基于应变率效应的岩石动态Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则研究

在考虑强度准则参数粘聚力c、内摩擦角φ和岩石材料常数m随应变率增加而变化的基础上,分别提出了基于应变率效应的岩石动态Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则。花岗岩材料在6种围压下的三轴试验结果表明:当应变率从10^(-4) s^(-1)增加到100 s^(-1)时,粘聚力c和岩石材料常数m均随应变率增加而增加,但是内摩擦角φ则随应变率增加而减小。为此,给出了上述3项参数随应变率变化的函数关系,并在此基础上,分别提出了考虑率效应的动态Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则表达式。通过理论计算结果与试验数据的对比,发现动态Mohr-Coulomb准则适应于低围压情况,而动态Hoek-Brown准则在低围压和高围压情况下均适用。

高温下碳纤维复合材料动态力学性能及相关失效准则的研究进展

研究碳纤维复合材料的动态力学行为及其失效准则对于理解其性能至关重要,可以更好地预测材料在极端条件下的表现,从而提高其在实际应用中的可靠性和安全性。从力学行为特性和失效准则着手,归纳和总结了碳纤维复合材料在高温下的动态力学性能,指出应变速率和温度对材料动态力学行为的影响是当前研究的重点与难点。总结了现有的复合材料失效准则,并讨论了这些准则的适用性差异。指出温度和应变速率耦合环境下的力学行为研究、相关失效准则建立和基于多尺度分析方法数值模拟是今后研究的重点。

修正Mohr-Coulomb准则下倾斜基岩中桩端极限承载力研究

为计算倾斜岩面浅嵌岩桩极限承载力,本文基于修正Mohr-Coulomb强度准则提出了倾斜岩面浅嵌岩桩桩端承载力计算方法。采用特征线法构建了桩端面以下塑性发展区,考虑岩面倾斜角几何关系,推导了倾斜岩面位移滑移场;进一步通过黎曼不变量控制方程,求解了倾斜岩面浅嵌岩桩基极限承载力公式。分析了倾斜岩面坡角、岩体完整性参数以及岩体内摩擦角等因素对桩端承载力的影响。结果表明:浅嵌岩桩基嵌入深度达到极限嵌入比时,桩基达到极限承载力;当嵌入比大于极限嵌入比时,桩端承载力系数不受倾斜坡角和嵌入比影响,此时可按平地桩基进行分析计算;极限嵌入比随倾斜坡角的增大呈幂函数增大,且在岩石完整性较差时,极限嵌入比随岩体内摩擦角的增大而显著增大;当嵌入比小于极限嵌入比时,桩端承载力系数随倾斜坡角的增大近似线性减小,需考虑岩面倾角对桩基承载力的影响。

基于Mohr-Coulomb准则隧道围岩-支护体系协同作用下支护强度分析

确定围岩-支护结构体系动态协同变形关系是地下工程支护需要解决的关键问题之一。运用Mohr-Coulomb准则推导隧道开挖支护后围岩径向变形与支护结构径向变形的协同方程,探讨Ⅳ级围岩塑性半径、围岩位移及支护刚度随支护强度的变化关系;并运用FLAC3D数值模拟验证协同变形方程的合理性和有效性。结果表明,围岩-支护结构体系协同变形方程能很好地反映围岩位移和塑性区半径随支护强度变化的关系,且相互关系是非线性的。支护强度为0.75 MPa时,理论计算拱顶沉降为18.9 mm,数值模拟拱顶沉降为21.6 mm;支护强度为1.5 MPa时,理论计算拱顶沉降为11.2 mm,数值模拟拱顶沉降为11.1 mm,表明围岩-支护结构动态协同变形方程的有效性。针对Ⅳ级围岩在采用超前支护和交叉中隔壁法(cross diaphragm,CRD)施工时,建议支护强度设计为0.75~1.5 MPa,支护刚度设计为59.8~375.0 kN/mm。

基于修正Mohr-Coulomb准则的弹塑性本构模型及其数值实施

针对Mohr-Coulomb准则高估岩土体抗拉性能的局限性,建立考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型;系统地论述隐式本构积分算法的主要内容,推导相应的一致性刚度矩阵。以ABAQUS软件为平台,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序,对单轴拉伸试验和三轴压缩试验进行数值模拟,对比分析ABAQUS自带模型和自编模型的优劣,结果表明编写的修正Mohr-Coulomb模型能够有效地反映岩土介质的抗拉性能,弥补了ABAQUS自带模型的不足。

基于Mohr-Coulomb准则的岩石损伤统计分析方法研究

从探讨基于Mohr-Coulomb准则的新的岩石微元强度表示方法及其服从Weibull随机分布的特点出发,基于岩石三轴应力应变试验曲线,建立了反映岩石破裂全过程的损伤软化统计本构模型.在此基础上,重点研究了Weibull分布参数对岩石损伤软化统计本构模型的影响,并结合岩石三轴应力应变试验曲线的特征,对岩石损伤软化统计本构模型进行了合理修正.与试验结果及前人研究结果比较,该模型形式简单,能更好地反映工程实际,具有广阔的应用前景.

非线性Mohr-Coulomb准则适用范围及其改进研究

SINGH M为克服(Mohr-Coulomb M-C)准则只能线性表征岩石强度随围压变化这一局限性,在M-C准则的基础上添加一个修正项对其进行改进,提出非线性M-C准则。该准则认为,岩石在围压达到其单轴抗压强度时岩石就进入临界状态,此观点与部分岩石的试验结果有较大的出入,使得该准则的适用范围受到影响。为拓宽非线性M-C准则的适用范围,通过对其修正项的进一步改进,提出M-C准则修正一般表达式。应用11种岩石三轴试验数据对M-C准则修正一般表达式、非线性M-C准则和目前岩石力学界认为较好的双曲线型准则的精度进行比较,结果显示,M-C准则修正一般表达式对岩石三轴强度的拟合精度高于其他两种准则,且由岩石三轴试验强度的一致性更好。证明M-C准则修正一般表达式优于非线性M-C准则,且适用范围更广。

岩石塑性变形条件下的Mohr-Coulomb屈服准则

传统的Mohr-Coulomb强度准则仅描述了峰值强度状态下正应力和剪应力之间的关系,作为岩石破坏的判据.本文拓展概念,提出Mohr-Coulomb屈服准则表述岩石发生塑性变形后不同应力状态下屈服面的应力应变关系.在总结实验研究的基础上建立了使用三轴压缩试验数据确定塑性参数c和φ随内变量κ变化的实验技术方法,给出了评价各向同性模型精度的参量表达以及某些测试结果.采用具有各向同性强(软)化规律的Mohr-Coulomb屈服准则,利用岩石的初始屈服、峰值屈服和残余屈服三组参数可以将全过程应力应变曲线简化表征为四直线模型,它比三线性模型有更广泛的适用性.本文的结果为工程地质数值模拟提供了理论和实验基础,具有指导意义.

基于弹性应变能的Mohr-Coulomb强度准则讨论

从弹性应变能释放是材料屈服的基本原理来看,MohrCoulomb(M-C)强度准则认为屈服时材料的泊松比恒为0.5,这可能违反能量守恒定律.研究了弹性应变能、应力偏量第二不变量、应力张量第二不变量及泊松比之间的关系,提出广义应力偏量第二不变量概念;从弹性应变能角度对M-C强度准则的物理意义进行分析,提出广义M-C强度准则;利用强度准则对岩石的破坏强度进行了计算.结果表明,由于考虑了中间主应力与泊松比的影响,广义M-C强度准则的计算精度更高,并分析了产生这种结果的内在机理.广义M-C强度准则突破了材料破坏时的泊松比恒为0.5的假设,这对于定量描述材料的屈服与破坏特性具有重要的意义.

用Mohr-Coulomb破坏准则预测最小水平主应力的实验方法

通过岩石力学实验,测定岩样的内聚力、摩擦系数和单轴抗压强度等岩石力学参数,可以用常规的Mohr Coulomb破坏准则确定最小主应力。采用长庆油田、二连油田、吉林油田和四川盆地、塔里木盆地以及委内瑞拉将要进行水力压裂施工的砂岩地层的岩样,用该方法测定最小主应力,将测定结果与长源距声波测井和微压裂测定结果对比,误差一般为2～3MPa,证实这是一种经济可靠的方法。

修正的Mohr-Coulomb破坏准则在斜侵彻过程中的应用

以杆弹斜侵彻钢纤维混凝土靶的数值模拟为目标,将HJC模型嵌入了自主开发的动态有限元HVP3D程序中,提出了考虑拉伸破坏、应变率、压力和剪力影响的修正的Mohr-Coulomb破坏准则,模拟靶板的可能破坏情况,并和最大拉应力累积破坏准则的结果进行了比较,发现修正的Mohr-Coulomb破坏准则较好地反映靶板的破坏情况.同时将修正的Mohr-Coulomb破坏准则应用到带攻角的斜侵彻数值模拟中并与实验结果进行了对比.

基于Mohr-Coulomb准则的球形洞室围岩应变软化弹塑性分析

通过用一系列的塑性流动与脆性跌落近似逼近峰后应变软化过程,将开挖球形洞室引起的塑性变形区划分为k个同心球壳。假定各球壳内岩体均质且各向同性,采用Mohr-Coulomb准则和非关联流动法则对受静水压力球形洞室围岩的应力和变形进行理论计算。由各球壳内岩体属性表征点建立岩体再破坏的补充方程,得到了围岩塑性半径求解方程组。通过算例验证了方法的合理性。最后,考虑岩体进入峰后阶段后,变形参数也随之劣化,讨论了弹性模量线性劣化对洞壁位移、软化半径和破裂半径的影响。

修正Hoek-Brown准则的等效Mohr-Coulomb强度参数确定方法研究

合理确定岩石材料强度参数是工程设计的关键问题之一。为有效描述岩石的强度特性,众多学者提出了大量三维强度准则,其中基于两参数偏函数的修正Hoek-Brown(H-B)准则取得了良好效果,能够有效地反映岩石的静水压力效应、Lode角效应及中间主应力效应等强度特性。确定修正H-B准则的等效Mohr-Coulomb(M-C)参数有利于提高其在工程应用中的便利性,因此提出一种基于I1-√J2平面计算三维强度准则瞬时等效M-C参数的方法,应用于修正H-B准则,并对计算方法的合理性及瞬时等效M-C参数与岩石强度特性的关系进行讨论。结果表明:瞬时等效M-C参数可有效表征非线性静水压力效应,且合理反映Lode角效应和中间主应力效应的区间性特点;瞬时等效M-C参数可有效表征静水压力对Lode角效应的影响和最小主应力对中间主应力效应的影响,静水压力增大时,Lode角效应更为明显,且当最小主应力增大时,瞬时等效内聚力反映出更为显著的中间主应力效应;该方法能够合理地计算瞬时等效M-C参数,修正H-B准则具有准确预测岩石强度的能力。上述成果对修正H-B准则在实际工程中的应用具有较强的指导意义。

电力系统动态仿真误差评定准则研究

电力系统仿真准确度直接影响到电网的安全经济运行,广域测量系统的广泛应用使评价电力系统仿真准确度成为可能,确定仿真误差是评价电力系统仿真准确度的前提。文中在分析电力系统动态变量基本特征的基础上,提出可用动态变量的特征信息来衡量变量的差异,并采取分时段研究的原则,针对不同时段分别提出了仿真误差的量化评价指标。所提出的误差评定准则不仅可以真实地反映出动态数据间的接近程度,还可提供与误差相关的系统动态信息,从而为进一步修正模型与参数奠定基础。通过对实测数据和仿真数据的误差量化计算,证实了所提出的误差准则的有效性。

适用于多夹层盐穴储气库的改进Mohr-Coulomb准则

考虑到多夹层盐岩在三轴压缩和拉伸应力状态下破坏强度的差别较大,对盐岩破坏的Mohr-Coulomb准则进行修正,得到改进后的Mohr-Coulomb准则,利用室内盐岩实验数据回归出相应的公式,并与已有的两种准则的计算结果进行对比。建立了多夹层盐穴储气库有限元模型,分析了储气库的埋深、顶跨、顶部盐岩厚度、顶部相邻非盐岩层厚度及弹性模量等参数对储气库最小许可运行压力的影响规律,并对比了改进Mohr-Coulomb准则与已有准则的计算结果。综合研究表明:改进Mohr-Coulomb准则与实验数据具有很好的一致性,能够反映盐岩从三轴压缩应力状态转换为三轴拉伸应力状态时破坏强度变化对储气库最小许可运行压力的影响;储气库最小许可运行压力梯度随着顶跨的增加而增加,随着顶部相邻非盐岩层弹性模量的增加而降低,而顶部盐岩和相邻非盐岩厚度对其影响不显著。

基于改进的Mohr-Coulomb强度准则下岩石锚杆极限抗拔承载力计算

岩石锚杆基础作为风电机组基础的一种特殊基础型式,可以充分发挥原状岩体的力学性能,具有良好的抗拔性能。已有研究表明,小而非零拉伸截断改进的Mohr-Coulomb(简称M-C)强度准则更适用于描述岩体的破坏特性。基于小而非零拉伸截断改进的M-C强度准则,建立破坏面上单位面积的能量耗损率表达式。从塑性力学极限分析上限定理出发,构建岩楔体平移破坏机构。根据外部作用荷载和岩楔体自重所做的外功率与沿岩楔体圆破坏锥面的能量耗损率相等的条件,建立虚功率方程,并由此得到了岩石锚杆极限抗拔承载力的计算公式。经原型试验验证,推导公式所得计算值与实测值一致性较好,具有一定的可靠性,且能满足工程实际应用要求。

基于Mohr-Coulomb准则的岩石损伤统计本构模型

通过损伤变量来建立合适的岩石本构模型可以更真实地反映岩石的破坏过程。基于岩石微元强度概率分布理论,以Mohr-Cou lomb破坏准则作为分布参量,从理论上建立了岩石损伤变量演化方程和三轴条件下损伤统计本构模型,可采用曲线拟合法与极值法求解所建立模型的参数。用试验结果对所建模型进行了验证,较好的吻合性说明所建模型是合理的。研究表明,用Mohr-Cou lomb准则作为统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,真实反映岩石强度受应力状态影响的现象,在岩石破碎和井壁稳定等方面具有一定的应用价值。

不同应变率下砂岩动态强度准则的试验研究

分别利用RMT-150C和多功能分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统对砂岩进行了不同应变率下的单轴压缩、三轴压缩和拉伸试验。结果表明，在围压为0或围压-定的情况下，应变率低于10^2s^-1。时，抗压强度的增加与应变率的量级呈正比；在应变率高于10^2s^-1时，岩石的抗压强度增加趋势与应变率的l／3次方呈正比。拉伸强度也存在类似规律。针对10^1～10^2s^-1应变率范围内缺少岩石动态强度准则这-现状，根据上述试验规律，结合Mhr-Coulomb准则、Hock-Brown准则和Gfiffith准则的原理，给出了不同应变率范围内动态Mohr-coulomb准则和动态Hock-Brown准则的具体表达形式。研究结果表明，在低应变率情况下，动态Mohr-Coulomb准则和动态Hock-Brown准则均适用，但Griffith准则判别结果误差很大。在高应变率情况下，动态Mohr-coulomb准则比较适用，Griffith准则仅适用于评估高应变率单轴抗压强度和抗拉强度之间的关系。

Mohr-Coulomb准则屈服概率解析

基于Mohr-Coulomb准则和可靠度理论,视岩土材料的强度参数为服从正态分布的随机变量,建立了Mohr-Coulomb准则屈服概率的解析表达式,并通过Monte-Carlo法和一次二阶矩法验证了其正确性。应用所得到的公式分析了岩土材料强度参数的变异性对屈服概率的影响。计算表明,强度参数对屈服概率的影响程度不尽相同,在变异系数较大的情况下,内摩擦角对屈服概率的影响显著,不可忽略。

Cosserat连续介质的Mohr-Coulomb屈服准则及其应用

Cosserat连续介质下的应力、应变张量具有不对称性,经典连续介质的屈服准则无法直接用于 Cosserat连续介质. 将应变、应力张量分解为对称和反对称两部分,修正了经典连续介质下三个应力不变量的表达式,建立适用于Cosserat连续介质弹塑性有限元分析的Mohr Coulomb屈服准则,给出了 Cosserat连续介质下 von Mises、Tresca和Drucker Prager屈服准则的表达式. 自然边坡数值算例表明了修正 Mohr Coulomb屈服准则的有效性,验证了Cosserat连续介质理论通过引入材料特征长度可以解决经典连续介质理论分析应变局部化问题时遇到的网格敏感性问题.