考虑塑性应变率梯度的单轴压缩岩样轴向响应

基于剪切应变率梯度格式,采用解析方式研究了岩石材料在单轴压缩条件下的应变软化的结构响应。根据非局部连续介质模型,提出了一维二阶剪切应变率梯度格式。非局部剪切应变率与局部剪切应变率及其二阶梯度有关。将经典塑性理论中的局部剪切应变率替换为非局部剪切应变率,可以直接得到局部剪切应变率的封闭解析解,而不必通过将局部剪切应变对时间求导获得。通过对局部剪切应变率积分,得到了沿剪切带方向的相对剪切速度。试件峰值强度后的端部速度由弹性及塑性两部分构成。前一部分由虎克定律描述;后一部分与相对剪切速度有关。对弹性及塑性两部分速度求和,得到了单轴压缩岩样剪切破坏问题轴向响应的解析式。研究表明：试样高度越大、内部长度越小、剪切软化模量越大及泊松比越小,则岩样的轴向响应倾向于脆性。根据岩样与矿柱的相似性,岩样响应倾向于脆性,意味着矿柱将失去稳定性,发生矿柱岩爆。目前的基于剪切应变率梯度格式的主要优点是简洁。     

塑性梯度体元及应变局部化启动机制分析

利用代表性体元可较好地反映出并非理想连续均匀的岩土介质破坏前强度和变形行为。但当材料出现高的应变梯度(应变局部化)时,在体元上的应力、应变呈现高次非线性变化,代表性体元不能如实地反映出介质的力学性能。提出一种可包含局部化变形的研究基元--塑性梯度体元(Plasticity Gradient Volume Element) ,塑性应变在其内可用微分形式表达。该体元不但可反映介质的平均力学响应,而且可反映应变呈高次非线性变化时的影响。随着硬(软)化模量从正值变为负值,变形模式将由均匀变形模式变为局部化变形模式,这就是应变局部化的启动机制。     

基于梯度塑性模型的多孔介质应变局部化分析的基本理论

讨论了引入梯度塑性模型情况下的含液多孔介质双重内尺度律的特征以及相互作用问题。在引入梯度塑性本构模型的情况下,一方面材料应变局部化分析数值结果的正则性得到保证;而另一方面,含液多孔介质会出现双重内尺度律参数的共同作用问题。本文给出了此时内尺度律预测的一个基本方法,并对稳定性问题进行了分析,讨论了不同情况下实波速存在的条件,给出了对于给定的渗透系数情况下实波速存在的波数区间,并对相关现象进行了解释。     

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。     

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。     

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。      

轴对称单轴压缩岩石材料应变局部化剪切带数值模拟研究

利用FLAC3D数值软件中的应变硬化—软化本构模型,模拟轴对称单轴压缩条件下岩石试件应变局部化剪切带的形成过程,同时对不同端面效应下长径比效应对应变局部化剪切带的影响进行分析。结果表明,岩石试件的应变局部化剪切带的启动、发展到最终形成是一个渐进的演化过程。端面效应和长径比效应均影响应变局部化剪切带的形状和岩石强度。光滑边界应变局部化剪切带形成于试件上下端面,摩擦边界形成于试件中部区域,且摩擦边界时试件的峰值强度高于光滑边界,峰值强度后的软化阶段陡峭于光滑边界。随着岩石试件长径比的增加,岩石的峰值强度在逐步降低,达到峰值强度所需的时步却呈增加的趋势。这一研究成果有助于加深理解岩石破坏过程。     

梯度塑性理论及其在地质灾害预测研究中的应用

岩石结构稳定性问题是岩土工程实践中迫切需要解决的重要课题之一。文章以地震为例，讨论了地质灾害的局部化特征，介绍了经典弹、塑性理论的某些缺陷及梯度塑性理论的几点优越性：(1)控制方程总是适定的；(2)病态网格依赖性消失；(3)局部化带宽度由材料的内部长度完全确定；(4)可对岩石结构的尺寸效应及失稳回跳进行合理解释和预测；(5)对预测宏观及微观问题均比较有效。介绍了基于梯度塑性理论的岩石变形、破坏及稳定性研究进展。梯度塑性理论可用于研究单轴压缩条件下，岩石试件发生剪切破坏时全程应力一应变曲线、尺寸效应、剪切带倾角尺寸效应及失稳回跳等问题。它们对土木工程及岩土工程均十分重要。若将单轴压缩岩样比拟为矿柱，则该失稳判据即为矿柱岩爆准则。梯度塑性理论可用于研究韧性断层带内部应变、应变率分布规律、断层带错动位移及带内孔隙度分布规律，为韧性断层带定量分析提供了新的手段。此外，该理论还可对直剪试验机——岩样系统不稳定性进行分析，系统失稳可比拟为断层岩爆。发展基于梯度塑性理论尺度律及失稳判据等解析解一方面可加深对岩石变形、破坏的理解；另一方面。还可用来检验数值结果的正确性。     

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。     

应变局部化问题中的正则化机制探讨

应变局部化问题是当前岩土力学研究的一个重要课题。处理应变局部化问题,一般的方法是引入正则化机制,包括黏性效应、Cosserat理论、非局部化、梯度理论。对应变局部化问题中的各种正则化机制应用进展作了系统总结,并分析讨论了各种正则化机制所存在的问题,最后对应变局部化问题中的正则化机制应用作了展望。     

基于梯度塑性理论的岩样拉压剪破坏统一失稳判据

提出了单轴拉伸,直剪及单轴压缩剪切破坏失稳判据的统一形式。首先对de Borst R及Muhlhaus H B关于单轴拉伸试件梯度塑性理论解析解方面的开创性工作进行了回顾、评论,并指出了他们工作的缺憾。受de Borst R等工作的启发,对直接剪切试件进行了分析,得到了快速回跳条件。并发现:岩样的快速回跳条件就是系统(由剪切带及带外弹性岩石构成)的失稳判据。又对单轴压缩岩样剪切破坏进行了分析,得到了其失稳判据。通过对单轴拉伸失稳判据、直接剪切失稳判据及单轴压缩剪切破坏失稳判据的类比,得到了失稳判据的统一形式。统一失稳判据表明:岩石材料的局部化带宽度及压缩或剪切弹性模量越小,软化模量及等效试件高度越大,试件越容易发生失稳破坏。     

Gradient plasticity modelling of strain localization in granular materials

The flow stress in the yield surface of plastic constitutive equation is modified with a higher order gradient term of the effective plastic strain to model the effect of inhomogeneous deformation in granular materials. The gradient constitutive model has been incorporated into the finite element code ABAQUS and used to simulate biaxial shear tests on dry sand. It is shown that the shape of the post-peak segment of the load displacement curve predicted by the numerical analysis is dependent on the mesh size when gradient term is not used. Use of an appropriate gradient coefficient is shown to correct this and predict a unique shape of the load displacement curve regardless of the mesh size. The gradient coefficient required turns out to be approximately inversely proportional to the mesh elemental area. Use of the strain gradient term is found to diffuse the concentration of plastic strains within shear band resulting in its consistent width. The coefficient of the higher gradient term appears as a function of the grain size, the mean confining stress, and the plastic softening modulus. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

基于梯度塑性理论的岩样在压剪条件下变形及稳定性分析

考虑了正应力及剪应力联合作用在岩样的端部,而且,在正应力被视为变量,剪应力被视为常量这一特殊条件下,对剪切带的变形特征及剪切带-带外弹性体系统的失稳判据进行了分析.根据剪切虎克定律及梯度塑性理论,提出了剪切带内部弹性应变、塑性应变及总应变的解析式,对上述三种应变进行积分,提出了剪切带错动弹性位移、塑性位移及总位移的解析式.利用压缩虎克定律及几何关系建立了剪切带外弹性体的刚度的表达式.根据刚度理论,建立了剪切带-带外弹性体系统的失稳判据.考虑岩样端面的剪切应力后,在流动剪切应力相同时,剪切带内部的弹性剪切应变(均匀分布)将增加;剪切带内部的塑性剪切应变(不均匀分布)将减小;剪切带的弹性剪切位移(线性分布)将增加;剪切带的塑性剪切位移(非线性分布)将减小;剪切带错动位移要小一些.另外,剪切应力对剪切带-带外弹性体系统的失稳判据没有影响.失稳判据仅和岩石的本构参数、剪切带倾角及结构尺寸有关.     

Phenomenological issues related to strain localization in sensitive clays

A negative second order work, strain softening, is often noticed in contractant material like sensitive clays. Failure in such clays will lead to the formation of localized deformation zone of intense inelastic strain, known as shear band. Conditions, emergence and inclination of shear band has been very well demonstrated in past decades in different manners, however a definite thickness of shear band is still an open question due to several reasons. Mesh dependency, loss of ellipticity is another challenge associated with finite element analyses for strain softening clays. This paper covers a comprehensive review of classical theories of strain localization and associated limitation. Mesh dependency, ill-possed boundary value problem is addressed using finite element simulation examples and experimental results.     

基于分叉理论的岩体局部化现象研究

为了研究岩体局部化现象,基于轴向压杆稳定实例,运用数理和力学知识,根据Drucker-Prager（简称D-P）准则,推导了基于分叉理论的通用表达式。在此基础上,结合有限差分理论得出FLAC3D计算中岩体内发生分叉的判定条件,之后在自带的FISH编译语言的辅助下,在FLAC3D中建立数值分析模型,采用D-P本构关系,研究了岩体局部化现象及其发展过程。研究结果表明：在FLAC3D中以20 000步为间隔所得的不平衡力比率模型系统逐渐趋于稳定,不平衡力比率逐渐降低,局部化现象的规模逐渐扩大至稳定,清晰度逐渐增加,证实了分叉理论能够有效地分析研究岩体局部化现象。给出的岩体局部分叉判定条件和数值验证,较为科学合理地阐述了常用分叉判定条件的由来,为解释岩体局部化现象的机制和过程提供了理论支撑,从而对岩体局部化现象研究起到了一定的推进作用。