基于幂强化本构模型的轴对称圆巷弹塑性解

轴对称圆巷的弹塑性求解的关键是选择合适的屈服准则。已经有诸多学者选择Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则和Hoek-Brown准则等,进行了相应的求解。为了探讨更符合工程实际需要的准则和求解,在考虑岩石材料的应变强化效应的条件下,建立了轴对称圆巷的幂强化本构模型和基于Drucker-Prager屈服准则的幂强化-理想塑性模型,并进行了弹塑性求解。以工程实例为计算条件,将幂强化-理想塑性模型的计算结果与基于Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则的理想塑性模型和幂强化模型的计算结果分别进行了对比,分析幂强化参数对围岩弹塑性解的影响。研究表明,应变强化效应对围岩稳定性有较大影响,对于应变强化效应较强的岩石材料,采用幂强化模型分析更接近工程实际。     

基于Zienkiewicz-Pande屈服准则的弹塑性本构模型在FLAC3D中的二次开发及应用

Zienkiewicz-Pande屈服准则是Mohr-Coulomb准则的改进,在p-q子午面和π平面上都是光滑曲线,不存在尖点,不仅在数值迭代计算过程中易于处理,而且在一定程度上考虑了屈服曲线与静水压力的关系以及中主应力σ2对屈服的影响。该准则已应用于多个水电站地下洞室开挖支护计算中,但并未被大型数值计算软件所采用。根据弹塑性力学原理,详细推导了基于Zienkiewicz-Pande屈服准则的弹塑性本构模型在FLAC3D中的增量迭代计算格式;在FLAC3D提供的二次开发程序接口基础上,利用VC++程序语言实现了计算过程,并编译成动态链接库文件进行加载和调用。将自编的本构模型对一理想圆形隧洞进行模拟,计算结果与Mohr-Coulomb准则一致,验证了计算格式的正确性。将此本构模型应用于一大型地下洞室群的开挖围岩稳定分析中,得到的塑性区、位移场、应力场分布与Mohr-Coulomb准则计算结果分布规律相符,进一步验证了模型的适用性和可靠性。     

正交各向异性剪切屈服准则研究及其数值实现

以各向同性Mohr-Coulomb剪切屈服准则为基础,研究了各向异性剪切屈服准则的一般理论方法。在此基础上,对正交各向异性的剪切屈服准则及其数值实现方法进行了研究,利用FLAC3D数值分析软件中的FISH语言编制了相应的计算程序,并引入FLAC3D中。理论分析和数值计算分析表明,正交各向异性剪切屈服准则与3个主应力均有关,各向同性剪切屈服准则为其特例,各向异性材料的屈服面不一定与最大剪应力面重合。     

两种强度准则在Cosserat扩展模型弯曲变形中的应用

目前对Cosserat扩展模型的有限元分析均是运用Mohr-Coulomb强度准则,但由于Mohr-Coulomb强度准则的六边形屈服面是不光滑且有尖角,这些尖角可能会导致其应用于Cosserat弹塑性分析时的计算困难,Drucker-Prager强度准则正可被看成Mohr-Coulomb强度准则为避免这些困难而做的光滑近似,因此很有必要对基于Drucker-Prager强度准则的Cosserat理论进行研究。利用MATLAB分别编写了基于Mohr-Coulomb和Drucker-Prager强度准则的Cosserat扩展模型的有限元程序,并对在互层岩体中开挖的洞室进行了变形分析。结果表明,两种强度准则均可用于Cosserat扩展等效模型,但基于Drucker-Prager强度准则的有限元程序收敛速度更快,稳定性更好,能得到更为理想的结果。     

有限元强度折减法计算边坡稳定的对比分析

采用目前边坡稳定性分析比较流行的强度折减法,对比研究了MIDAS/GTS、FLAC、ANSYS配合Drucker-Prager（简称D-P）屈服准则和Mohr-Coulomb（简称M-C）屈服准则时软黏土、硬黏土、弱膨胀土3种工况下计算结果的偏差。软黏土工况下D-P准则和M-C准则计算结果的偏差相对较小,当边坡土体为硬黏土时,采用D-P准则与采用M-C准则计算结果的偏差明显增加。3种软件2种屈服准则下的计算结果都反映出,硬黏土的滑动面比弱膨胀土和软黏土的滑动面浅,而且同等情况下MIDAS计算得到的滑动面比ANSYS计算得到的滑动面浅;坡度较小时FLAC（M-C）计算的安全系数比MIDAS（M-C）计算得到的大,坡度较大时则相反;坡度较小时计算过程中先出现塑性区贯通,后出现计算不收敛;坡度较大时计算过程中先出现计算不收敛,后出现塑性区贯通。坡度较小时计算不收敛时的折减系数与出现塑性区贯通时的折减系数差别较大;坡度较大时这一差别较小,甚至计算到不收敛时塑性区仍未贯通,在用MIDAS计算时这一现象反映得更加明显。     

Drucker-Prager系列屈服准则在稳定分析中的应用研究

Drucker-Prager（下简称D-P）系列屈服准则作为Mohr-Coulomb（下简称M-C）准则的修正模型在岩土工程中得到了广泛的使用。然而采用不同的D-P系列屈服准则可能会得到差距较大的结果,因此,选用合适的D-P系列屈服准则十分重要。在研究了D-P系列屈服准则与M-C准则之间的对应关系之后,指出D-P系列屈服准则对应的Lode角取值较为有限,难以反映出材料在丰富受力状态下的M-C准则屈服强度,将其取值范围扩大至－30°～30°,并以某边坡和向家坝泄12坝段抗滑稳定分析为例,对如何选用合适的D-P系列屈服准则这一问题进行了研究,提出了具体的选择方法。研究结果表明,只要选用的D-P系列屈服准则对应的Lode角能反映影响边坡和坝基稳定的关键部位的受力状态,就能够得到较好的结果,将D-P系列屈服准则对应的Lode角取值范围扩大至－30°～30°也是必要的。     

平面应变状态下边坡安全系数的近似求解

Mohr—Coulomb屈服准则不考虑中间主应力对材料强度的贡献,是一个保守的强度屈服准则,在近似平面应变状态下,匹配于Mohr-Coulomb屈服准则的Drucker-Prager屈服准则能给出边坡安全系数偏保守一些的估计;相对而言,Matsuoka—Nakai和Lade-Duncan屈服准则均考虑了中间主应力对土体强度的影响,在近似平面应变状态下,匹配于Matsuoka-Nakai和Lade-Duncan屈服准则的Drucker-Prager屈服准则能给出岩土类材料较为合理的破坏强度预测,土体的抗剪强度能被更有效地发挥出来,因而借助这些转化的Drucker-Prager屈服准则能给出平面应变状态下土坡安全系数较为合理和真实的预测。文中的边坡稳定算例证实了这些观点。     

基于系列Drucker-Prager破坏准则评述土坡的稳定性

各种在? 平面上等效面积的Drucker-Prager屈服准则,如DP4(Drucker-Prager与Mohr-Coulomb两屈服准则在? 平面上的投影面积相等)、DP5(Drucker-Prager与Matsuoka-Nakai两屈服准则在? 平面上的投影面积相等)和DP6(Drucker-Prager与Lade-Duncan两屈服准则在? 平面上的投影面积相等)等模型都不同程度地模拟了平面应变条件下土体的破坏强度,这就是为什么等效面积的Drucker-Prager屈服准则在二维土坡稳定分析中被推广应用的原因。结合砂土的真三轴强度破坏试验结果,从量化角度论证了DP4模型求出的土坡安全系数可能会保守一些,而DP5和DP6两模型求出的土坡安全系数可能会更真实一些,能更好地发挥材料的承载潜力,因而进一步改善了土坡稳定安全系数的计算精度。     

一种修正的Drucker-Prager屈服准则

Drucker-Prager（以下简称D-P）屈服准则因其形式简单、物理意义明确而得到广泛的应用,然而经过多年的应用和研究,其缺点逐渐显现出来,如拉剪区偏大、不具有应力角效应等,针对这些不足,提出了修正的D-P屈服准则。在拉剪区用圆球面和横截面的组合方式代替原来的圆锥面,从而不改变D-P屈服准则压剪区的形式,在考虑岩石实际的拉伸强度的同时,也满足该屈服准则经过单轴抗拉强度点的条件;为考虑岩石在三轴压缩和三轴拉伸状态下不同的强度特性,即应力角效应,引入了一种角隅模型;为保证屈服准则始终通过岩石的单轴抗压强度点,建议了一种材料参数k值的取值方法。为验证屈服准则修正后的适用性和正确性,将修正屈服准则与真三轴试验结果进行了拟合,同时与Mohr-Coulomb（以下简称M-C）准则进行对比,结果表明,修正屈服准则可以很好地描述试验现象,且比M-C准则更接近真实结果。     

隧道围岩稳定分析的最小安全系数法

关于岩体稳定评判准则至今尚未达到成熟的阶段,从稳定的定义至量化的标准等一系列基本问题尚未形成明确的体系。目前主要利用塑性区或位移扰动区来判断围岩的稳定范围。根据弹性理论,借助工程中安全系数的概念,利用Mohr-Coulomb和Drucker-Prager强度准则,建立基于单元的安全系数法,通过FLAC3D中的FISH语言实现了其求解过程。通过求解围岩稳定的安全系数,建立了评价围岩稳定的量化指标,给出了围岩稳定的安全范围,为锚固支护提供合理的支护参数。     

离岸深水全直桩码头动力简化计算方法研究

离岸深水全直桩码头结构长期承受波浪力、撞击力等动荷载作用,仅从静力角度分析不能满足工程设计要求。为研究离岸深水全直桩码头结构动力简化计算方法,利用ABAQUS软件建立了全直桩码头的嵌固点模型和结构-地基相互作用的三维弹塑性有限元模型。基于所建立的有限元模型,采用模态分析法研究了上述码头结构的自振特性。分析表明,结构基本周期较长,与波浪力、撞击力荷载周期接近,结构动力响应突出。进一步计算发现,全直桩码头结构在波浪力、撞击力荷载作用下的动力响应有限元计算结果与采用单自由度系统位移动力放大系数理论公式计算结果吻合较好,由此提出全直桩码头结构动力响应可按单自由度系统位移动力放大系数理论公式进行简化计算。在此基础上,结合规范中的m法、p-y曲线法、NL法提出了上述码头结构动力简化计算方法,通过与动力有限元计算结果对比,验证了所建立简化计算方法的正确性。     

大岗山水电站坝肩边坡开挖支护有限元模拟

大岗山水电站坝肩边坡地质条件复杂,断层、岩脉、卸荷裂隙密集带、深部卸荷带及节理裂隙发育。为对该边坡在开挖支护过程中的应力、变形情况进行分析,采用弹黏塑性有限元软件EVP3D,利用弹塑性有限元法进行边坡稳定性的三维有限元计算,揭示边坡可能的失稳部位,对初拟的施工程序的合理性进行评价,并对边坡的支护方案提出建议。     

降雨入渗条件下非饱和路堤变形与边坡的稳定数值模拟

对于常常处于非饱和状态的路堤在降雨入渗条件下变形问题的数值模拟研究,由于涉及到非饱和土力学,一直是个热点和难点。现有的强度折减有限元法一般仅对强度指标进行折减,但折减后得到的路堤变形场与实际变形场存在一定差异。论文分析认为,在降雨入渗影响下非饱和路堤不仅强度参数会降低,而且变形参数也会随着应力水平和强度参数的变化而变化。采用基于变模量的弹塑性强度折减法,对不同降雨入渗深度下路堤的变形规律进行数值模拟,并与室内模型试验结果进行比较;同时采用强度折减法和极限平衡法中的Bishop法,分析了不同降雨入渗深度对非饱和路堤稳定性和滑弧变化特征的影响规律。     

FLAC3D在滑坡稳定性分析评价中的应用

本文以高治村滑坡为例,论述了FLAC3D在滑坡稳定性分析评价中的应用。作者首先介绍了FLAC3D的基本原理和主要流程,然后采用摩尔-库伦模型,对高治村滑坡在天然状态和暴雨状态下的变形和位移情况进行了数值模拟,模拟结果直观地显示了该坡体在上述两种状态下的塑性变形及水平方向位移的分布特征,清楚地显示了坡体内潜在的滑动面。文章根据数值模拟结果,对该滑坡的稳定性进行了分析和评价,对该滑坡的变形和破坏形式进行了研究和探讨。通过对该坡体的塑性变形与位移情况分析认为,该滑坡在天然状态下基本稳定;在连续高强度降雨状态下欠稳定,局部失稳滑塌的可能性很大,这与现场调查分析的结果一致。这个结果表明,利用FLAC3D进行滑坡稳定性分析和评价简单、可行,且更加直观、方便,具有传统极限平衡法所无法比拟的优势。     

边坡稳定的非线性有限元分析

基于有限元强度折减法,进行了边坡的弹塑性材料非线性及大变形几何非线性分析,并考虑了边坡的三维变形情况。在有限元分析中采用的是莫尔-库仑理想弹塑性模型,大变形分析采用的是更新的拉格朗日法。均质边坡的算例分析表明,有限元法与简化的毕肖普法的安全系数计算结果具有相同的规律,即安全系数都随着黏聚力及内摩擦角的增加而增加,随着重度的增加而减小,但是,各种有限元法的计算结果都比相应的毕肖普法的解要大,亦即毕肖普法偏于安全。各种方法对应的安全系数由大到小的顺序依次是：三维小变形有限元分析、二维大变形有限元分析、二维小变形有限元分析,简化的毕肖普法,前二者能更好地反映实际的边坡变形情况,二者的安全系数值也十分接近,因而是较好的方法。     

基于三维数值分析的基坑突涌临界水头确定方法

针对既有基坑突涌稳定分析方法存在的问题,采用应变相关修正剑桥模型（SDMCC）,借助FLAC3D软件建立了考虑承压水作用的三维有限差分模型,得到了坑底隆起变形与承压水头Hw之间的关系。随着承压水头的增大,坑底隆起变形分为3个阶段：缓慢匀速变形、加速变形和急剧匀速变形。提出一种确定基坑突涌临界水头Hwcr的数值方法,并将该方法与其他文献临界水头计算结果进行对比。     

全长粘结式锚杆加固节理边坡的动静态位移响应

锚杆通常被作为表面粗糙的轴力杆单元进行分析,但在节理边坡加固中,由于节理面的错动,同时考虑锚杆的轴向和横向作用显得更加合理。通过理论分析,建立锚杆三弹簧单元的力学特征模型和变形特征模型,对其受力和变形进行全面分析;运用拉格朗日元数值方法(FLAC3D),建立以理想弹塑性本构Mohr-Coulomb准则为基础的节理边坡模型,应用三弹簧锚杆单元,对其锚固前后的动静态位移响应进行模拟。结果表明：节理面锚固处理后,岩体的刚度得到提高;边坡各部位的位移减小,节理两侧位移的突变值变小;锚杆对节理的上下盘岩体起到有效的拉结作用,抑制了两盘之间的较大变形位移,有利于边坡稳定。     

基于透明土孔隙介质双渗流模型试验研究

对土体内部渗流可视化研究,透明土材料可以作为的重要研究手段之一,能实现的岩土体内部渗流直接观测研究。利用透明土技术,建立双重孔隙型介质渗流物理模型,利用有限差分软件FLAC3D建立双重孔隙型介质结构三维数值分析模型,进行测量数据和数值模拟计算对比分析。模型试验结果和模拟结果表明,基于透明体的双渗透实验能实现渗流的可视化,以及FLAC3D数值模拟结果与实验所测的流速曲线拟合良好。     

应用MATLAB接口程序建立复杂地质体FLAC3D模型

FLAC3D非常适合于模拟大变形问题,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点,但是FLAC3D非完全可视化的建模方式和网格划分方法大大限制了FLAC3D的通用性。通过编写MATLAB接口程序生成FISH脚本程序,完成了复杂地质体的建模,并以天子庙隧道为例说明建模的可行性与高效性。      

土石坝拟静力抗震稳定分析的强度折减有限元法

基于拟静力抗震设计概念,提出利用强度折减有限单元法分析土石坝的抗震稳定性,给出了两种确定地震惯性力的方法：（1）依据《水工建筑物抗震设计规范》[1],并结合有关土石坝动态分布系数计算了沿坝高分布的地震惯性力;（2）直接利用土石坝有限元地震动力反应分析得到的单元节点加速度反应,依据建议的方法确定坝体各单元节点的地震惯性力。将上述计算确定的地震惯性力与其他形式的外荷载共同作用到土石坝上,采用强度折减有限元法确定土石坝坝体的拟静力抗震安全系数。对于稳定渗流期,水位降落期等不同工况,或需要考虑振动孔隙水压力作用的饱和无黏性土填筑坝等不同计算条件,给出了使用折减强度有限元法分析坝体抗震稳定性的实现途径和方法。研究表明,有限元法对边界条件、复杂断面条件和材料分区及荷载组合均具有较强的适应能力,因此,使用有限元法分析土石坝抗震稳定性具有显著的优越性。