基于Levy-Mises本构关系及D-P屈服准则的轴对称圆巷理想弹塑性解

如何判断巷道开挖后在无支护反力条件下的围岩弹塑性变形及围岩应力重新分布的力学行为一直是人们研究的重点问题。卡斯特纳方程(Kastner equation)的求解存在以下不足和缺陷:(1)对支护反力的力学处理存在缺陷,不具有工程实际意义;(2)塑性区应力求解,没有使用到假设的理想弹塑性材料的塑性本构关系;(3)塑性区应力求解,没有考虑沿巷道轴向方向的应力的影响。基于增量型本构关系即Levy-Mises关系及D-P屈服准则,对轴对称圆巷进行了理想弹塑性条件的求解。公式计算结果与卡斯特纳方程计算结果和数值模拟计算结果分别进行了对比分析。由于该求解弥补了卡斯特纳方程求解中忽略的3个问题,因此,其结果更具有理论意义和实践价值。

Drucker-Prager准则在拉剪区的修正

针对在岩石塑性力学领域广泛应用的Drucker-Prager准则(简称D-P准则)是一个压剪屈服准则,在拉剪受力状态下不适用的情况,提出在拉剪区修正D-P准则的2种可行性方案。第一种方案是在压剪区,仍采用D-P准则的锥面式,而在拉剪区及其邻近,采用一个球形屈服面代替原来的锥顶附近的锥面。第二种方案是使用一个双曲旋转面近似地代替D-P圆锥面。将这2种方法定义的新的修正的D-P准则简称为D-P-Y准则,它是一个三参数准则,不仅在压剪区符合三轴压缩实验结果,而且在拉剪区也可拟合抗拉强度的资料。同时,它还是一个在全区域处处光滑的正则函数,可以使用经典的正交法则和一致性条件建立本构关系,而不必做任何奇异点的处理,这给应用和编程都带来方便,具有广泛的应用前景。特别地,对于双曲型的D-P-Y准则,当相关参数取0时,可分别退化为D-P准则和Mises准则,因此,在编程中可只编入D-P-Y准则。

考虑D-P边界退化的冻风积土蠕变损伤规律研究

为研究季冻区冻风积土的蠕变变形规律及损伤演化规律,采用冻土GDS三轴测试分析系统开展了不同负温条件下三轴蠕变试验,分析了不同负温对冻风积土蠕变损伤特性的影响。根据典型蠕变曲线的三阶段特征提出了蠕变损伤时间阈值及屈服时间阈值确定方法。根据Kachanov对混凝土材料蠕变损伤的假设,对冻风积土的弹性模量及抗剪强度参数进行弱化,分析了不同负温条件下,不同蠕变损伤阶段冻风积土蠕变损伤规律。将西原模型中塑性元件改进成了具有损伤特征的非线性黏塑性体,并假设其服从于Drucker-Prager屈服准则,建立了冻风积土分阶段的蠕变损伤模型,将模型计算值与实测值进行比较,验证模型的合理性。研究结果表明:温度对冻风积土蠕变特征影响显著,温度低于-15℃时仅出现蠕变第I、II阶段,温度高于-10℃时会出现第III阶段,分阶段蠕变损伤模型可以较好地描述冻风积土在不同蠕变阶段损伤特征;屈服边界退化是导致冻风积土发生蠕变损伤的主要原因,发生蠕变损伤后会导致屈服边界不断缩小以及有效应力不断增加,塑性区的范围不断扩大,发生蠕变损伤后有效应力状态点会落在损伤后的屈服边界附近。

基于D-P准则的煤层钻孔封孔深度分析

为了确定合理的煤层钻孔封孔深度,提高瓦斯抽采效果,基于D-P屈服准则,提出关于中间主应力、煤岩剪膨胀的巷道开挖模型,推出钻孔周围煤体应力应变及钻孔封孔深度表达式。结合工程实例,以煤巷掘进工作面平均瓦斯抽采浓度和钻屑量为基础进行封孔深度的验证。研究结果表明:中间主应力、残余黏聚力、内摩擦角和剪胀角对于封孔深度有重要影响;在一定区间内,钻孔封孔深度随中间主应力的增大而增加,超过某个值后会随着中间主应力的增加而减小;剪胀角越大,扩容系数越大,钻孔封孔深度越大;平均瓦斯抽采浓度和钻屑量测试结果验证了封孔深度的准确性。

基于D-P屈服准则的富水岩溶隧道与导坑合理间距研究

运用弹性力学复变函数理论并考虑中间主应力的D-P屈服准则,建立迂回导坑和隧道正洞的力学计算模型;通过理论计算得出导坑与隧道正洞并行工况下的塑性区有效半径和贯穿半径,并与有限元模拟结果相结合,确定导坑合理的开挖半径及与隧道正洞的合理间距,并针对中老铁路玉磨段复杂岩溶隧道施工周期紧及难度大的难题,结合现场实际工况提出了通过开挖迂回导坑增加施工工作面的方案.结果表明:理论计算结果与有限元模拟结果吻合度较高,通过理论计算与有限元模拟相结合,确定的导坑开挖半径为3.5 m,与正洞间距为40 m;导坑与隧道正洞围岩位移实测数据均处于安全范围内,证明了迂回导坑施工方案的可靠性,能够为今后类似工程提供指导和借鉴.

莫尔-库仑准则向其它准则的等效变换

通过分析比较莫尔-库仑准则与广义米塞斯准则的表达式,得到了α、k的统一表达式,并依据π平面上等效圆的面积与莫尔-库仑屈服条件的面积相等,得到了等效圆的罗德角值,实现了莫尔-库仑屈服条件与广义米塞斯条件的统一,方便了编程计算。推倒了等效圆与不同D-P准则的函数关系,实现了莫尔-库仑准则与各种D-P准则的相互转换,使计算工作更加方便。

上部结构-筏基-地基共同作用子结构法FEM分析

应用子结构法理论,将上部结构刚度矩阵凝聚到筏板基础,同时将采用D-P模型的地基土体弹塑性刚度矩阵也凝聚到筏板基础上,建立了考虑上部结构、基础、地基共同作用的三维弹塑性有限元模型理论。利用此理论建立某工程框架结构裙楼-框架芯筒结构主楼-筏板基础-地基共同作用FEM模型,通过ANSYS程序对此模型进行数值模拟。结果表明,主楼结构的柱、梁应力在考虑共同作用比不考虑共同作用有增大趋势,群楼柱轴应力在考虑共同作用比不考虑共同作用小,而群楼梁弯应力却相反。并进一步分析得出考虑共同作用基础沉降差引起上部结构杆件应力重新分布,尤其是基础沉降差引起主楼的柱轴应力、梁弯应力的变化率大于群楼柱轴应力、梁弯应力的变化率的结论,该结论对以后工程设计有重要参考价值。

Biaxial tensile behavior and yield loci of dual-phase steel sheets

The biaxial tensile tests were carried out to investigate the deformation behavior and yield loci of dual-phase （DP） steel sheets under biaxial tensile conditions. The true stress-true strain curves of DP steel sheets for different loading ratios were obtained, and the experimental yield loci were determined based on the equivalent plastic work principle. The experimental yield loci were compared to the theoretical yield loci based on Hi1148, Hi1190, Hi1193, Hosford, Barlat89, Yld2000-2d and Gotoh yield criteria. It is found that Yld2000-2d yield criterion can describe the general trends of experimental yield loci of DP steel sheets with comparably higher accuracy. Hosford criterion has the maximum error for DP590, whereas Hi1148 and Barlat89 have the maximum errors for DP780 and DP980.

考虑双剪中主应力影响系数的D-P系列屈服准则研究

双剪统一强度理论考虑了中间主应力的影响,但其屈服面不光滑,不利于数值分析。为了解决Mohr-Coulomb屈服面奇异性问题,已有研究推导得到与Mohr-Coulomb有特殊位置关系的一系列D-P屈服准则。为了解决双剪统一强度理论角点奇异性问题,参考传统的D-P系列屈服准则的推导过程,推导得到了考虑中间主应力影响系数b的D-P系列屈服准则。根据双剪统一强度理论得到的π平面极限线有12个,它们在π平面上两两相交组成了关于3个主应力轴对称的十二边形,与这些极限线有特殊关系的圆有6个,这些圆在空间中是与双剪统一强度理论屈服面有特殊位置关系的圆锥,根据理论分析和数学推导分别得到6个圆锥面的屈服函数表达式,分别为DDP1,DDP2,DDP3,DDP4,DDP5和DDP6。利用经典的强度折减法,分别计算了匀质边坡和非匀质边坡在考虑b时的D-P屈服准则下边坡稳定性系数,结果表明考虑b的D-P系列屈服准则可以适用于边坡稳定性分析,与传统的D-P系列屈服准则相比,能够充分发挥材料的强度潜力。

推求拱坝极限承载力的一种有效算法

针对岩土材料常用的Drucker Prager准则 ,提出了一种新的增量分析方法 ,不用形成弹塑性增量矩阵 ,直接导出符合正交流动法则的转移应力的解析解。当应变增量较大时采用子增量法 ,构造了弹塑性本构关系积分的近似解析解。该增量分析方法无论是对小步长还是大步长加载均有良好的收敛性。当采用精细的步长划分时 ,它就是严格意义上的理想弹塑性增量计算。在大步长情况下 ,在收敛域内最大载荷低于结构真实的极限承载力 ;对应的应力场是一个静力容许应力场 ;同时由于正交流动法则在平均意义下得到满足 ,收敛域内最大载荷接近结构真实的极限承载力。按此法所得结果接近真解且偏于安全。将整个计算模型装入三维非线性有限元程序TFINE中 。

强度储备安全系数不同定义对稳定系数的影响

在极限平衡的双安全系数分析中,安全系数有ct、anφ的安全储备(定义1)和岩土参数α、k的安全储备(定义2)2种定义,分析了在应用有限元强度双折减系数法计算边(滑)坡安全系数时,强度储备的不同定义对计算结果的影响。2种安全系数定义得到的安全系数是不一样的,但是,强度参数c,tanφ按一定比例折减的同时,岩土参数α,k同时也在按相同的比例进行折减。Drucker-Prager准则与参数α和k的选取直接相关,若采用外接D-P准则,对于各种土体定义1和定义2得到的边(滑)坡的安全系数比较接近;若采用平面应变匹配D-P准则及等面积圆D-P准则,对于结构性黏土,定义2得到的安全系数略小于定义1,但对于滑体和滑带土为很粗的碎石土时,定义2得到的安全系数与定义1得到的安全系数要小得多。

下穿隧道围岩蠕变对地下人防工程底板受力及变形影响研究

随着城市地铁建设进程加快,地铁隧道下穿人防工程时有发生,隧道和人防工程之间的相互影响成为目前迫切需要解决的问题。由于岩土体具有蠕变特性,研究其蠕变条件下的长期稳定性成为研究热点。采用D-P屈服准则耦合时间硬化率蠕变模型的有限元软件,研究了隧道不同埋深和直径以及穿越地下人防工程时围岩蠕变变形以及人防工程底板弯矩变化规律,弥补了弹塑性分析的不足。人防工程的存在减小隧道拱顶下沉;隧道衬砌减小隧道沉降以及人防工程底板弯矩。隧道埋深越大,隧道与人防工程底板净距值越大,人防工程底板弯矩越小;隧道直径越大,人防工程底板弯矩越大。一定埋深情况下,配筋率越大,最大允许隧道直径越大。埋深15～30 m,直径10～14 m时,隧道拱顶下沉随隧道埋深或直径增大而增大,增幅约为埋深或直径每增大1 m,沉降增加约0.018 m。不同隧道埋深或直径下,隧道拱顶下沉与人防工程底板弯矩呈线性关系。

关于岩土材料塑性屈服准则中材料参数取值条件的研究

计算推导出Drucker-Prager(简称D-P)屈服准则与Mohr-Coulomb(简称C-M)屈服准则5种不同拟合条件下,5个屈服圆面积的大小关系;并采用5种屈服准则计算得出瀑布沟尾水隧洞出口天然边坡破坏发育状况,其破坏发育程度与C-M不等角六边形屈服面内角边长与外角边长比值i介于33/(2π)～1.0之间时,5个屈服圆面积的大小关系较为吻合,且i值更接近33/(2π).

基于初始孔隙率的千枚岩损伤模型分析

千枚岩由于成岩历史及赋存环境不同,内部的初始孔隙率不同,力学性质也相差很大。因此,在研究千枚岩的力学性质时,考虑初始孔隙率是非常有必要的。基于岩石的应变强度理论和Drucker-Prager(D-P)屈服准则,考虑了初始孔隙率对力学性质的影响,结合千枚岩的应力应变曲线,建立了基于初始孔隙率的千枚岩损伤模型。并通过对千枚岩岩样进行核磁共振试验和单轴压缩试验进行了验证。结果表明:建立的损伤模型能够较为准确的描述不同初始孔隙率条件下千枚岩的应力应变关系。本文模型对于千枚岩的损伤软化问题以及千枚岩力学性质的研究具有重要意义。

有限元强度折减法在边坡稳定性分析中的应用

借助ANSYS分析软件,基于Drucker-Prager(D-P)屈服准则,采用力和位移的收敛标准作为破坏判据,进行了边坡稳定性分析,分析结果表明与传统方法相比,有限元强度折减法能更真实地反映边坡的状态,求得的折减系数更接近于实际情况,在边坡稳定性分析中具有一定的优势。

有限元超载法在拱坝整体安全分析中的应用

拱坝等水工混凝土结构体积庞大结构复杂,确保其安全稳定意义重大。针对拱坝整体安全分析问题,采用D-P屈服准则并利用超载法进行弹塑性有限元计算,根据特征点位移突变判据研究拱坝的整体健康状态。以某高拱坝为例进行有限元计算分析,计算结果表明其安全系数K应在5～5.5之间,并证明了有限元超载法在拱坝整体安全分析中的可行性。