广义破裂活动准则

岩石破裂及其后续活动是最基本的构造变形方式,然而,经典的破裂准则(Coulomb-Mohr准则、Griffith准则和以Byerlee律为代表的滑动摩擦律)在实际应用中存在不同方面的局限。文章在经典破裂准则的基础上,从产生破裂(扩张破裂和剪切破裂)的物理本质出发,结合广义剪切活动准则和长期的研究实践,通过理论分析,提出了“广义破裂活动准则”。该准则用统一的无量纲因子(破裂活动趋势因子)来表达扩张破裂活动和剪切破裂活动,可以用来定量判断任意介质、在任意三轴应力状态下、任意方位界面(包括先存薄弱面和非薄弱面)发生破裂活动的可能性以及破裂的类型,把Coulomb-Mohr准则、Byerlee律和Griffith准则统一起来,将破裂(fracturing)扩展到破裂活动(fracturing activity)。该准则在与破裂活动相关的资源勘探开发(如页岩气、干热岩等)、灾害(如地震与滑坡等)预测和防治中具有广阔的应用前景。

基于修正Griffith准则的岩石循环加卸载本构研究

为探究地下工程中岩石在周期荷载作用下的破坏过程,对砂岩进行了多组分等级单轴循环加卸载试验。在假设岩石的微元强度服从修正Griffith准则和微元破坏服从Weibull概率分布的基础上,引入岩石损伤理论,建立了单轴及三轴砂岩损伤本构模型。通过本构模型与试验数据拟合对比,结果表明:拟合效果均在0.99以上,即两者存在较高的相似度,故该模型将能够表述地下工程中岩石在周期荷载作用下的破坏过程,并具有一定的合理性及有效性。另外,对本构模型进行合理修正,得出修正表达式,为研究岩石加卸载破坏过程提供了新的思路。

间冷循环燃气轮机相似准则及性能修正方法

为准确预测不同环境条件下间冷循环燃气轮机的性能,提出了一种基于相似理论的燃气轮机性能修正方法。基于白金汉定理推导了间冷循环燃气轮机相似准则,给出了海水流量、一次水流量和海水温度对应的相似准则数;针对间冷循环燃气轮机相似准则建立过程中因假设带来的误差问题,采用指数修正的方法提高相似准则数精度;分析了实际间冷循环燃气轮机运行不相似对性能参数的影响;在此基础上,构建了间冷循环燃气轮机性能修正预测公式,并分别采用小偏差方法和拟合方法获得修正公式中的系数项。结果表明:所提出的相似准则数具有较高的计算精度,其中热效率计算最大误差不超过1%,动力涡轮出口温度计算最大误差不超过0.3%;基于拟合的性能修正方法可将不同环境条件、不同工况下的间冷循环燃气轮机性能计算误差修正到1%以内,具有较好的性能评估能力,可满足间冷燃气轮机性能评估需求,对间冷燃气轮机的研制和试验工作具有重要意义。

基于修正拟动力法的岩质边坡三维稳定性分析方法及应用

岩质边坡的抗震设计是岩土工程的重要课题,其稳定性直接关系到工程安全和社会经济效益。由于岩石的非线性强度特性,岩质边坡的破坏形式和机理与土质边坡有很大的不同,需要采用不同的分析方法和设计原则。此外,地震作用是导致岩质边坡破坏的主要因素之一,其对岩质边坡的稳定性有着显著的影响。为更好地确定基于Hoek-Brown强度准则下的岩质边坡抗震设计方法,在极限分析法上限定理的框架下,基于离散化技术构建了一种更加符合实际岩石边坡失稳破坏机制的三维对数螺旋破坏预测模型。通过广义切线技术将Hoek-Brown准则的参数转化为容易计算的Mohr-Coulomb准则参数再将其嵌入到预测模型中,提出一种更加准确的岩质边坡地震稳定性分析模型。该模型可以考虑岩石的非线性强度特性,并通过修正拟动力法引入地震加速度和阻尼比参数,提高了地震作用力的预测精度。然后,将重力增加法和多元宇宙优化算法相结合,获得一种边坡临界安全系数的确定方法,实现了岩质边坡在地震作用下的三维稳定性评估。与现有研究成果对比和工程案例应用表明,此方法可以较为准确地评估岩质边坡的地震稳定性,同时也能够反映岩质边坡的失稳破坏形态和范围,在岩质边坡地震稳定性分析中具有较好的有效性和可靠性。研究成果为进一步优化岩石边坡的抗震设计方法提供了新的思路和参考。

二元逻辑回归模型中的修正Liu估计

在二元逻辑回归模型中,基于修正岭型估计和Liu估计的思想,提出了一类新的有偏估计作为极大似然估计的替代估计,以期克服多重共线性的影响。在均方误差矩阵意义下,探讨得到了修正Liu估计优于Liu估计、修正岭型估计、极大似然估计等的条件,通过数值模拟和实证分析对部分理论结果在均方误差准则下进行了验证。结果表明,在一定条件下,当模型存在多重共线性时,修正Liu估计优于Liu估计、修正岭型估计以及极大似然估计。

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。

基于岩体爆破累积损伤效应的Hoek-Brown准则修正公式

爆破开挖作业引起的扰动与损伤,特别是频繁爆破产生的累积损伤效应,必然导致岩体完整性降低,岩体力学参数弱化,从而威胁岩体工程稳定性。考虑岩体爆破损伤及其累积效应,指出了Hoek-Brown(赫克-布朗)准则及其改进公式的不足,引入完整性系数K v和损伤因子D,建立了可以表征岩体爆破累积损伤效应、岩体爆破扰动状态及其力学参数弱化程度的mb和s的取值方法。基于声速变化与爆破累积损伤效应之间的联系,建立了以岩体声速降低率η为基准量的岩体爆破累积损伤扩展模型,并将该模型成功应用于提出的Hoek-Brown准则修正公式中。根据现场模拟爆破试验与声波测试数据,对提出的修正公式进行了分析,结果表明,建立的考虑岩体爆破累积损伤效应的Hoek-Brown准则修正公式是合理的。

三轴条件下改进的Hoek-Brown准则的修正

改进的Hoek-Brown准则可以降低高围压下HB准则过高预测岩石三轴强度的偏差值。然而,该准则在实际应用中仍然存在局限:通过应用大量岩石三轴试验数据验证了该准则中岩石临界状态围压等于单轴抗压强度这个观点并不具有普适性,并得出该准则在围压高于岩石单轴抗压强度时对其预测的三轴强度与试验强度存在较大的偏差,而且该偏差随着围压的增大而增加。为克服改进的HB准则这个应用局限,通过应用岩石临界状态及岩石临界状态系数对该准则进行修正,提出了I-HB准则。应用大量岩石三轴试验数据对I-HB准则的适用性进行验证,结果显示该准则有效地解决了改进的HB准则的应用局限,并且该准则预测的岩石三轴强度与岩石试验强度更一致,证明I-HB准则优越于改进的HB准则。另外,通过与目前岩石力学界认为较好的指数型准则的比较,验证了I-HB准则对岩石三轴强度的预测具有更高的精度。

Hoek-Brown破坏准则求解圆形硐室塑性区半径与修正的芬纳公式比较

目的为定量确定围岩塑性区半径和给支护锚杆的深度设计提供科学依据.方法以Hoek-Brown破坏准则为极限平衡条件，推求侧压力系数为1.0时圆形硐室理想弹塑性围岩的弹塑性应力和塑性区半径，运用Mohr-Coulomb准则直线拟合Hoek-Brown准则曲线和面积差补方法，求取等效的岩体Mohr-Coulomb强度参数后，建立相对塑性区半径随支护力和地质强度指标变化的二元非线性回归数学模型，并与源自于Mohr-Coulomb强度准则为屈服条件的修正的芬纳公式进行比较研究.结果支护力每增加1.0 MPa，就可确保地质强度指标降低10-20的岩体中不会出现塑性区.在支护力较小和岩体质量较差情况下，采用Hoek-Brown破坏准则推导得出的塑性区半径和修正的芬纳公式计算得出的塑性区半径差别稍大.相对塑性区半径与地质强度指标都呈负乘幂函数关系，随着支护力的增大，塑性区半径随着岩体质量等级的升高而下降的趋势逐渐变缓.建立的相对塑性区半径随地质强度指标和支护力变化的二元非线性回归数学模型简明，使支护力连续变化，提高了工程实用性.结论在岩体质量较差情况下，锚杆深度取1.8-3.0倍硐半径为宜.

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。

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。

基于统计损伤理论的德鲁克-普拉格岩石强度准则的修正

德鲁克-普拉格强度准则是目前岩石力学中广泛应用的岩石强度准则之一,其计算结果较为保守,与实际存在差距,为此本文深入探讨了其修正方法。研究方法是在前人岩石损伤软化统计本构模型研究的基础上,通过探讨不同围压条件下模型参数与围压的关系,对模型进行修正,然后,根据岩石屈服或破坏的概念,利用岩石变形软化全曲线的极值特性,采用多元函数求极值的方法建立岩石强度理论,从而对德鲁克-普拉格岩石强度准则进行修正。修正后的德鲁克-普拉格准则能反映体积应力、剪应力、中间主应力和最小主应力对岩石强度的影响,同时还可以反映岩石强度莫尔包络线的曲线特征,它与试验结果吻合良好。工程实例计算表明,该强度准则能更好地反映工程实际。

基于模型修正理论和频响函数模式置信准则的简支梁损伤动力评估方法

提出了一种基于频响函数模式置信准则的改进模型修正方法,用以识别各部位的损伤指数,从而对简支梁的损伤进行定量评估。加工制作了4片模型简支钢梁,用切割截面的方式模拟了损伤,进行了动力测试,并利用所提方法进行了损伤识别。简支钢梁数值模拟和模型试验结果表明:利用相邻测点间频响函数模式置信准则指数构造目标函数时,可有效增加识别变量的个数;第1阶频率和第2阶频率之间的区段内频响函数对损伤灵敏度较高,可用SAC指数计算和简支梁损伤识别;所提损伤评估方法对测试系统误差和噪声不敏感,可实现对多个位置损伤的同步定位和定量识别;在传感器数量有限的情况下,采用分步识别法可以实现对损伤位置的逐步接近和损伤程度的精细化识别。

修正Hoek-Brown强度准则在钻孔稳定性分析中的应用

钻孔稳定性分析是深部钻探工程的重要科学问题之一,选择合理的强度准则有助于提高钻孔稳定性预测的准确性,可有效地减少钻孔崩落事件的发生。由于广泛使用的Hoek-Brown准则忽略了中间主应力的影响,应用时无法充分发挥岩石强度潜能。引入一种有效克服诸多经典强度准则的奇异性与非外凸性缺陷的修正Hoek-Brown强度准则,将其应用于水平、垂直和倾斜钻孔稳定性分析中的最小泥浆压力计算,同时与Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、Hoek-Brown、3D Hoek-Brown、Mogi-Coulomb和修正Lade准则等经典强度准则预测值进行对比。研究结果表明,修正Hoek-Brown准则与修正Lade、Mogi-Coulomb和3DHoek-Brown准则的预测结果相近,且修正Hoek-Brown预测值与实际工程所用泥浆的相对误差分别为2.1%和0.76%,证明修正Hoek-Brown准则应用于钻孔稳定性分析的适用性与准确性;最小泥浆压力随钻孔深度增加呈线性递增,且受钻孔方位角和倾斜角的影响;Mohr-Coulomb与Hoek-Brown准则所预测的最小泥浆压力值最大,增加了实际工程泥浆的用量,Drucker-Prager准则所预测的最小泥浆压力最小,但给出的预测结果偏于危险,易发生钻孔失稳;基于修正Hoek-Brown准则可得到理论上最佳的钻孔位置(即所需最小泥浆压力值达到最小),为钻井工程师进行钻孔位置优化提供有益参考。

基于断裂力学的层状岩石Hoek-Brown准则修正模型研究

本文基于各向同性Hoek-Brown强度准则的断裂力学理论,从层状岩石细观断裂机理出发,分析初始微裂纹沿层理分叉后起裂条件,考虑初始裂纹引发岩石破裂的临界角,建立层理弱面主导裂纹偏转的参数m_(1)各向异性公式,引入考虑岩石沿层理和基质混合破裂修正系数,得到Hoek-Brown强度准则的各向异性修正模型。对比其他各向异性Hoek-Brown模型以及页岩三轴试验结果证明了模型的有效性。修正模型继承了各向同性Hoek-Brown强度准则的断裂力学理论对于岩石破坏特征量的选择,反映了岩石的细观破坏机理,同时考虑层理各向异性的影响,准则中的相关参数物理意义明确。模型中参数m与层理面角度、层理及岩石的抗拉强度、抗压强度、摩擦系数有关,其中层理面摩擦系数的变化会引起参数m极小值点位置及岩石强度特性发生改变。

修正Drucker-Prager准则在砖砌体结构抗震分析中的应用

为进一步研究砖砌体结构的抗地震倒塌性能,针对其抗震计算分析方法,梳理并总结常用的宏观计算模型,明确等效框架模型和三弹簧单元模型均能用于非线性动力时程分析,且在结合砖墙的恢复力模型后能获得不同区域构件的破坏情况及宏观响应,并指出后者具备更好的适用性。在此基础上,介绍砖砌体材料的二维破坏准则,并提出采用修正Drucker-Prager准则对其进行模拟以获得砖墙构件的滞回曲线,进而实现快速构建砖墙的恢复力模型。分别将5个砖墙试件在低周往复荷载作用下得到的实测滞回曲线与计算值相比较,结果吻合程度均较好,从而验证上述方法的有效性。

考虑原状土初始应力状态的修正SMP屈服准则

原状土与重塑土力学性质方面的差异性,来源于两者初始应力状态的不同及由此引起的结构性差异。重塑土的屈服曲面以等倾线为基线,原状土由于在形成过程中处于三向不等压状态,故其屈服曲面应以K0固结线(初始应力线)为基线。基于松冈-中井的空间滑动面屈服准则,在考虑初始K0固结状态的基础上给出了适用于原状土的修正SMP屈服准则。修正SMP屈服面由常规SMP屈服面绕位于σ2Oσ3平面上的直线σ2=-σ3旋转得到,旋转的角度等于等倾线与K0固结线之间的夹角。与在子午面和π平面上研究重塑土的屈服行为类似,研究原状土的屈服应该在通过K0固结线的子午面和通过σ1+K0σ2+K0σ3=c的χ平面上进行。针对砂雨法试样的真三轴实验结果计算表明,与常规SMP屈服准则相比,基于K0固结线的修正SMP屈服准则更适合描述自然沉积土的强度和屈服特征。

基于修正Drucker-Prager准则的岩石次加载面模型

为模拟岩石在循环加、卸载作用下的变形特性,结合Drucker-Prager(简称D-P)屈服准则与次加载面理论,建立了能考虑岩石材料实际抗拉强度和应力角效应的循环加、卸载模型。首先考虑岩石在三轴压缩和在三轴拉伸状态下不同的强度特性,在传统的D-P屈服准则中引入角隅模型,并借鉴殷有泉提出的D-P-Y准则,形成了修正的D-P屈服准则;进一步结合修正屈服准则和次加载面理论,提出了适用于岩石循环加、卸载的次加载面模型,并通过自编程序,实现了循环加、卸载模型的数值表达与岩石循环加、卸载试验数值仿真。计算结果表明,基于修正D-P屈服准则的次加载面模型能较好地描述岩石的曼辛效应和棘轮效应;通过改变抗拉强度的大小,可以发现随着抗拉强度的减小,岩石的变形量相应增加,且增加的幅度逐渐提高,说明修正模型可准确反映抗拉强度对岩石的循环加、卸载变形的影响。

基于修正Lade-Duncan破坏准则的隧洞围岩抗力系数

基于修正的Lade-Duncan准则和非关联线性流动法则,将隧洞围岩划分为裂缝区、塑性区和弹性区4层有限环,推导出了考虑地下水渗流作用影响下的隧洞围岩抗力系数计算的通用公式。通过改变公式中的一些参数,可以得出其他围岩条件下的抗力系数计算式。由于修正的Lade-Duncan准则更适合于岩土类材料,因此根据该公式计算出的考虑了中间主应力和渗流作用影响的隧洞围岩抗力系数具有较高的实际应用价值。研究结果表明,中间主应力和渗流作用对隧洞围岩抗力系数均具有一定的影响,因而推出的通用公式在计算隧洞围岩抗力系数时具有较高的理论应用价值。

关于Griffith准则的Murrell三维推广

本文根据 Griffith 准则的 Murrell 三维推广理论,导出它对应于原 Griffith 准则中 δ(?)=-T(?)直线段部份在δ_2=0平面上是一条双曲线.这时的单轴抗压强度与抗拉强度之比仍为8,而不是一般认为的12.