基于非局部化方法的边坡稳定性分析

应变局部化问题已经成为岩土力学研究的一个重要课题,边坡的稳定性分析必然要考虑这种应变局部化对边坡的稳定性影响。结合Bazant等的非局部化模型方法,将其推广应用到弹黏塑性本构模型中去,考虑两种正则化机制的耦合作用,并采用有限元方法结合滑面应力法对边坡的稳定性进行分析。将数值分析结果与极限平衡法和基于线弹性本构的滑面应力法结果进行了对比,从分析结果来看文中的计算结果是合理的,对实际工程具有一定的指导意义。     

基于Cosserat理论的重力坝深层抗滑稳定分析

重力坝深层滑动主要表现为沿缓倾角的软弱结构面形成滑移通道,滑移通道内应变积聚且应变梯度急剧不连续,是典型的应变局部化现象,采用经典连续介质理论进行数值模拟时存在病态的有限元网格依赖性。引入Cosserat连续体理论作为正则化机制,提出了基于Cosserat理论的Mohr-Coulomb弹塑性模型,考虑非关联的流动法则,在经典塑性理论框架下采用向后Euler隐式积分算法进行应力更新。采用ABAQUS的自定义单元接口（UEL）进行二次开发,进行了平面应变条件下单轴受压的数值验证。数值模拟结果表明,该模型能保证应变局部化问题的正定性。基于Cosserat理论的重力坝深层抗滑稳定分析结果表明,采用超载法进行重力坝渐进破坏过程模拟时,基于经典连续体理论的模拟结果有较大的网格依赖性,而且结果偏于安全,而采用Cosserat连续体理论的结果对网格密度不敏感。     

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。      

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。     

软化岩土介质的应变局部化研究进展--意义·现状·应变梯度

如何准确描述岩土的应变软化已是岩土力学研究的难题,而岩土介质的软化性状与应变局部化的产生和发展直接相关。阐述了研究岩土材料的软化性状的意义以及岩土材料的软化与应变局部化的关系。从实验研究、理论建模和数值模拟三方面综述应变局部化在岩土力学中的研究现状;说明应变局部化发生时考虑应变梯度的必要性;就应变局部化研究在岩土力学中的发展趋势提出初步看法。     

饱和多孔介质材料的应变局部化萌生条件

在单相介质和非渗流饱和多孔介质应变局部化萌生条件的基础上,应用饱和多孔介质控制方程和Liapunov稳定理论,导出了渗流条件下的固相应力-应变描述和有效应力-应变描述的多孔介质固相部分的应变局部化的萌生条件。不同应力描述下的萌生条件的形式有一定变化。应用简单算例,讨论了Terzaghi有效应力描述的应变局部化萌生条件中两种固、液相对运动特例下的饱和多孔介质应变局部化破坏的形式。     

边坡稳定分析中应变局部化的简化计算

采用分岔理论作为局部化判断条件,提出通过弹粘塑性软化模型来捕捉水工结构中的应变局部化剪切带的有限元简化算法。方法的特点是在每个时步,可以得到作为分岔理论所必须的弹塑性矩阵,仅用其作局部化判断,而不影响程序本身的粘塑性迭代。与其他方法相比,该方法理论简洁,易于程序的实现。通过对边坡的稳定分析,结果表明：该方法是合理可行的。     

考虑损伤效应的岩石类材料局部化特性分析

在各向同性损伤条件下,考虑岩石损伤过程中的刚度降低和体积扩容,通过理论推导建立了岩石发生分叉失稳时的最大硬化模量和临界局部化方向,探讨了局部化方向角对于岩石的损伤程度和初始泊松比的依赖关系,并对平面应力与平面应变两种条件下单轴拉伸试件的分叉特性进行了对比分析。研究表明,岩石的初始泊松比与损伤程度越大,局部化方向角越大;尽管平面应力与平面应变条件下单轴拉伸问题的局部化方向角具有相似的变化趋势,但平面应力条件下的局部化方向角低于平面应变条件下同样情况下的局部化方向角。     

基于罚函数偶应力理论的土体应变局部化研究

与 Cosserat 理论相比,偶应力理论在一定程度上可以降低数值框架的复杂度,已逐渐应用于岩土体应变局部化分析中。然而,一般的偶应力有限元法需要满足 C¹连续性,即单元内部和单元交界面上的应变都需要具有连续性。为了避免开发较为复杂的C¹型偶应力单元,在 Cosserat 连续体理论框架下,通过借助罚函数方法对 C¹连续性进行松弛来获得偶应力理论的逼近解,建立了基于罚函数的偶应力有限元方法 PCS-FEM。通过平面应变条件下的弹性圆孔应力集中问题对 PCS-FEM 方法的有效性进行了验证,并应用于土体应变局部化分析中。通过对Ottawa砂的平面应变试验进行数值模拟,发现 PCS-FEM 方法获得的应力−应变曲线及剪切带破坏形态与试验结果基本一致,且能够克服经典连续体理论病态的网格敏感性问题,保证应变局部化问题的适定性;通过对承受偏心荷载作用下的土坡应变局部化经典算例进行分析,发现 PCS-FEM 方法同样可以克服土坡应变软化阶段的网格敏感性问题,展现土体的渐进破坏过程。     

地质灾害中的应变局部化现象

首先介绍应变局部化现象及其研究进展，然后介绍地质灾害中常见的应变局部化现象，即边坡失效、圆形洞室失效、地震中的局部化现象和流固耦合应变局部化现象。采用材料的分叉分析方法和变形局部化的数值模拟研究，可望对地质灾害的机理分析、预测和控制提供新的思路。     

Finite element analysis of strain localization in frictional materials

Numerical examples are given which illustrate the poor performance of conventional finite elements in problems involving strain localization in frictional materials. In one of the cases investigated, that of granular media subjected to plane strain biaxial loading, isoparametric elements are seen to inhibit localization altogether. With these examples by way of motivation, the performance of a recently proposed finite element method in the context of strain localization in frictional materials is assessed, with particular emphasis on three-dimensional problems. In passing, some issues pertaining to the post-bifurcation response of biaxial specimens are examined. In particular, the numerical simulations suggest that the observed softening is a geometrical effect not attributable to constitutive behaviour.     

Spectral analysis of nonlocal regularization in two‐dimensional finite element models

Strain‐softening in geomaterials often leads to ill‐posed boundary‐valued problems (BVP), which cannot be solved with finite element methods without introducing some kind of regularization such as nonlocal plasticity. Hereafter we propose to apply spectral analysis for testing the performance of nonlocal plasticity in regularizing ill‐posed BVP and producing mesh‐independent solutions when local plasticity usually fails. The spectral analysis consists of examining the eigenvalues and eigenvectors of the global tangential stiffness matrix of the incremental equilibrium equations. Based on spectral analysis, we propose a criterion for passing or failing the test of constitutive regularization in the context of BVP. If the eigenvalues of the tangential operator are all positive then the regularization succeeds, otherwise it fails and may not prevent artificial mesh‐dependent solutions from appearing. The approach is illustrated in the particular case of a biaxial compression with strain‐softening plasticity. In this particular case, local softening plasticity is found to produce negative eigenvalues in the tangential stiffness matrix, which indicates ill‐posed BVP. In contrast, nonlocal softening plasticity always produces positive eigenvalues, which regularizes ill‐posed BVP. The dominant eigenvectors, which generate localized deformation patterns, have a bandwidth independent of mesh size, provided that the mesh is fine enough to capture localization. These mesh‐independent eigenmodes explain why nonlocal plasticity produces numerical solutions that are mesh‐independent. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。      

应变局部化弹黏塑性分析的内嵌局部软化带模型

针对岩土介质结构在破坏过程中局部化变形的问题,结合位移不连续的思想,提出内嵌局部软化带模型来捕捉结构中的局部化带。通过虚功原理建立了含局部化带影响的弹黏塑性的有限元计算模式,其中分叉理论作为局部化判断条件。模型将局部化带的形成视为一个黏塑性屈服流动过程,从而能够连续地描述局部化变形前后的力学性质。特点是计算量小、物理意义明确,可以方便地整合到传统有限元分析程序中。算例表明,计算模型是合理和有效的。     

地基沉降预测模型的正则化算法

通过分析地基沉降预测模型,指出最小二乘的病态性会导致模型参数求解失败。应用正则化理论,基于矩阵求逆理论,提出了一种沉降预测模型参数的正则化无偏估计算法,说明了新算法的无偏性和方差最小性。在一定条件下,证明了新算法中正则参数的存在性,并给出了正则参数的计算公式。结合文献和工程实例进行的分析表明,新算法降低了矩阵条件数,减轻矩阵病态程度,能有效求得地基沉降预测模型参数。