强度理论的发展和展望

强度是各种地上、地下、水下和上天结构的共同的最基本要求。强度理论是研究材料在复杂应力下屈服和破坏规律的学科。由于各种土木、水利、机械、航空、军工等工程结构中的材料,大多处于复杂应力作用下,因此强度理论得到广泛的研究和应用。强度理论是各种工程结构强度计算和设计必需的基础理论。它们也是固体力学、材料强度学研究从弹性到塑性,从弹性到软化或硬化,从弹性到脆塑性,以及从线性到非线性的开始。对材料在复杂应力状态下强度理论(屈服准则、破坏准则等)的发展进行了总结。给出了 80 多种准则的方程式,反映出强度理论研究的“百花齐放,百家争鸣”。讨论了各种准则的分类和它们之间的关系,以及在研究和工程应用中的合理选择破坏准则问题。还总结了三大系列强度理论、统一屈服准则、统一强度理论和其他各种强度理论。 最后讨论了强度理论的发展展望,包括:真三轴试验和假三轴试验;强度理论的经济效益;各向异性材料和复合材料的破坏准则;多孔隙材料和多相材料的破坏准则;其它各种特殊材料的强度理论;安定性、多轴疲劳、蠕变、损伤、断裂和相关现象;强度理论的计算机程序实施和角点奇异性;特殊环境下的强度理论问题;强度理论的美;强度理论研究的不同层次。

线性和非线性的统一强度理论

统一性,即将以前相互没有联系的概念、方法、理论、现象等统一起来,这是一个科学理论美的重要特点之一。统一强度理论是一种新的序列化的理论,它不仅建立起各种线性破坏准则的相互联系,并且产生一系列新的准则。单剪强度理论、双剪强度理论和介于单剪强度理论与双剪强度理论之间的一系列线性准则均为它的特例。但是,它没有将Huber-von Mises准则等非线性准则统一起来,而只能线性逼近它们。根据一个新的力学模型,提出一个普遍形式的统一强度理论,它不仅将单剪强度理论和双剪强度理论的线性准则统一起来,并且将八面体剪应力理论的非线性准则统一起来,从而建立起各种强度理论之间的相互联系,并将最常用的各种强度理论统一于一体,形成一个线性和非线性准则统一的普遍形式的强度理论,可以适用于更多的材料。

材料强度理论研究进展述评

强度理论是研究多轴应力下材料屈服或破坏机制和原理的力学理论,是固体力学研究中最基础的内容之一,在理论研究、工程应用和材料利用等方面具有重要意义,在物理、力学、地球科学、材料科学和工程中得到广泛应用。对各类材料强度理论进行分类和归纳,对其理论观点进行归纳、总结与评述,指出其适用范围与优缺点,同时将强度理论分为各向同性强度理论和各向异性强度理论2类,其中各向同性强度理论分为主应力强度理论、剪应力强度理论和其他强度理论。主应力强度理论又分为最大拉应力强度理论、Mises屈服理论、最小耗能原理强度理论和损伤比强度理论,剪应力强度理论分为单剪、双剪和三剪强度理论,其他强度理论分为最大拉应变强度理论、空间滑动面强度理论、细观强度理论和其他理论。各向异性强度理论是各向同性强度理论的延伸与发展,按金属材料、复合材料和岩土材料等3类分别论述,金属材料和复合材料的强度理论分为宏观强度理论和微细观强度理论,岩土材料强度理论分为Mohr-Coulomb系列、Hoeke-Brown系列、Matsuoka-Nakai系列和其他经验模型系列强度理论等4类。通过总结损伤比强度理论的理论观点、参数定义与物理意义,指出该理论反映了岩石、混凝土等脆性材料受拉脆断、单轴受压压碎以及三轴受压塑性流动的指标量化,揭示了脆性材料非弹性体积膨胀导致破坏,且高静水压力下损伤比参数递减使得非弹性体积膨胀减小导致脆性材料将向塑性转变的原理。最后,对强度理论的发展进行展望,指出损伤比强度理论有望成为宏观强度理论的发展方向,具有进一步完善与用于其他各向同性材料和各向异性材料的前景,并且通过宏观强度理论与微细观强度理论模型以及人工智能强度理论模型相结合,标定微细观模型参数,修正宏观强度理论中的主要参数,实现宏观强度理论与微细观强度模型及人工智能强度模型的统一。

基于统一强度理论的扰损围岩巷道脆塑性解答

钻爆法施工常造成岩质巷道扰损区围岩性能劣化。针对扰损围岩、扰损外围岩的弹塑性状态下不同的扰损围岩巷道力学模型,采用统一强度理论、弹-脆-塑性模型和非关联流动法则,建立扰损围岩巷道有关应力、位移和塑性区半径的脆塑性解答,探讨巷道力学模型的转换路径及判定方法,并将结果进行对比、验证,获得各因素的影响规律。研究表明:提出的巷道脆塑性解答合理反映了中间主应力、围岩扰损范围和峰后强度、剪胀特性的综合影响,通过参数组合变换可退化为多种解答并得到正确性验证,具有重要的理论意义和应用前景;巷道力学模型判定与中间主应力、围岩扰损范围密切相关,显著影响巷道应力-位移分布和围岩特征曲线;支护压力和巷道稳定变形随着围岩峰后强度下降、剪胀特性参数增加而明显增大。

基于Coulomb-Mohr强度理论的结构面对岩体稳定性影响的教学设计与实践

文章根据为本科学生而开设的《岩石力学》课程中结构面对岩体稳定性影响的教学内容,以岩体内单一结构面影响岩体稳定性为例,基于Coulomb-Mohr强度理论分析和推导了单一结构面影响岩体稳定性的计算方法,提出了易于学生理解和掌握的结构面影响岩体稳定性分析方法的教学组织和设计,并总结了教学中引导学生开展创新思维的具体方法。通过对所设计的结构面影响岩体稳定性计算方法在《岩石力学》课程中的教学实践,取得了良好的教学效果。According to the instructional contents of the influence of structural plane on the rock mass stability in the course entitled Rock Mechanics offered to undergraduates, taking the influence of a single structural plane on the stability of rock mass as an instance, the method for calculating the influence of a single structural plane on the rock mass stability based on Coulomb-Mohr strength theory is analyzed and derived in this paper. The organization and planning in teaching undergraduates the method for analyzing the influence of structural plane on the rock mass stability are also presented, which is easy for undergraduates to comprehend and master. The specific method for guiding undergraduates to develop innovative way of thinking during teaching activities are also summarized. Through teaching practice on the method for analyzing the influence of structural plane on the stability of rock mass in the course entitled Rock Mechanics, the expected teaching objective has been achieved.

20世纪岩石强度理论的发展——纪念Mohr-Coulomb强度理论100周年

190 0年莫尔 (O. Mohr)教授建立了著名的莫尔 -库仑 (Mohr- Coulomb)强度理论。 10 0年来 ,岩石强度理论广泛吸引了工程师和物理学家 (包括工程地质专家、力学家、地球物理学家、材料科学家和土木、机械工程师等 )的注意 ,对岩石在复杂应力状态下的强度理论 (破坏准则 )以及它们的实验验证进行了大量研究 ,提出了众多岩石破坏准则 ,并进行了大量轴对称围压三轴试验和真三轴试验。对 10 0年来的岩石强度理论研究的发展和主要结果进行小结 ,特别是从理论上总结了从强度理论的下限 (莫尔 -库仑单剪强度理论 ,190 0 )到上限 (双剪强度理论 ,俞茂宏 ,1985 )到统一强度理论 (俞茂宏 ,1991)的发展。对 10 0年来岩石强度理论发展的回顾 。

工程强度理论的发展和统一

简要总结了工程强度理论的发展和现况，指出存在的问题，然后提出了作者经３０年研究而创立并发展的双剪强度理论和统一强度理论．统一强度理论，一方面建立起现有各种强度理论之间的联系；同时也使以往各种只能适用于某一类材料的单一强度理论发展为可以适用于众多材料的统一强度理论；可以广泛适用于从金属到岩石、混凝土、土体等各类材料。最后通过二个实例，说明统一理论的应用。

各向同性岩石损伤比强度理论研究及应用

根据地球上岩石材料强度实验与发展规律对三轴受压下岩石强度包络面基本特征提出3个假设,建立五经验系数岩石损伤比表达式。根据各类各向同性岩石试验数据推荐损伤比表达式中五经验系数的取值,结合原有损伤比强度理论完善2类岩石损伤比强度准则,并与现有典型岩石强度准则进行比较。分析结果表明:损伤比强度准则预测值与试验数据吻合良好,计算精度与其他准则相当。岩石损伤比强度理论反映了单轴受拉脆断、单轴与双轴受压压碎以及三轴等压塑性流动的指标量化,且三轴高压下损伤比参数递减使得非弹性体积膨胀减小导致岩石向塑性流动转变的特征,具有重要应用价值:1)该理论指出重力作用下地壳固态岩石由于损伤比参数取值逐渐减少而分别处于弹脆性、弹塑性和塑性流动等3个状态,因此可预测地球岩石在重力作用下的塑性流动规律;2)该理论可解释高地应力隧道开挖由于应力释放导致高压岩体非弹性体积膨胀从而引发硬岩岩爆的内在原因;3)基于该理论,认为重力下岩石处于塑性状态将耗能而使得机械能向热能转变,因而提出地球“重力塑性耗能”观点,指出地球内部的地幔和地核物质维持液态或固态,是重力高压与耗能引发高温的结果;4)基于该理论,指出“大陆漂移学说”和“板块构造学说”以及地震和火山爆发的动力机制是地球的“重力塑性耗能”引起地球内部能量增加而长期缓慢释放,以及地球潮汐力、离极力和月亮太阳引潮力共同作用的结果。地球“重力塑性耗能”观点可为康德-拉普拉斯星云假说下的岩浆冷却提供能量补充。

饱和含盐冻土冲击能量分析及动态强度理论

本文利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置探究冲击加载下含盐量和应变率对饱和含盐冻土动态强度的影响。试验结果表明,当含盐量介于0%~2%时,土体的动态强度大约随含盐量每增加1%而减小1.5 MPa;随应变率每升高250 s^(-1)而增大2.0 MPa。从能量角度分析,土体冲击过程中的吸收能密度大约随含盐量每增加1%而减小0.1 J/cm^(3);随应变率每升高250 s^(-1)而增大0.2 J/cm^(3)。基于能量平衡和断裂理论,推导了饱和含盐冻土压缩膨胀拉伸破坏模型的动态强度理论计算式,计算结果与试验结果误差不超过10%,且能预测动态强度随含盐量和应变率的变化趋势,表明该理论可以揭示饱和含盐冻土的动态破坏机理,为工程实践提供理论基础和借鉴意义。

基于统一强度理论的自紧身管残余应力分析

基于统一强度理论,考虑材料拉压异性和鲍辛格效应的影响,采用双线性强化材料模型对身管进行自紧分析,推导了身管加载应力、卸载应力、残余应力及工作应力的解析解,得到了弹塑性交界面半径、反向屈服半径的计算公式,提出了最佳自紧度和自紧压力的计算方法,通过与实验数据进行对比,验证了本文理论解的正确性,分析了材料拉压强度比、中间应力系数等参数对身管残余应力、弹塑性交界面半径、反向屈服半径和最佳自紧压力的影响。结果表明,反向屈服半径、弹塑性交界面半径、弹塑性交界面处残余应力与材料拉压强度比成正比,与中间应力系数成反比;最佳自紧压力与材料拉压强度比成反比,与中间应力系数成正比。

强度理论效应对岩土工程结构分析的影响

结合三个研究实例,对岩土工程结构分析中的强度理论效应做了分析介绍。从上述实例中可以看出,岩土工程结构分析需要对强度理论进行合理选用;否则,就有可能得出错误的结果。由于统一强度理论可以通过对其中的参数b取不同值来表达或近似表达现有的各种强度准则,并且从理论上界定了它们的上限和下限。因此,在岩土工程结构强度分析中,统一强度理论具有较好的应用前景。

三参数双τ^(2)强度理论及其应用

针对工程中岩石、混凝土等材料在复杂应力状态下的破坏问题,提出了一种新的三参数双τ^(2)强度理论,利用3种特殊应力状态给出了数学表达式。考虑到极限应力比受材料性质的影响,选取不同压拉比、剪拉比应力值,对比分析了岩石、混凝土在不同应力状态下的理论数据与试验数据。结果表明:在新强度理论下理论预测曲线与混凝土、岩石材料在常见4种应力状态下的受力破坏相吻合,能够保证脆性材料在工程应用上的适用性和安全性。

基于统一强度理论的地基极限承载力公式

现有的地基临塑荷载及极限承载力公式均以Mohr-Coulomb强度理论为基础建立的,没有考虑中间主应力的效应,其计算结果一般偏小,没有充分发挥土体强度潜能。基于统一强度理论考虑中间主应力的影响,以Terzaghi公式的假设与原理为基础,导出地基极限承载力公式的一般形式,太沙基地基极限承载力公式是其特例。由于考虑中间主应力的影响,计算的地基承载力比太沙基地基极限承载力要大,可发挥土体的强度潜能,得到一系列的解答。

广义非线性强度理论体系

广义非线性强度理论用一个表达式统一描述各种材料在π平面及子午面上的非线性强度特性,形成了一个全新的非线性强度理论系统,使非线性强度理论从适用于某一类特定材料的单一非线性强度理论发展到可以适用于众多不同材料的广义非线性强度理论,完善了强度理论体系。广义非线性强度理论包含了一系列现有的和可能有的单一非线性强度理论,如Mises准则、SMP准则等。利用土、岩石和混凝土强度试验结果验证了广义非线性强度理论适用于多种材料的优越性。

岩石广义非线性统一强度理论

广义Hoek-Brown强度准则广泛用于岩石工程,但其没有考虑中间主应力效应.为此,根据双剪模型和广义Hoek-Brown强度准则,建立了广义非线性统一强度理论.该理论的极限面覆盖了全部外凸区域,构成岩石材料在主应力空间的全部极限面,广义Hoek-Brown强度准则和岩石广义非线性双剪强度准则是其特例.广义非线性统一强度理论的内边界是广义Hoek-Brown强度准则,外边界是岩石广义非线性双剪强度准则,其间是一系列新的极限面.广义非线性统一强度理论可以将统一屈服准则、统一强度理论、岩石非线性统一强度理论联系在一起.

Mohr—Coulomb强度理论与岩土力学基础理论研究

Mohr-Coulomb强度理论是土木，水利等工程和岩土力学，应用力学和结构强度研究中应用最多，最广泛的一个强度理论，它从1900年建立，1955年首次给出它在n平面的极限面的正确形大，70年代表达为应力角的形式，1998年给出应力不变量表达式，90年代给出它的相应的力学模型，2000年发现它存在的另一个问题，即Mohr-Coumb强度理论在某些情况下，不能反映结构改变对极限承载力的影响，这些发展过程是令人感兴趣的，长达100多年的过程，也是令人深思的，但从人们的认识过程看，可能也是一种规律，岩土力学基础理论的研究可能也是如此。

岩石强度理论研究

岩石强度理论是研究岩石在各种应力状况下的强度准则的理论,它表征岩石在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系。由于强度理论在解决岩体工程实际问题的重要作用,所以,强度理论或强度准则是工程力学界的一个热门课题。数百年来,尽管提出了各式各样的岩石强度准则及其修正理论,但是,由于岩石材料力学性质的复杂性和非确定性,仍有许多问题没有很好地解决,各种观点之间的争鸣一直没有停止过。对于各种各样的强度理论,重要的不是公式的形式和计算,重要的是强度准则的基本思想和解决什么样的工程问题,即这个强度准则用于何处;如何应用强度准则更准确地解决工程实际问题。

岩土类材料的统一强度理论及其应用

岩土类材料的强度理论是土木、水利、铁道、矿业等工程中的一个重要的基本问题。以往各种强度理论一般只适用于某一类特定的材料。本文对材料强度理论不作任何假设（如外凸性等），直接根据材料单向拉伸和单向压缩强度极限（也可用岩土工程中常用的材料强度参数Ｃ＿０和φ），从一个统一的单元体模型出发，考虑所有应力分量以及它们对材料破坏的不同影响，建立一个能够适用于各类材料的统一强度理论和统一形式的数学表达式。它包含了现有各种主要强度理论和一些尚未表达过的新的强度理论。按统一强度理论表达式得出的两大族８种强度准则可以适用于各种岩土类材料，并可由此蜕化得出两族适用于金属材料的统一形式屈服准则。

第三与第四强度理论值差异的探讨

通过引入一个新的无量纲系数η,建立了第三强度理论相当应力与第四强度理论相当应力之间的相关函数φ(η),可以对两种理论值的差异进行定量分析。由于无量纲系数η的力学概念清晰,且无需建立复杂应力空间屈服面和Lode参数等概念,从而大大降低了两种理论值讨论的起点。其内容和结论可以直接引入到《材料力学》课程教学中,有益于初学者对理论值差异的理解。

正交八面体应力空间的强度理论综述

正交八面体和等倾八面体是广义八面体理论体系中的两个重要的特征单元体,由此产生的正交八面体理论、以及弹塑性理论中的等倾八面体理论,都是广义八面体理论体系中的重要组成部分;正交八面体理论则是基于Mohr-Coulom理论、弹塑性理论和双剪理论所提出的。由于正交八面体的对称性和任意一个面与其中一个直角坐标轴相平行的特点,以及与应力和应变Lode参数、静水应力与中间主应力、体积应变与中间主应变密切相关等特点,因此具有丰富内涵;并据此可建立多轴特征强度参数方程和任意加载方式下的多轴极限强度模型等新的理论模型,以及根据应力—应变关系可将一些空间问题转换为平面问题等。