平面应变条件下M-C材料屈服时的中主应力公式

基于Mohr-Coulomb准则,通过引入罗德角参数及Mohr-Coulomb准则平面应变等效广义Mises准则,推导了平面应变条件下材料屈服时的中主应力公式,并给出其与基于SMP准则（Spatial Mobiliaztion Piane）的平面应变中主应力公式之间的关系式。对平面应变条件下的条形地基进行了有限元数值模拟,计算结果验证了所推导的平面应变条件下M-C材料屈服时的中主应力公式的正确性,其公式为岩土体的强度和变形分析、中主应力的强度效应的进一步研究,以及Mohr-Coulomb准则的修正提供了有力的基础。     

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。     

考虑渗透力和原始Hoek-Brown屈服准则时圆形洞室解析解

采用原始Hoek-Brown非线性屈服准则,推导了渗透力作用下圆形洞室弹塑性解析表达式。根据解析公式,绘制了渗透力作用下基于原始Hoek-Brown屈服准则的围岩特性曲线、塑性区半径与洞壁支护力关系曲线、塑性区半径与围岩自重应力关系曲线,并与基于Mohr-Coulomb屈服准则以及不考虑渗透力的图形进行了对比研究,研究表明：应用原始Hoek-Brown屈服准则求出的洞室径向位移和塑性区半径都大于应用Mohr-Coulomb屈服准则求出的结果;在围岩情况较好的条件下基于原始Hoek-Brown屈服准则计算的塑性区半径远大于基于Mohr-Coulomb屈服准则算出的值;渗流效应对地下洞室的塑性区半径和洞壁径向位移的影响十分显著。     

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。     

地应力对路基下伏溶洞稳定性的影响

为研究地应力对溶洞稳定性的影响,依据中国大陆地壳应力环境基础数据库及地应力分布规律计算公式建立了地应力模型,并辅以少量的测孔予以验证。基于地应力、Hoek-Brown屈服准则等模型,利用有限差分软件,结合剪应力分析和塑性区分析,针对不同地应力环境下溶洞的剪应力变化情况和破坏特点进行分析和总结发现,溶洞的稳定性与其所处的地应力环境存在很大关系。将地应力分解为静水应力和剪切应力,回归分析绘制趋势图发现静水应力和剪切应力之间的比值与溶洞可以承载的极限路基高度近似为负相关的线性关系。对沿线岩溶塌陷位置以及实测的路基填筑高度进行统计,并与预测成果对比发现地应力对溶洞稳定性的影响不可忽略。     

岩土面上抗剪强度与破坏面位置

通过理论推导出在平面应变条件下岩土任意面上的抗剪强度通式和破坏时中主应力与大小主应力的关系,给出了破坏面位置与强度准则的一般关系。为岩土滑移面的确定提供了理论依据,对研究岩土强度准则具有指导意义。     

基于形状改变比能对M-C准则与 D-P系列准则匹配关系的研究

在一定前提下可导出与Mohr-Coulomb（M-C）屈服准则相匹配的Drucker-Prager （D-P）系列准则。首先解释了基于M-C准则与D-P系列准则匹配关系的能量含义,在此基础上重点研究了 平面内,在Lode角相同的情况下进入M-C屈服面与D-P屈服面所需形状改变比能的差值,并应用最小二乘法,推导了在所有可能的加载方式下到达屈服面所需形状改变比能差值平方和最小时M-C准则与D-P准则的参数匹配关系。结果表明,在此能量偏差极小意义下的匹配与等面积匹配等价,由此给出了等面积匹配的力学意义。     

分层地基中抗拔桩破裂面的确定方法与极限抗拔承载力计算方法研究

应用水平条分法与极限平衡原理讨论了抗拔桩在分层地基中的极限承载力、破裂面、土体性质的关系。将破裂面看成是由若干段组合而成的复合破裂面,并沿各段将边坡水平条分为多块体。在假设边坡岩土体服从摩尔-库仑屈服准则条件下,根据极限平衡原理,建立抗拔桩极限承载力的多元函数,利用数学优化方法给出其最优解,从而可以方便地给出抗拔桩破裂面及对应的极限抗拔力。通过算例分析并与前人研究成果比较,其结果表明：该理论方法是合理有效的,可以用于预测抗拔桩地基承载力极其破裂面形状。     

硬脆性大理岩拉剪破坏特征与屈服准则研究

岩土工程中常用的屈服准则多以压缩剪切为其破坏机制,然而硬脆性岩体的脆性破坏包括拉伸破坏、张拉剪切破坏和压缩剪切破坏3类,且随着岩体工程向深部发展,张拉剪切破坏成为了洞壁围岩的主要破坏机制。针对此问题,开展了硬脆性大理岩的室内拉剪试验,分析了大理岩拉剪破坏特征,并结合压剪试验结果,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则。研究结果表明,硬脆性大理岩破裂面在拉剪应力状态和低正应力压剪应力状态下均具有张拉剪切破坏特征,高正应力压剪应力状态下则只具有压缩剪切滑移特征;拉剪应力状态下,大理岩破裂面张拉破坏特征明显,无明显剪切痕迹,剪切力固定时,剪切位移随着轴向拉力增加而增加;凝聚力和内摩擦角受应力状态影响,凝聚力随正应力增大先减小后增大,内摩擦角则随正应力的增大而减小;凝聚力、内摩擦角随正应力的变化趋势可分为4段,拉剪段、低压应力段、中压应力段和高压应力段,每段的凝聚力、内摩擦角与正应力皆可认为是线性关系,靠近抗拉强度处,内摩擦角趋近90°,凝聚力趋于无穷大;考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则曲线分为两部分,可采用二次抛物线进行拟合的拉剪段和考虑凝聚力、内摩擦角随正应力演化的压剪段,由此建立的Mohr-Coulomb准则更全面、精度也更高。     

基于非线性破坏准则的边坡稳定性极限分析

上限定理是求解岩土工程问题的有效工具。以上限定理为理论基础,分析边坡的稳定性问题,并考虑了岩土材料破坏准则的非线性特性。在非线性Mohr-Coulomb破坏准则下,采用条分法与极限分析上限法相结合的方法,对边坡稳定性进行分析。通过切线法引入非线性强度参数 、 ,推导了岩土材料在非线性破坏准则下的相关联流动法则,建立功能方程,推导了边坡直线滑裂面、折线滑裂面和光滑曲线滑裂面安全系数F的计算方程。采用数学规划法计算后与工程实际中常用的边坡稳定性分析方法进行对比,并获得安全系数F =1.0时的稳定性系数Ns。与已有的研究成果进行比较分析,结果表明了该方法的正确性及优越性     

极限分析有限元法讲座Ⅲ--增量加载有限元法求解地基极限承载力

利用有限元法,通过增量加载的方式来求解地基极限承载力。随着荷载的逐渐增加,地基由初始的线性弹性状态逐渐过渡到塑性流动的极限破坏状态,此时有限元的计算将不收敛。它不但可以获得地基的极限荷载的值及荷载-位移关系,而且还能得到经典极限分析法中所采用到的破坏机构。当采用关联流动法则或采用剪胀角为 φ/2 的非关联流动法则时,获得的破坏机构与 Prandtl 的破坏机构一样。对 Prandtl 解的经典算例进行了分析,结果表明:屈服准则的选用对计算结果的影响很大,选择与实际问题相匹配的屈服准则方能得到比较精确的结果。在求解平面应变问题时,在关联流动法则条件下,采用Mohr-Coulomb 内切圆屈服准则,或在非关联流动法则下采用 Mohr-Coulomb 匹配 DP 准则所得结果与 Prandtl 精确解极为接近,可望应用于实际工程分析中。     

基于不同屈服准则均布条形荷载下塑性区的确定

为了合理确定条形荷载下临塑荷载和塑性区的范围,在考虑侧压力系数不等于1的情况下,提出了两类方法。一类仍旧采用Mohr-Coulomb准则,但假设侧压力系数随倾角线性变化;另一类在假设侧压力系数随倾角线性变化的基础上采用3种不同的广义Mises准则。算例分析结果表明：第1类方法虽然合理减小了正应力,但仍没有考虑中主应力,结果导致得出的塑性区大于原Mohr-Coulomb准则法得出的结果;第2类方法得出的3种塑性区形状相似,其中基于外角外接Mohr-Coulomb等边不等角六锥体的广义Mises准则得出的临塑荷载与传统方法结果相似,但塑性区要小一些。因此,这种方法可以用来更合理地估算条形荷载下的塑性区和承载力。     

主应力在偏平面上的等效变换及其应用

通过坐标变换,推导建立了偏平面上的坐标变量与主应力间的相互转换关系,为求破坏准则在偏平面上的轨迹提供了方便。进而利用得到的变换关系,分别考察了Mohr-Coulomb破坏准则、广义Mises破坏准则和空间滑动面(SMP:SpatialMobilizationPlane)破坏准则在偏平面上的轨迹,并利用不同准则在偏平面上的相互关系推得了相应准则的参数表达式。分析表明,利用变换关系推得的这些参数表达式和已有的结论一致。     

粉质黏土的真三轴试验及强度特性研究

为研究复杂应力路径下粉质黏土强度特性,利用TSW-40型土壤真三轴仪,开展了不同试验条件下粉质黏土的真三轴试验。研究了真三维应力状态下粉质黏土应力-应变曲线变化规律,探讨了含水率、固结围压和中主应力比等试验条件对粉质黏土强度的影响规律,对比分析了真三维应力状态下 平面上粉质黏土试验值与Mohr-Coulomb（简称M-C）强度准则和双剪强度准则的差异。研究结果表明：真三维应力状态下粉质黏土的广义剪应力-剪应变曲线主要表现为应变硬化型。粉质黏土强度随中主应力比和固结围压的增大而增大,随着含水率的增大而减小。 平面上粉质黏土的强度包络线随静水压力 的增大向外逐渐扩展,随含水率 的增大向内逐渐收缩。 平面上M-C强度极限线和双剪强度屈服极限线与试验值对比分析表明,M-C强度准则描述土体强度时结果偏小,采用双剪强度准则时结果偏大。     

考虑张剪破坏的边坡下限原理有限元法

在工程中发生的很多边坡破坏模式不仅表现为剪切破坏,还表现为在边坡后缘产生一定深度的张拉破坏。这种既考虑剪切破坏又考虑张拉破坏的屈服准则,是经典的Mohr-Coulomb（简称M-C）屈服准则难以模拟的。从空间方位离散的角度出发,对经典的M-C屈服面线性化的方式进行改造,建立了基于方位离散的线性化屈服准则,同时在屈服准则中考虑了张拉破坏准则,并引入伪黏聚力,保证在每一个离散方位平面上既不违背屈服准则,又不违背张拉破坏准则,建立了同时考虑张拉及剪切破坏的下限原理有限元法。算例表明了该方法的有效性,同时也证明了仅考虑剪切破坏时,会过高地估计边坡的安全系数。     

深部人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型研究及其验证

采用改进的Mohr-Coulomb屈服准则(Zienkiewicz-Pande准则), 建立了能描述人工冻土3个阶段蠕变特性的黏弹塑损伤耦合本构模型. 基于该本构模型建立了模型的柔度矩阵, 将本构模型嵌入到ADINA有限元程序中. 计算表明: 数值模拟得到的人工冻土蠕变特性曲线与实测值吻合良好, 最大误差为4.8%, 说明基于改进的Mohr-Coulomb准则建立的黏弹塑损伤耦合本构模型能够准确的描述人工冻土剪切特性和3个阶段的蠕变特性.获得的本构模型具有参数少、容易确定等优点. 深部人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型的建立, 对于人工冻土结构物长期稳定分析和预测具有重大的理论指导意义.     

Hoek-Brown准则在岩质边坡稳定分析中的优越性

介绍了最新的用于估计完整岩石或节理岩体剪切强度的半经验准则Hoek-Brown屈服准则。结合岩质边坡工程并基于强度折减法计算边坡安全系数,与等效Mohr-Coulomb屈服准则数值模拟对比,得出Hoek-Brown屈服准则采用基于应力水平的塑性流动法则,考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多种因素的影响,能很好地反映岩体的非线性破坏特征及机理,符合节理岩体的变形和破坏特点。