基于统一强度理论的柱形孔扩张问题研究

考虑了岩土材料的软化和剪胀特性,利用空间轴对称问题的统一强度理论分析了柱形孔扩张问题,求出了岩土材料在柱形孔扩张时的应力场、应变场、位移场和最终扩张压力的统一解表达式。对蒋明镜-沈珠江扩孔公式从不同的方面作了论述。通过算例分析了岩土材料的软化和剪胀特性以及统一强度理论参数对应力场、位移场和扩张压力的影响。已有的关于该问题的Tresca解和Mohr-Coulomb解均为本文的一个特例。     

双剪统一强度准则改进及其在岩土工程中的应用

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和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个主剪面应力对的共同作用,在双剪强度准则的基础上提出了一个新准则,并对其作了极限线分析.应用该新强度准则研究了静水压力条件下圆形巷道围岩弹塑性分析和土压力计算问题.研究表明,该准则不仅能较好地非线性反映岩土的3个基本强度特征,还解决了双剪统一准则中存在的双重破坏角问题.     

一种适合于岩石材料的双剪模型

岩土类材料强度理论分为单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论。三类强度理论的典型代表是Mohr -Coulomb强度理论、Drucker-Prager准则和双剪强度理论。单剪强度理论、三剪强度理论和双剪强度理论都有其相应的单元模型 ,分析单元体上对单元体破坏起主要作用的应力 ,建立各应力分量之间的数学关系 ,形成岩土类材料的强度理论。本文分析岩石围压试验和真三轴试验下的破坏及强度特征 ,提出一种适合于岩石材料的双剪模型 ,与三类强度理论建模方法相同 ,可以得出一系列新的强度理论     

广义双剪屈服准则在岩石力学中的应用

本文就适合于岩石力学的广义双剪屈服准则、双剪帽子模型、双剪角隅模型以及与洛德(Lods)参数对应的双剪参数t_τ,利用有限元法结合实际工程中的算例进行了全面研究。初次用某高地应力区花岗岩进行的真三轴试验和计算结果表明,岩石强度符合广义双剪准则。双剪强度理论具有概念清晰,考虑了应力状态的各个分量,能够反映中间主应力效应等特点,并且可以节省大量工程投资,具有较大的经济价值。     

非饱和土三剪强度准则及验证

基于材料三剪强度准则和非饱和土力学特性,提出了非饱和土的单应力变量和双应力变量三剪强度准则,并对其做了特征分析。分析表明,通过改变准则中的主应力影响系数b,所提准则就可以对其他强度准则进行非线性近似表达。在π平面的极限线中,所提强度准则覆盖了由内边界的单剪强度准则到外边界的三剪统一强度准则之间的所有外凸区域。因此,其适用于各种复杂应力状态下的非饱和土体,也能反映非饱和土单轴抗拉抗压强度不等的特征。另外,还用其他文献的真三轴试验数据对所提准则做了试验验证,其中,非饱和黏土砂的真三轴试验值与中主应力影响系数b=0.6时的三剪强度准则预测值吻合较好,双应力变量下准则的预测值比单应力变量下的预测值更符合试验值;非饱和黄土真三轴试验值与中主应力影响系数b=0.2时的三剪强度准则预测值吻合较好,两种应力变量下的三剪强度准则预测值差别较小。     

双剪双参数强度准则硬化函数的探讨

目前双剪强度理论在工程实际中得到了广泛的应用。基于双剪理论和相关流动法则,采用各向同性强化法则,选用等效塑性应变作为强化参数,从一致性条件出发,推导出双剪双参数强度准则本构模型硬化函数的显式表达式,并利用单轴加载试验数据得到硬化函数与硬化参数之间的微分关系,推导出考虑硬化的双剪双参数强度准则本构模型的弹塑性刚度矩阵,给出了求解双剪强度理论硬化函数的另一思路。通过工程算例验证,得出一些结论对实际计算具有一定的指导意义。     

基于统一强度准则改进式的压力隧洞弹塑性应力分析

基于具有抛物线型强度包络线的统一强度准则,即对双剪双参数统一强度准则进行相应的非线性化处理,考虑了中间主应力影响,分析在渗流作用下压力隧洞弹塑性力学行为。通过分析中间主应力对压力隧洞的塑性区半径影响可知,随着中间主应力的参数的增大,塑性区半径也相应减小。通过考虑和不考虑渗流场影响的实例对比分析表明,考虑渗流场时所得塑性区半径要比不考虑时大,而且随着孔隙水压力的增大,渗流场的影响越显著。隧洞径向应力和切向应力也与中间主应力参数b和渗流场密切相关。通过与直线型统一强度准则对比分析可知,采用两种不同准则时所得结果相差较大。隧洞设计时应根据岩石强度特性合理地选择数b,为强度包络线近似于二次抛物线的围岩隧洞设计提供理论依据     

基于广义有效应力原理的水土压力统一计算理论

为弥补水土压力合算与分算之间的跳跃,需要建立水土压力统一计算理论。以理想饱和砂土模型为分析对象,在"非充分浮力"和"充分浮力"概念的基础上,从一个全新的角度阐述了有效应力原理公式的物理本质及推导过程;在此基础上,通过引入折减系数,将适用于饱和砂土的狭义有效应力原理扩展到适用于饱和岩石等孔隙发育不充分介质的广义有效应力原理;在广义有效应力的基础上,以水土分算为基础,推导出了水土压力合算与分算的统一计算公式;为解决统一计算公式中的抗剪强度指标选取问题,依据有效应力强度指标和总应力强度指标,推导了统一抗剪强度指标公式。水土压力统一计算公式理论依据充分、推导过程严谨,实现了水土压力计算结果从砂土到黏性土的过渡,具有很强的理论意义和工程应用价值,可为完善土力学基础理论体系提供参考借鉴。     

基于统计损伤的井壁坍塌压力模型

目前在计算油气井壁坍塌压力时,通常采用摩尔-库仑准则,该准则没有考虑中间应力对岩石破坏过程的影响,计算结果比较保守,限制了低密度钻井液发展。针对这一情况,考虑岩石破坏过程中的损伤,基于统计损伤原理,对统一强度准则进行了修正,并利用修正后的强度准则建立了新的井壁坍塌压力模型。结果表明,修正后的统一强度准则能更好地模拟岩石强度,利用该准则建立的井壁坍塌模型计算出的坍塌压力比传统的摩尔-库仑准则低,准确率更高     

考虑渗流和剪胀的圆形巷道围岩广义SMP准则解

本文基于广义SMP准则,综合考虑中间主应力、孔隙水压力和围岩的剪胀特性,建立了巷道围岩的理想弹塑性模型。根据弹塑性理论,推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解。结合具体算例对SMP准则计算得到的围岩应力分布和塑性区半径与Mohr-Coulomb（M-C）准则进行了对比,并对孔隙水压力和围岩剪胀角等影响因素进行了分析。研究结果表明:SMP准则计算得到的塑性区半径小于M-C准则,说明M-C准则相较于SMP准则更为保守;孔隙水压力对巷道围岩的位移场具有很大的影响,表现为孔隙水压力越大,巷道洞壁附近围岩位移量越大,且围岩塑性区半径和弹塑性交界面处的峰值切向应力与孔隙水压力成正比;采用相关联流动法则会低估围岩的强度,不考虑剪胀则会低估围岩的实际变形。      

基于统一强度理论分析不连续面对岩体强度的影响

基于统一强度理论,对含有结构面的岩体,在平面形式下引入材料统一强度参数ct,φt,推导了含单个节理裂隙岩体材料的统一强度公式,即考虑中间主应力的岩体破坏强度公式,并分析了其有效范围。运用硅藻质软岩和石膏的三轴试验结果,验证了所建立的公式的正确性,并分析了具有不连续面岩体的强度随中间主剪应力作用系数b的变化。结果表明,岩体强度随b值的增大而增大。根据岩土材料统一强度参数的确定方法,计算并分析了b值对强度参数的影响,从而说明强度参数随着b值的变化而变化。     

The effect of the intermediate principal stress on the ultimate bearing capacity of a foundation on rock masses

In this paper, the strength envelope of rock masses is considered to follow a non-linear unified strength criterion that considers the effect of the intermediate principal stress. A unified slip line method for resolving the differential equation system that governs the stress field is established to research the ultimate bearing capacity, which can be adapted for a wide variety of rock masses. Through this new theory, a suitable characteristic method for rock masses of interest can be obtained, and the relationships between different types of characteristic methods are revealed. The characteristic methods are based on different strength criteria, such as the Hoek–Brown criterion, modified Hoek–Brown criterion, or non-linear twin-shear strength criterion; each of these criteria is a special case of the proposed theory. Moreover, a series of new characteristic methods can be easily derived from it. In terms of the proposed theory, the ultimate bearing capacity with the Hoek–Brown criterion forms the lower bound; the ultimate bearing capacity with a non-linear twin-shear strength criterion forms the upper bound; and a series of the ultimate bearing capacities ranging between these two bounds may be derived from a non-linear unified strength criterion. A comparison is made between existing numerical analyses and non-linear finite element analysis solutions with the Drucker–Prager strength criterion. It is shown that the present results are in good agreement with existing numerical analyses and non-linear finite element analysis solutions with the Drucker–Prager strength criterion.     

高地应力下硬岩的本构模型研究

传统的本构模型在模拟高地应力下硬岩破坏的范围和深度方面并不理想。针对高应力下的拉西瓦花岗岩,通过真三轴压缩试验模拟了开挖时应力路径的演化。在摩尔-库仑强度准则、格里菲斯强度准则、德鲁克-普拉格准则、双剪统一强度理论和霍克-布朗强度准则的基础上,考虑十二面单元体主剪面上主剪应力、正应力和静水压力的共同作用,提出了一个有关高应力下硬岩的三剪强度准则。根据试验结果,利用遗传算法全局寻优的功能,搜索出了三剪强度准则的参数。预测样本和与摩尔-库仑强度准则、德鲁克-普拉格准则、双剪统一强度理论的比较表明,该三剪强度准则与试验结果吻合,适用于高地应力下的硬岩。根据试验得到的应力-应变关系曲线,建立了基于三剪强度准则和应变软化的弹-脆-塑性本构模型,并用FLAC3D提供的基于C++的用户自定义模型工具UDM,创建了用户自定义模型的动态链接库,嵌入了FLAC3D软件。采用遗传算法-FLAC方法,搜索得到了基于岩石试样和岩体的本构模型参数。计算结果与实测情况吻合,表明建立的本构模型适用于高地应力下的硬岩,为高地应力下硬岩地下工程的安全性和稳定性分析奠定了基础。     

非饱和土抗剪强度及土压力统一解

基于统一强度理论和非饱和土双应力状态变量抗剪强度,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,并与文献试验结果进行比较,验证了公式的正确性;进而考虑基质吸力的不同分布,得到非饱和土主动土压力和被动土压力统一解,克服了朗肯土压力的不足,并得出中间主应力和基质吸力对土压力的影响特性。研究结果表明,主动土压力随着统一强度理论参数和基质吸力的增大而不断减小,被动土压力则相反;当基质吸力沿深度线性减小时,主动土压力和被动土压力都不像基质吸力沿深度为常数时变化得那么快。该结果为非饱和土抗剪强度和土压力分析提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。     

岩土类软化材料的柱形孔扩张统一解问题

用应力一次跌落应变软化模型来模拟岩土软化材料特性，采用双剪统一强度理论的屈眼函数形式，推导了柱形孔扩张问题应力场及位移场的统一计算公式，分析了不同模型、不同软化程度对柱形孔扩张时应力、位移及塑性区开展规律的影响。     

碎石桩复合地基性状的弹塑性分析

基于双剪统一强度理论,利用复合地基中碎石桩与桩周土的竖向位移相等、侧向变形协调与连续的条件,通过弹塑性理论对碎石桩复合地基在竖向荷载作用下的应力、应变状态进行了弹塑性分析,探讨了权系数b的取值方法;讨论了b的大小对复合地基承载及变形性状的影响,并推出了作用在复合地基上的荷载、碎石桩所分担的荷载及加固区压缩量与桩周土的塑性区半径的关系的系列解析算式;提出了对于碎石桩复合地基的设计应该实行承载力和沉降双重控制的设计思想。为验证该方法的可行性,将模型试验的结果与计算结果进行了对比,结果表明该方法对碎石桩复合地基的设计具有指导意义。     

复杂应力状态下土质高边坡稳定性分析

结合现有的实际滑坡场地,开展了关中盆地黄土塬边的高边坡稳定性研究。基于弹塑性理论和非关联流动法则,根据双剪统一强度理论,建立了双剪统一弹塑性本构模型的显式有限差分格式。针对陕西省泾阳县南塬高边坡滑坡的现场勘测和室内试验,分析了滑坡的规模和滑坡前后的地形特征。在此基础上,还原了滑坡前的边坡地形概状,建立三维计算模型并运用三维拉格朗日有限差分方法分析了中间主应力对高边坡稳定性的影响;然后考虑中间主应力的影响对不同地下水埋深和渗流时边坡的稳定性进行分析。结果表明,考虑中间主应力情况下,随着地下水位升高,坡顶水平向位移增大;当不考虑渗流时,坡顶水平位移增大到一定值后边坡达到稳定状态,而考虑渗流时坡顶水平位移持续增大,并且容易发生突然的破坏失稳。期望对泾阳南塬滑坡群的破坏机制研究提供一定参考。     

基于桩土界面摩擦特性和桩周土体应力状态的基桩极限侧阻力分析

结合基桩承载过程中的桩周土体应力状态分析和桩土界面摩擦特性分析,推导出基于土体应力状态的沿桩土界面的土体抗剪强度计算模型和基于界面摩擦特性的界面抗剪强度计算模型。通过对比土体抗剪强度和界面抗剪强度,推导出受该两种强度耦合作用影响的极限侧阻力计算模型,并用上海某工程算例验证该模型的合理性和可行性,同时利用该模型分析不同类型的土的极限侧阻力随埋深的分布规律。结果显示：因内摩擦角和侧压力系数之间的不同关系,极限侧阻力随埋深表现出不同的分布特点,在特定关系下,存在一个临界深度,超过该深度极限侧阻力维持在一个稳定值甚至不断减小直至为零。