单轴压缩下岩石应变局部化的应变梯度塑性解

通过在屈服函数中引入材料内部长度建立应变梯度塑性增量本构关系,对岩石材料在单轴压缩条件下应变局部化的二维情况进行了研究。首先,建立了在Mises屈服准则下平面应变情况的岩石材料应变局部化带的带宽与其倾角的关系式,讨论了其带宽的分布范围和最大值与最小值形成的条件,给出岩石材料破坏Ⅰ, Ⅱ类变形的条件,并推出破坏的临界角度;其次,对岩石材料Ⅰ类变形进行了详细地分析,讨论了在不同泊松比 和 条件下材料应变局部化带的倾角的变化范围;最后,利用所得的结论同材料破坏的库仑准则进行对比研究,对内摩擦系数给予了合理的解释。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于CLoE与Gudehus-Bauer亚塑性模型的颗粒材料应变局部化对比研究

基于CLoE与Gudehus-Bauer亚塑性模型数值模拟了平面应变条件下Hostun砂的应变局部化现象。从侧向压力和初始缺陷两个方面对比研究了两种模型所预测应变局部化的产生及演化模式。结果表明：（1）两种模型均能反映Hostun砂刚度随着侧向压力提高而增大的现象。（2）相比Gudehus-Bauer亚塑性模型,CLoE亚塑性模型所得出的应变局部化形态与试验结果更加一致。（3）CLoE亚塑性模型能够反映随着荷载增加,砂的体积先膨胀后缩小的特点。（4）相比Gudehus-Bauer亚塑性模型,CLoE亚塑性模型所得到的应变-应力曲线能够更明显地反映应变局部化带中单元的软化现象。（5）CLoE亚塑性模型能够更好地模拟由初始缺陷导致的不均匀应变。总的来说,所得的数值结果表明,CLoE亚塑性模型能够较好地模拟侧向压力和初始缺陷对应变局部化的影响,在模拟应变局部化现象方面较Gudehus-Bauer更有优势。然而,现有CLoE亚塑性模型无法考虑孔隙比,也未包含颗粒材料内尺度变量,有待进一步完善。     

大陆中部地壳应变局部化与应变弱化

大陆岩石圈流变学研究是构造地质学学科发展的必然,也是发展板块构造理论、探索大陆板块内部变形与动力学演化的核心问题。大陆中部地壳是大陆岩石圈中一个具有特殊性的圈层,其主要成分以花岗质岩石为代表,位于岩石脆-韧性转变域。在中部地壳层次上,岩石既具有脆性变形特点,又具有韧性变形属性,而且常常表现出多种流变强度。研究成果显示,中部地壳岩石流变具有许多特殊性：1）应变局部化是中部地壳流动最为典型表现形式;2）存在大陆地壳多震层：多震与强震,显示出中部地壳既弱又强的流变学属性;3）液/岩反应强烈,流体相直接影响着岩石的流变性;4）在许多地区存在有地球物理异常体（低速高导体）。大陆中部地壳应变局部化是板块相互作用过程中地壳层次上应变积累与集中的重要表现。在宏观尺度、中小型尺度和微观尺度上都有着重要的构造特点。地壳岩石的应变弱化,是诱发应变局部化的主要机制。多种形式的水致弱化（包括液压致裂、反应弱化、水解弱化等）与结构弱化（包括细粒化、晶格取向、成分分带性等）对于应变局部化具有重要的贡献。大陆地壳岩石流变学、中部地壳弱化与应变局部化研究,是未来岩石圈流变学研究的重要方向。

     

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。     

剪切带倾角尺度律与局部化启动跳跃稳定研究

研究了剪切带倾角是如何依赖于岩样高度以及剪切带的不稳定性。建立了准脆性材料试件剪切带倾角尺度效应模型,得到了剪切带倾角尺度效应的解析解,且与实验结果比较相符。研究结果表明:剪切带倾角随着试件高度的增加而增加,但其增加幅逐渐减缓,最终趋于稳定值。笔者还对剪应变局部化启动、跳跃和稳定进行了理论分析,解释了实验所观测到的剪切带跳跃现象和砂岩岩样应变局部化较煤样滞后的原因。剪应变局部化是否发生跳跃,关键取决于全程应力-应变曲线软化段是否存在拐点。对于没有拐点的情形,宏观剪切带图案不跳跃。局部化是导致准脆性材料试件剪切带倾角尺度效应的原因。     

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。      

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.     

Interaction between different internal length scales in strain localization analysis of fully and partially saturated porous media—the 1‐D case

The paper analyses the interaction between two internal length scales during dynamic strain localization in multiphase porous materials. The first internal length is introduced in the mathematical model by the gradient‐dependent plasticity for the solid skeleton, while the second one is naturally contained in the multiphase model and is due to the seepage process of the water via Darcy's law, which induces a rate‐dependent behaviour of the solid skeleton. Numerical results of a one‐dimensional example of water saturated porous medium demonstrate the competing effect between these two length scales. The porous medium is here treated as a multiphase continuum, with the pores filled by water and air, the last one at constant atmospheric pressure. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.     

Softening,localization and stabilization: capture of discontinuous solutions in J2 plasticity

This paper exploits the concept of stabilization techniques to improve the behaviour of mixed linear/linear simplicial elements (triangles and tetrahedra) in incompressible or nearly incompressible situations. Elasto-J2-plastic constitutive behaviour has been considered with linear and exponential softening. Two different stabilization methods are used to attain global stability of the corresponding discrete finite element formulation. Implementation and computational aspects are also discussed, showing that a robust application of the proposed formulation is feasible. Numerical examples show that the formulation derived is free of volumetric locking and spurious oscillations of the pressure. The results obtained do not suffer from spurious mesh-size or mesh-bias dependence, comparing very favourably with those obtained with the standard, non-stabilized, approaches. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。