,试样内部出现多条剪切带,发生韧性剪切破坏,峰后应力-轴向应变曲线和应力-侧向应变曲线均倾向于韧性,岩样的稳定性增强;当缺陷位于试样上、下端面附近时,仅出现一条贯穿试样左右边界的剪切带,发生脆性剪切破坏,峰后两种曲线倾向于脆性,易发生失稳破坏。从数值结果中还观测到了剪切带的跳跃或迁移现象及剪切带的相互竞争、此消彼涨的现象。当岩样中不包含任何缺陷时,试样应力-变形曲线的峰值强度最高。随着缺陷的上移,峰值强度下降,直到峰值强度基本保持不变。缺陷越接近于岩样的下端,对岩样应力-变形曲线的峰值强度的影响越小。     

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。      

孔隙水压力条件下含缺陷岩样破坏过程及声发射模拟

在平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟了围压存在时孔隙压力对具有初始随机材料缺陷的岩石的破坏过程、前兆及声发射的影响。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。在孔隙压力存在时,缺陷在施加轴向加载速度之前就发生了破坏。当施加轴向速度后,声发射累积数先一度保持恒定,然后由于缺陷的长大声发射累积数发生了少量的突增。经历了一段短暂的平静之后,由于短剪切带聚合成长剪切带声发射累积数发生了大量的突增,穿越应力峰值。之后,仅有零星声发射活动,试样处于平静的残余变形阶段。随着孔隙压力的增加,应力峰值达到时的声发射累积数提高,应力峰值附近的声发射活动变得强烈,残余变形阶段达到时的声发射累积数提高。出现在软化阶段的最大失衡力的峰值随着孔隙压力的增加而降低。     

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。     

基于应变梯度理论的韧性剪切带理论研究

地质领域中存在的大量事实都可以归为应变局部化范畴,韧性剪切带是剪切应变局部化带。本文首次应用应变梯度塑性理论对韧性剪切带进行了理论分析。获得了韧性剪切带内部局部剪应变(率)分布规律,剪切带错动总位移及剪切带法向位移的理论表达式,以及韧性剪切带内部体积应变(率)和孔隙率分布规律。剪应变局部化导致了体积应变和孔隙率局部化。随着应变软化的加剧,剪应变、体积应变和孔隙率局部化加剧;随着应力率绝对值的增加,剪应变率、体积应变率集中程度增强。      

不同尺寸的圆形隧洞剪切应变局部化过程模拟

利用FLAC模拟了两个不同直径圆形隧洞的剪切应变局部化过程。为了模拟隧洞开挖,利用编写的FISH函数删除隧洞内部的单元。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。本文的模拟分为3步：首先,将静水压力施加在模型上,直至达到静力平衡状态;然后,利用编写的FISH函数,开挖隧洞;最后,计算重新开始,直至达到静力平衡状态（对于小孔隧洞）或者塑性流动状态（对于大孔隧洞）。模拟结果表明,多个“狗耳”形或V形坑在小孔隧洞周边附近产生,最终,围岩处于平衡状态。这一结果与陆家佑和王昌明（1994）的实验结果及许多现场观察结果一致。对于大孔隧洞,由于在围岩中出现了多条剪切带,因而隧洞的整个断面均遭到了破坏。这一现象与现场观察到的猛烈破坏现象类似。隧洞的剪切应变局部化受隧洞尺寸的影响。     

煤岩两体模型变形破坏数值模拟

采用拉格朗日元法,在弹性岩石与弹性-应变软化煤体所构成的平面应变两体模型的上、下端面上不存在水平方向摩擦力条件下,模拟了模型的破坏过程、岩石高度对模型及煤体全程应力-应变曲线、煤体变形速率、煤体破坏模式及剪切应变增量分布的影响。结果表明,当模型的全程应力-应变曲线达到峰值时煤体内部的剪切带图案已经十分明显,在模型的应变硬化阶段,煤体中的应变局部化可视为模型失稳破坏的前兆,随岩石高度的增加,模型应力-应变曲线的软化段变得陡峭,这与单轴压缩条件下的解析解在定性上是一致的;煤体应力-应变曲线的软化段变得平缓,煤体消耗能量的能力增强;弹性阶段煤体的变形速率降低;煤体内部的剪切应变增量增加。煤体应力-应变曲线的软化段的斜率、弹性阶段煤体的变形速率、煤体内部的剪切应变增量及塑性耗散能都受岩石高度的影响,说明了岩石几何尺寸对煤体的影响(煤岩相互作用)是不容忽视的。     

Dynamic analysis of strain localization in water‐saturated clay using a cyclic elasto‐viscoplastic model

A computational framework is presented for dynamic strain localization and deformation analyses of water‐saturated clay by using a cyclic elasto‐viscoplastic constitutive model. In the model, the nonlinear kinematic hardening rule and softening due to the structural degradation of soil particles are considered. In order to appropriately simulate the large deformation phenomenon in strain localization analysis, the dynamic finite element formulation for a two‐phase mixture is derived in the updated Lagrangian framework. The shear band development is shown through the distributions of viscoplastic shear strain, the axial strain, the mean effective stress, and the pore water pressure in a normally consolidated clay specimen. From the local stress–strain relations, more brittleness is found inside the shear bands than outside of them. The effects of partially drained conditions and mesh‐size dependency on the shear banding are also investigated. The effect of a partially drained boundary is found to be insignificant on the dynamic shear band propagation because of the rapid rate of applied loading and low permeability of the clay. Using the finer mesh results in slightly narrower shear bands; nonetheless, the results manifest convergency through the mesh refinement in terms of the overall shape of shear banding and stress–strain relations. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.