直立层状岩质边坡失稳模型及临界高度分析

目前根据直立层状岩石边坡失稳破坏机理,其破坏形式大体可归纳为两类:溃屈破坏和倾倒破坏,其中溃屈破坏类似于经典的欧拉压杆失稳理论,但又有着明显的差异。在对二者异同的力学本质进行阐述的基础上,基于欧拉压杆稳定性计算原理并采用能量方法推导了自重荷载作用下直立岩层不致发生溃屈失稳破坏的临界高度计算公式,并与其他研究者提出的计算公式进行了对比分析。结果表明由本文提出的计算方法得到的直立岩质边坡不致发生溃屈失稳破坏的临界高度仅约为其他研究者相应计算结果的75%。     

基于统计损伤模型的直立层状岩质边坡失稳模型

根据直立层状岩石边坡的实际失稳模式,基于欧拉压杆失稳模型建立了直立层状岩石边坡在自重荷载作用下的失稳计算模型及临界高度计算方法。同时基于岩石内部含有初始损伤的客观事实,建立了基于统计损伤模型的直立层状岩石边坡失稳模型,并对两种不同模型的计算结果进行了讨论。研究结果表明,根据自重荷载作用下的失稳计算模型计算得到的直立岩质边坡溃屈失稳破坏临界高度约为其他研究者相应计算结果的75%,更符合边坡的实际受力特征及破坏情况。基于岩石统计损伤本构模型提出的直立层状岩石边坡失稳模型不但考虑了岩石的弹性模量等参数,而且结合了应力-应变曲线等特征,得出的结果也更符合实际。研究还发现计算参数m、ε0的变化对计算结果有较大影响,说明在类似问题中考虑岩石的损伤演化特性十分必要。     

北京山区泥石流灾害临界雨量研究

目前北京山区泥石流灾害的临界雨量研究方法主要是基于统计资料的临界雨量阈值判别法,该方法没有包含泥石流形成地区的地质背景条件与形成机理的信息,因此在推广上存在难度。本文从松散物质失稳引发泥石流的机理出发,推导了松散物质失稳时的雨量计算公式,该公式可用于计算不同流域内泥石流沟道的松散物质起动的临界雨量。将该公式与常规的临界雨量阈值判别公式相结合,能够提高北京地区泥石流灾害预报预警的准确度。     

边坡失稳的仿真模拟分析

利用ANSYS仿真模拟平台,配合滑动方向准则及临界滑动面的寻求模式对边坡稳定性进行分析.分析过程中,考虑了边坡失稳过程中的应力重分布,由此引起了临界滑动面的改变,真实地反映了边坡失稳是一个逐步发展的过程,并以算例对边坡失稳的过程进行了仿真模拟分析.     

爆破荷载作用下露天矿边坡稳定性的突变研究

基于二维斜坡平面滑动失稳力学模型,引入爆破荷载因素,建立了露天爆破荷载作用下岩质边坡失稳的尖点突变理论模型。根据建立的突变模型,探讨了爆破荷载幅值和爆破荷载频率对边坡稳定性的影响规律,导出了边坡的动态自稳临界高度,并提出了失稳的判据条件,结果表明：爆破荷载幅值越大,爆破荷载频率越小,后缘裂缝深度越大,边坡失稳的可能性越高;在爆破荷载作用下,边坡的稳定程度是动态变化的,且随着应力波入射角的增大,边坡失稳破坏的可能性不断提高。以大孤山露天矿内的两处边坡为例,计算了边坡的动安全系数及动态自稳临界高度,利用边坡当前实际的稳定情况验证了提出的边坡失稳判据的合理性,为预防露天矿爆破在开挖过程中边坡岩体的动力失稳提供了一定的理论支持。     

考虑斜坡效应的基桩屈曲临界荷载分析

以某实际工程桩为原型,根据相似理论设计并完成了斜坡基桩竖向承载室内模型试验,分析了不同坡度及桩长条件下斜坡基桩屈曲临界荷载,获得了基桩屈曲临界荷载理论计算公式及拟合公式。研究表明:竖向荷载作用下,基桩荷载-位移曲线均无明显拐点,且桩顶沉降、水平位移均随坡度或桩长的增加而增大,斜坡基桩的屈曲失稳破坏模型非常显著。斜坡基桩的屈曲临界荷载值由桩顶沉降和水平变形共同控制,斜坡坡度越大或基桩自由段越长,其屈曲临界荷载及竖向承载折减系数越小,斜坡效应越明显。对比分析表明,由理论公式和拟合公式计算得到的结果与模型试验结果均吻合较好,最大误差尚不足10%,验证了模型试验、计算理论及拟合公式的合理性,其成果可以为实际工程设计提供参考。     

静水压力艇下圆拱正对称失稳临界力的求解

按Ｒｉｔｚ法求得铰支和固支受水压力作用时,具有高精度的正对称失稳临界力的第３次近似值。在圆拱临界力的求解中,还可同时导得圆不以不同波数失稳的临界力的精确值。     

我国探月工程可采用的一种月球钻探取样方法的初步分析

美国和前苏联已完成的月球取样方法分别是载人登月取样和地面遥控取样钻机取样。基于美国和前苏联的方法,提出了一种可供我国嫦娥工程选用的月壤钻探取样方案,即用遥控取样钻机,配备硬质合金钻头、空心螺旋钻具,采用振动-回转钻进工艺。在高真空和低重力条件下,可选用空心螺旋钻具来解决排屑和钻压问题。顺利排屑的基本条件为钻具的螺旋升角应小于月壤与钻具之间的摩擦角、钻具的回转速度应大于临界转速。通过分析计算可知在月球上采用外螺旋钻具时,临界转速比在地球上要小得多,因此在获得同样的回转力矩条件下可匹配较小功率的电动机。     

静水压力作用下圆拱正对称失稳临界力的求解

按Ｒｉｔｚ法求得铰支和固支圆拱受静水压力作用时,具有高精度的正对称失稳临界力的第３次近似值。在圆拱临界力的求解中,还可同时导得圆环以不同波数失稳的临界力的精确值。     

机械施工动荷载-采空区顶板失稳判据

针对机械施工荷载作用下采空区顶板失稳破坏具有突发性及受力过程复杂的特点,将机械施工荷载简化为移动简谐力,采用力学分析建立了机械施工荷载-采空区顶板力学模型。基于动力学理论,形成了机械施工荷载-采空区顶板的双尖点突变模型,由系统失稳的充分条件和必要条件,获得了机械施工荷载-采空区顶板失稳判据。基于能量原理,推导了机械施工荷载-采空区顶板总能量方程,根据系统临界失稳判据,构建了临界机械施工荷载计算模型。对建立的两种失稳判据分别进行实例验证,结果表明采用突变理论计算得到的理论状态与实测状态一致;采用能量原理计算得到的临界机械施工荷载理论值与实测值较吻合,平均误差为11. 01%。研究可为露天开采下机械施工荷载大小控制、采场结构参数设置、采空区失稳控制与治理等提供参考。     

颗粒材料的微观临界状态理论模型

存在临界状态是颗粒材料的一个重要特性。基于孔隙胞元的颗粒离散元方法对二维颗粒体进行双轴加载数值试验,在详细分析数值模拟结果的基础上,从微观几何组构的角度揭示了临界状态的存在机制。基于剪胀性原理,提出了以接触价键表征的微观临界状态理论模型,得到了接触价键与塑性剪切应变的关系表达式,理论模型的结果和二维离散元数值模拟得到的结果吻合较好。通过比较不同情况下数值结果和理论模型中的参数,得到以下结论：表征微观临界状态的参数（临界接触价键和达到临界状态所需要的塑性剪切应变）依赖于颗粒体的微观特性,如颗粒形状、表面摩擦性质、颗粒体的围压和初始孔隙比。     

基于随机雨型的山洪灾害预警模式

针对雨型随机性所导致山洪灾害预警预报空报、漏报率过高问题,为提升山洪灾害预警精度,依据概率分布传递扩散原理,以雨型特征参数为控制条件,提出了基于参数控制的随机雨型生成法,建立了基于随机雨型的山洪灾害临界雨量计算模型及考虑决策者风险偏好的预警模式。以裴河流域为例,对不同雨型集下的临界雨量进行对比分析,并确定研究区6h临界雨量阈值空间。结果表明:雨峰位置、峰值倍比、前期土壤含水量对临界雨量的影响范围分别为32%~34%、33%~34%、15%~22%;雨型较前期影响雨量对临界雨量影响幅度更大;由雨峰位置系数和峰值倍比(r,bmax)双因子雨型集所确定的6h临界雨量阈值空间为98~185mm;考虑决策者不同风险偏好的临界雨量预警模式合理可靠,对更合理地开展山洪灾害预警工作具有指导意义。     

土工格室加筋土垫层路堤临界高度研究

土工格室能有效减少软土地基上路堤的变形,并增强其稳定性,但对于土工格室加筋土垫层路堤的临界高度还少有研究。采用极限平衡分析方法,假定地基在路堤荷载作用下呈圆弧滑动破坏模式,将格室及其内的填土视为复合体,考虑格室复合体的应力扩散作用和侧向限制作用,提出了路堤临界高度的计算模型,并将该模型值与建立的有限差分模型结果进行对比,然后讨论了格室高度、应力扩散角及格室复合体与地基接触面摩擦系数对路堤临界高度的影响规律。结果表明,理论分析和数值计算结果吻合较好;加筋路堤的临界高度明显大于未加筋路堤的临界高度,并且增加此3种影响因素的取值均能提高路堤的临界高度;同时增强格室的侧向限制作用比提高格室高度和应力扩散角更有利于路堤的稳定。     

挡土墙主动土压力塑性临界深度的解析解

墙后塑性区的临界深度问题一直没有得到很好解决,传统计算公式仅适用于一些特殊情况。基于极限平衡理论,视墙后填土为服从Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性材料,假定塑性区的一族滑移线为直线即平面滑裂面,提出弹性覆盖层取代传统的张拉裂缝,建立了较为完善的滑楔分析模型,采用极限平衡法推导了在一般情况下的塑性临界压力、临界深度以及塑性区可能最大深度的解析解。计算结果表明,塑性临界深度的解析解与目前文献采用迭代计算的结果完全一致,传统计算公式是该解析解的一个特例。     

岩石裂纹水力劈裂分析与临界水压计算

水力劈裂是深埋隧洞施工涌水或高压隧洞洞周岩体开裂渗漏的重要因素之一,对其破坏机理研究是岩土工程界的热点课题。根据裂纹面的应力状态,从断裂力学角度将岩体的裂纹扩展分为拉剪复合断裂及压剪复合断裂。应用工程近似裂纹失稳准则,分别推导出两种破坏模式的临界水压计算公式,并对其随裂纹方向及地应力侧压系数变化规律进行分析。结果表明,当侧压力系数等于1.0时,临界水压并不随裂纹的方向而变化;在拉剪复合断裂模式下,裂纹与主应力方向平行时最易发生水力劈裂;在压剪复合断裂模式下,当压剪断裂参数与裂纹面间摩擦系数之差大于零时,其规律性与拉剪复合断裂模式基本一致;但当其差值小于零时,裂纹与最大主应力夹角呈45°及135°时最易发生水力劈裂。     

A hypoplastic model for granular soils incorporating anisotropic critical state theory

It is well known that soil is inherently anisotropic and its mechanical behavior is significantly influenced by its fabric anisotropy. Hypoplasticity is increasingly being accepted in the constitutive modeling for soils, in which many salient features, such as nonlinear stress-strain relations, dilatancy, and critical state failure, can be described by a single tensorial equation. However, within the framework of hypoplasticity, modeling fabric anisotropy remains challenging, as the fabric and its evolution are often vaguely assumed without a sound basis. This paper presents a hypoplastic constitutive model for granular soils based on the newly developed anisotropic critical state theory, in which the conditions of fabric anisotropy are concurrently satisfied along with the traditional conditions at the critical state. A deviatoric fabric tensor is introduced into the Gudehus-Bauer hypoplastic model, and a scalar-valued anisotropic state variable signifying the interplay between the fabric and the stress state is used to characterize its impact on the dilatancy and strength of the soils. In addition, fabric evolution during shearing can explicitly be addressed. Modifications have also been undertaken to improve the performance of the undrained response of the model. The anisotropic hypoplastic model can simulate experimental tests for sand under various combinations of principle stress direction, intermediate principal stress (or mode of shearing), soil densities, and confining pressures, and the associated drastic effect of different principal stress orientations in reference to the material axes of anisotropy can be well captured.     

Non‐uniqueness of critical state line in compression and extension conditions

Experimental evidence has indicated that the critical state line determined from undrained compression tests is not identical to that determined from undrained extension tests. The purpose of this paper is to investigate a modelling method that accounts for the non‐uniqueness of critical state lines in the compression and the extension testing conditions. Conventional elastic–plastic cap models can predict only a unique critical state line for the compression and the extension tests. A new micromechanical stress–strain model is developed considering explicitly the location of critical state line. The model is then used to simulate undrained triaxial compression and extension tests performed on isotropically consolidated samples with different over‐consolidated ratios. The predictions are compared with experimental results as well as that predicted by models with kinematic hardening of yield surface. All simulations demonstrate that the proposed micromechanical approach is capable of modelling the undrained compression and the undrained extension tests. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

A note on formulas for localized failure of frictional materials in compression and biaxial loading modes

The paper investigates aspects of the localization analysis of frictional materials. We derive closed formulas and diagrams for the inclination angle of critical discontinuity surfaces which develop in homogeneous compression and biaxial loading tests. The localization analysis is based on a Drucker–Prager‐type elastoplastic hardening model for non‐associated plastic flow at small strains, which we represent in spectral form. For this type of constitutive model, general analytical formulas for the so‐called critical hardening modulus and the inclination angle of critical discontinuity surfaces are derived for the plane strain case. The subsequent treatment then specializes these formulas for the analysis of compression and biaxial loading modes. The key contribution here is a detailed analysis of plane strain deformation modes where the localized failure occurs after subsequent plastic flow. The derived formulas and diagrams can be applied to the checking of an accompanying localization analysis of frictional materials in finite‐element computations. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

位移不连续模型在黏弹性节理刚度计算的应用

考虑节理质量对应力波传播的影响,运用波的位移位函数推导了谐波在厚黏弹性节理的透、反射系数计算公式,采用波形相关系数描述子波穿过黏弹性节理的波形变化,讨论具有一定厚度的黏弹性节理简化位移不连续模型的适用条件。设厚黏弹性节理模型和位移不连续模型的透射波波形相关系数为0.9时对应的节理厚度为临界厚度,岩体与节理的阻抗比对临界厚度的影响很小;临界厚度随子波中心频率增大呈负指数减小,入射角越大,临界厚度随中心频率减小得越慢。试验数据分析表明：当节理厚度为0.03 m时,采用位移不连续模型和厚黏弹性模型计算得到的节理力学参数非常接近,随节理厚度和子波中心频率增加,运用位移不连续模型的计算结果偏差越大,试验结果与理论分析是一致的。     

K0固结软黏土的临界不排水强度研究

临界状态土力学中孔隙比-平均有效压力 坐标下 压缩线和临界状态线可以简化为平行的直线,倾斜的椭圆屈服面是能够考虑土体各向异性的数学表达最简单的屈服面形式。结合临界状态土力学理论和倾斜的椭圆屈服面方程,给出了轴对称和平面应变情况下 固结软黏土的临界不排水强度比的解析式,通过一些试验数据对这些解析式进行了验证,最后给出了便于工程应用的临界不排水强度比关于有效内摩擦角的简易表达式。