基于Drucker-Prager屈服准则及加卸载判据的圆形隧道围岩-支护作用机制探讨

隧道围岩-支护相互作用机制是隧道力学中的基础理论,为了准确描述围岩与支护结构对隧道应力变形的影响,假定围岩本构模型为理想弹塑性模型,采用适用于岩土材料的Drucker-Prager屈服准则,考虑加卸载判据,证明了圆形隧道的开挖过程是一个加载过程,支护过程是卸载过程。通过大型有限元仿真软件Abaqus计算了平面应变情况下圆形隧道开挖与支护过程的弹塑性解。数值分析结果与理论公式结果相吻合,表明开挖的过程是解除内压、增大压差的加载过程,支护过程为施加内压、减小压差的卸载过程。支护后的围岩应力增量和位移增量符合弹性规律,且支护过后的应力等于开挖后的应力减去弹性应力。支护过程的卸载效应使得开挖过程产生的塑性区变成了残余变形区。研究结果可为工程应用提供参考。

塑钢纤维喷射混凝土力学性能及现场试验

喷射混凝土广泛应用于隧道工程围岩支护中,是一种有效的初期支护手段。普通喷射混凝土为脆性材料,抗弯拉强度低,在软弱围岩或破碎岩体支护中,喷层易开裂,严重威胁施工安全。为了提高喷射混凝土的支护能力,添加塑钢纤维,增强喷射混凝土韧性。依据纤维力学增强机理,研究不同掺量塑钢纤维对喷射混凝土的抗压、劈裂抗拉和抗弯强度的影响;并开展现场喷射试验,对隧道周边收敛进行监测与分析。结果表明,塑钢纤维存在有最佳掺量,塑钢纤维喷射混凝土具有良好的抗压、抗拉和抗弯能力;在围岩支护中,起到让压卸载作用,喷层中应力分布较均匀,减少喷层开裂,适用于破碎或变形较大的围岩支护中,具有良好的推广应用价值。

冻结黏土卸载状态下双屈服面流变本构关系研究

卸载状态下冻土三轴蠕变试验结果表明,冻土具有明显的剪胀性,且体积应变不能忽略。为了全面反映冻土在卸载状态下的蠕变变形规律,以简单的黏弹塑模型为基本流变元件,提出了冻土服从椭圆-DP双屈服面流变本构力学模型。通过有限元程序的二次开发,将该模型嵌入到ADINA有限元程序中。对冻土三轴蠕变试验过程进行了数值模拟表明,椭圆-DP型双屈服面本构力学模型能够较好地反映冻土的剪胀性和体积应变等变形性质,数值模拟和试验结果吻合良好,可为冻土工程数值计算提供参考。

弹塑性结构动力系统的时变刚度激励效应分析

从理论上探讨弹塑性结构动力系统局部屈服卸载作用的力学机理,并提出其计算方法。引用运动模态空间分析指出:弹塑性结构动力系统运动中存在一个与时变刚度激励相对应的科氏加速度分量,其激励效应即为弹塑性结构动力系统的屈服卸载效应;基于计算时间步长内结构动力系统刚度定常化的时程分析方法,文中建立一个动态的补充能量方程,描述弹塑性结构动力系统在各个计算步内因系统割线刚度矩阵变化引起的系统能量分布变化,从而导出弹塑性结构动力系统的时变刚度激励效应计算方法和公式。该方法计算简单,计算过程的物理意义清楚,计算稳定性和可靠性好。

不同应力路径下卸围压流变试验分析及模型辨识

以大岗山水电站坝基的辉绿岩为研究对象,进行σ1恒定卸围压和σ1-σ3恒定卸围压流变试验,分析2种不同应力路径下辉绿岩的流变变形特征。引入屈服接近度指标来评价卸围压流变过程中不同三向应力状态下岩样临近屈服破坏的程度,并以此作为试验曲线中等速蠕变和加速蠕变的区分标准。最后对Burgers模型进行参数变异处理。研究结果表明:在2种方式下和在卸围压过程中,岩样的横向变形都表现为侧向膨胀,但轴向变形规律并不相同:σ1恒定时轴向变形一直轴向压缩,而σ1-σ3恒定时先是有微小增大再逐渐转变为轴向压缩。这说明随着围压的不断卸载,岩体变形逐渐由弹性向塑性转变并最终破裂,线弹性理论已不再适用。加速蠕变阶段的串联黏滞系数出现了非线性变化,以此来描述加速蠕变。参数变异的Burgers模型可以描述岩体的减速、等速和加速蠕变阶段,拟合结果与试验结果吻合较好。

修正的L-D准则在卸荷岩体力学中的应用

通过卸荷模拟试验数据,考虑了不同抗拉强度下的岩石卸荷受拉破坏,求出了修正L-D准则(Lade双屈服面屈服准则)的各项参数,并与Lade所统计的试验资料数据进行了比较,结果较为吻合.

房山大理岩本构性质的实验研究

本文介绍了作者们在常规三轴试验机上对房山大理岩试件做的循环载荷试验以及主要的实验结果。在弹塑性理论的框架内对实验数据和资料进行了整理,得到了屈服函数和硬化规律的具体表达式,验证了弹塑性理沦的模型能足够精确地反映大理岩材料的力学性质。

基于修正莫尔-库仑准则的围岩瞬态卸荷塑性变形分析

将卸荷视为动态过程,采用包含拉伸截断和帽盖模型的修正莫尔-库仑准则,对不同开挖形状和应力状态条件下围岩瞬态卸荷塑性区进行了分析.研究结果表明:瞬态卸荷可导致自由面附近产生塑性变形,造成围岩损伤弱化甚至破坏;拉伸应力是造成围岩动态卸荷破坏的重要因素;塑性变形随着埋深的增加而增大;最大压应力方向易于产生塑性变形,以拉伸变形为主,当初始应力满足一定条件时,最小压应力方向将产生严重压剪塑性变形;从卸荷的角度考虑,巷道断面曲率较大为宜,尽量避免直线形边界.

加载卸载对人工冻结土强度与变形的影响

加载卸载两种应力路径下冻土应力 -应变曲线均呈双曲线型 ,但其变形过程明显不同。减载应力路径下的屈服强度明显小于增载应力路径下的 ,且随着围压的增大 ,其差异愈来愈大 ,但其破坏变形却基本无大的差异。冻土的屈服强度和破坏变形均随温度的降低而增加 ,但加载下的强度值和破坏变形明显大于减载下的 ,并随着温度的降低 ,这种差值愈来愈大。

广义塑性力学的加卸载准则与土的本构模型──广义塑性力学讲座(3)

首先介绍了广义塑性力学的加卸载准则，该准则能准确判断各应变分量的加卸载状态，可以方便地应用于数值分析。然后提出了基于广义塑性力学的土本构模型。通过试验，给出了硬化压缩土和硬化剪胀土的屈服条件与计算参数，并由算例说明了其合理性。

无黏性土中钻孔径向卸荷收缩理论解

在钻孔灌注桩成孔过程中会引起钻孔周边土体径向应力卸载和钻孔收缩变形,为此,基于SMP屈服准则和非相关联流动法则,推导在无黏性土中竖向钻孔径向卸荷孔周应力场位移场解析解,并结合Berezantsev和夹心墙两种土压力公式,得出孔周孔壁位移沿钻孔深度方向的变化曲线,并与忽略塑性区弹性变形的结果进行对比.参数分析的结果表明,卸荷因子n和钻孔半径a 0及内摩擦角?对孔壁位移均有明显影响,其中n和?的影响存在着临界点,n和?小于该值,孔壁位移则显著增大;而剪胀角ψ的影响有限,可忽略不计.卸荷因子n是一个只与内摩擦角?有关的函数;而r p/a是一个只与?、n有关的定值,与深度方向无关,故无黏性土中竖向钻孔的自立深度为0.忽略塑性区弹性变形的柱孔收缩位移解相对偏小,而塑性区半径解相对偏大,故忽略塑性区弹性变形的解答在工程应用中不保守.另外,选取不同土压力沿深度方向的孔壁位移值存在较大差别,在竖向钻孔时的土压力选取还需与现场实测相结合.

单一试样确定大理岩和砂岩强度参数的方法

确定岩石的强度参数是室内试验的主要工作之一,但有时试样数量偏少,或离散性较大时会出现围压增大、三轴强度降低的现象,难以确定内摩擦角等参数。基于伺服试验机加载过程的实时控制,对大理岩和砂岩分别提出单一岩样确定强度参数的方法。大理岩在围压较高时具有明显的屈服平台,通过对同一试样逐级提高围压的加载方法,就可以得到不同围压下试样的强度,据此可以回归Coulomb强度曲线。而砂岩在高围压下轴向压缩破坏之后,保持试样轴向压缩变形恒定降低围压,其轴向承载能力随围压下降而线性降低,比例系数与围压对峰值强度的影响系数大致相同,利用岩样的三轴强度和该比例系数就可以确定Coulomb强度曲线。

胶凝砂砾石料弹塑性本构模型研究

为了建立合理的胶凝砂砾石料弹塑性本构模型,对胶凝掺量60 kg/m3的胶凝砂砾石料进行了三轴剪切排水与加卸载试验研究,结果可描述不同围压下的胶凝砂砾石料的应力–应变特性。基于试验数据及一些专家的研究,确定模型的弹性部分,提出了胶凝砂砾石料的剪切屈服与体积屈服方程,引入广义塑性理论,建立了适用于胶凝砂砾石料的弹塑性本构模型。模型共有9个参数,参数较少且确定简单。利用三轴剪切排水试验数据验证该模型计算结果,表明其能够较准确地反映胶凝砂砾石料应力应变关系。

基于割线模量峰值确定EPS混凝土的屈服极限

弹性极限或屈服极限是材料受力后产生不可逆变形的临界值,但脆性材料的弹性应变较小,直接通过应力-应变曲线确定以上临界值存在困难。本研究基于EPS混凝土的单轴抗压强度试验,将应力和应变值进行了组合,绘制了割线模量-应变全过程曲线,分析了割线模量峰值与EPS混凝土弹塑性变形之间的关系,结果表明:(1)随着应力的增大,割线模量先增大后减小,存在明显的峰值,其物理力学机理是峰前弹性压缩变形提高了密实度,而峰后塑性变形降低了整体性,整体性下降后割线模量随之下降;(2)干密度在200～1 000kg/m^3之间时,割线模量峰值处的应变大约在0.5%～2.0%之间;(3)EPS混凝土的比例极限、弹性极限和屈服极限较为接近,严格区分3个变形指标较为困难,结合不同应变阶段的卸载试验,用割线模量峰值来确定其屈服极限具有工程应用价值。

黏性土卸载屈服特性试验研究

通过扰动的粉质黏土室内固结排水卸载剪切试验,分别得到真三轴和普通三轴侧向卸载条件下的应力-应变曲线。对这些曲线分析可知,它们表现为应变硬化和非线性,其初始阶段呈直线状,很快转变为曲线;真三轴试验(轴向应力σ1为常量、减围压σ3、保持应变ε2=0)相比普通三轴试验(σ1为常量、减σ3,且中主应力σ2=σ3),真三轴试验屈服发生在应力差(σ1-σ3)值较高、轴向应变值ε1较小处;将试验取得的各屈服点进行整理分析,认为这种土在卸载条件下的屈服表现较适宜于Matsuo-Nakai屈服强度准则。

软岩屈服面流变本构模型及围岩稳定性分析

用先高围压固结再卸载的三轴剪切蠕变试验方法模拟深部矿井软岩巷道开挖过程中应力状态随时间的变化过程,通过大量的试验获得:在试验围压范围内软岩蠕变强度包络线可以用Mogi-Coulomb准则来描述;侧向卸荷条件下软岩具有十分明显的剪胀性,且体积应变占总应变的10%～20%。为了全面反映极软岩在卸载状态下的蠕变变形规律,提出了考虑体积变形的Mogi-Coulomb屈服面型流变本构力学模型。对淮南某深部矿井软岩三轴蠕变试验和巷道开挖支护过程进行了有限元数值模拟,结果表明:提出的蠕变本构模型能够较好地反映软岩的剪胀性和体积应变等蠕变变形规律,数值模拟结果和现场实测吻合良好。

软岩巷道围岩卸荷破坏力学模型及影响因素分析

为了研究深部软岩巷道开挖卸荷作用下的力学响应量及大变形失稳机理,基于统一强度准则和岩石三线段力学模型,建立了巷道围岩开挖卸荷力学模型,依据巷道开挖后围岩次生切向应力、等效剪应力分布特征,将围岩力学结构划分为浅承载圈、深承载圈、自稳承载圈、主承载圈和关键承载圈,通过理论分析,求解得到软岩巷道开挖后次生应力场、位移场以及软化区与破碎区范围解析解,结合某软岩工程相关力学参数,分析了巷道开挖卸压作用下围岩屈服应力,围岩破裂区、软化区影响范围以及围岩承载结构的影响因素。研究表明:围岩屈服应力随着初始黏聚力和内摩擦角的减小以及掘进速度的增大而减小,围岩越容易达到屈服发生破坏;围岩软化区范围与围岩初始力学参数相关,初始黏聚力越大的围岩,围岩软化区范围减小;破碎区范围随着黏聚力软化模量、剪胀角、掘进速度以及支护结构间排距等的增加而增大;主承载圈和关键承载圈的范围、径向应力和轴向应力的峰值随着围岩软化程度的增加而增大,且向巷道深部转移。

金属材料割线模量峰值与其弹性极限的相关性

为了快速确定金属材料单轴应力状态下的弹性极限或屈服应力,对高碳钢与低碳钢进行了拉伸和压缩试验,绘制了割线模量-应变曲线,分析了割线模量峰值与弹塑性变形的相关性.结果表明,在应力-应变全过程中割线模量存在明显峰值,且达到峰值后呈现衰减特征.峰值所在的位置与其弹性极限具有较为稳定的对应关系,因而通过确定该峰值所在位置可以间接确定弹性极限.割线模量峰值与弹性极限均可能受到加载速度、边界条件或应力状态等因素的影响,还可能存在尺寸或形状效应.

铍材微屈服强度测试方法

介绍了一种特殊材料——铍的特点,重点介绍了铍材微屈服强度测试用的仪器设备、试验方法及步骤,列举了试验结果并作出了结论.

自卸式散货船强度评估与加强方案研究

本文以68 000 t非CSR自卸式散货船为研究对象,对其首、尾货舱及C-Loop局部结构的屈服和屈曲强度进行分析评估,在此基础上提出加强方案。本文中的分析流程、加强方案和相关结论对同类船舶有一定的参考意义。