基于修正Mohr-Coulomb屈服准则的冻结砂土损伤本构模型

为了探讨冻土的强度和变形特性以及反映低围压下的应变软化和高围压下的应变硬化现象,建立不同围压影响下的冻结砂土损伤本构模型,其能合理解释冻土内部微裂隙向宏观破碎带转化过程。通过引入修正Mohr-Coulomb屈服准则来描述冻土微元强度破坏准则,利用冻土内部微缺陷分布的离散性和随机性特点,假设微元强度服从Weibull随机分布,并根据统计学和连续损伤力学理论建立能反映冻土破损全过程的损伤本构模型。通过低温三轴试验数据确定模型参数值,讨论Weibull分布参数n和F_0的物理意义,并修正分布参数随围压的变化规律;讨论并分析冻结砂土的黏聚力c、内摩擦角φ和损伤变量D随围压变化的演化规律。最后将模型预测结果与试验值进行对比,表明该模型能够较好地模拟冻结砂土应力–应变全过程曲线,并能反映随围压的增大曲线由应变软化逐渐向应变硬化过渡的现象;同时模拟了体积变形曲线,并能反映随围压的增大体变曲线由剪胀向剪缩转变特性。

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。

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.

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。

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.

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。

Mohr-Coulomb屈服准则在岩土工程中的应用

对Tresca屈服准则、Mises屈服准则、双剪屈服准则及Mohr-Coulomb屈服准则的屈服线、屈服应力进行分析比较,找出了各种屈服准则之间的差异。探讨Mohr-Coulomb屈服准则与其他屈服准则的关系,并确定Mohr-Coulomb屈服准则在岩土工程中的安全性及岩土体破坏时的破裂面位置与滑移线之间的关系。以亚碧罗水电站实测地应力为例,对实测地应力用不同的屈服准则进行分析,论证了Mohr-Coulomb屈服准则的安全性及剪切破裂面与滑移线的差异。

Mohr-Coulomb内切圆屈服准则在ABAQUS软件边坡分析中的应用

在ABAQUS软件提供的线性Drucker-Prager模型和场变量的基础上,结合Mohr-Cou-lomb内切圆屈服准则在ABAQUS中的参数转换公式,对边坡进行稳定性计算。依据弹塑性有限元计算中边坡的各种失稳判据对Mohr-Coulomb屈服准则以及Mohr-Coulomb内切圆屈服准则在边坡稳定分析中的适用性进行了探讨,同时对边坡的失稳判据结果进行了对比分析,鉴于在工程应用中的适用性,当采用强度折减弹塑性有限元法进行计算时,宜联合采用位移判据和塑性区判据对边坡的稳定性进行分析。

Mohr-Coulomb屈服准则与Drucker-Prager屈服准则在块体非晶合金中的应用

推导Mohr-Coulomb(M-C)和Drucker-Prager(D-P)屈服准则在不同应力状态下的表达式以及它们之间的相互关系;基于文献数据,比较两个准则描述块体非晶合金屈服行为的适应性,详细地阐述了正应力与静水压力对块体非晶合金屈服行为的影响。结果表明:静水压力对材料屈服的影响相当于一个叠加的正应力,无论是压缩还是拉伸,均对剪切屈服或断裂起抑制作用。D–P屈服准则函数描述块体非晶合晶的屈服断裂比M–C准则更好。

修正的Mohr-Coulomb准则在重力坝建基面抗滑稳定分析中的应用

针对有限单元法在重力坝建基面抗滑稳定控制中量化标准缺失的问题,采用自适应隐式本构积分算法推导了修正的Mohr-Coulomb准则,通过ABAQUS编写成UMAT子程序,用于重力坝建基面抗滑稳定分析,并针对典型重力坝坝型选取常见下游坝坡率,应用强度折减系数法分析了同一网格尺寸下不同坝高对建基面屈服区的影响。结果表明,在对应建基面屈服区贯通率达到15%时的强度折减系数随坝高增加而降低,且在强度折减系数小于1.8时建基面的屈服范围与坝高呈正相关,强度折减系数为1.6时具有明显的线性关系,并结合工程实例验证了结论的可靠性。

基于Mohr-Coulomb屈服准则的圆形隧道粘弹塑性解

解析研究作为隧道工程中的常用方法,在初步设计和快速决策中广泛应用。本文基于Mohr-Coulomb屈服准则、理想塑模型和非关联流动法则,给出了轴对称圆形隧道围岩应力和位移的粘弹塑性解,与同等假设的有限元模型结果吻合很好,丰富了流变岩体中隧道开挖等问题的解析研究。对比分析结果表明:若不考虑衬砌,塑性区和粘弹区的应力均不随时间变化,由于岩体的流变性,位移随时间逐渐增大,并趋向于某一稳定值。同一时刻下,到洞口距离越近,位移越大,因此,隧道开挖时,洞口处位移最大,围岩最危险。

Drucker-Prager系列屈服准则在稳定分析中的应用研究

Drucker-Prager(下简称D-P)系列屈服准则作为Mohr-Coulomb(下简称M-C)准则的修正模型在岩土工程中得到了广泛的使用。然而采用不同的D-P系列屈服准则可能会得到差距较大的结果,因此,选用合适的D-P系列屈服准则十分重要。在研究了D-P系列屈服准则与M-C准则之间的对应关系之后,指出D-P系列屈服准则对应的Lode角取值较为有限,难以反映出材料在丰富受力状态下的M-C准则屈服强度,将其取值范围扩大至-30°～30°,并以某边坡和向家坝泄12坝段抗滑稳定分析为例,对如何选用合适的D-P系列屈服准则这一问题进行了研究,提出了具体的选择方法。研究结果表明,只要选用的D-P系列屈服准则对应的Lode角能反映影响边坡和坝基稳定的关键部位的受力状态,就能够得到较好的结果,将D-P系列屈服准则对应的Lode角取值范围扩大至-30°～30°也是必要的。

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。

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.

基于复合屈服准则的混凝土塑性损伤模型

引入拉伸损伤变量和剪切损伤变量来共同描述损伤对混凝土宏观力学性能的劣化,采用带拉断的Mohr-Coulomb准则作为塑性损伤模型的屈服准则以及非关联的Drucker-Parager塑性势函数,在热力学和连续损伤理论的框架内建立损伤准则和损伤演化方程,提出了一种改进的混凝土塑性损伤模型,并采用基于完全隐式的向后Eu-ler积分算法进行应力更新。在ABAQUS平台上,采用UMAT进行改进的塑性损伤本构模型的二次开发,并进行了单轴和多轴数值验证。计算结果表明:数值结果和理论曲线及试验成果吻合很好,验证了本构模型的合理性。

DD3单晶的Hill屈服准则应用研究

将Hill屈服准则用于DD3单晶不同温度不同取向的屈服应力预测,结果表明:Hill屈服准则中材料参数的选择对计算结果有很大的影响,且不能同时准确预测单晶三个主要承载方向的屈服强度。根据单晶材料的屈服特点,考虑到单晶材料在任意方向上剪应力及其相互作用对屈服强度的影响,通过在Hill屈服函数中加入一修正项建立了适用于单晶的新屈服函数,能对晶体取向为[001],[011]和[111]的屈服强度进行非常准确的预测,在其它方向上结果也比较满意。

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。

正交各向异性剪切屈服准则研究及其数值实现

以各向同性Mohr-Coulomb剪切屈服准则为基础,研究了各向异性剪切屈服准则的一般理论方法。在此基础上,对正交各向异性的剪切屈服准则及其数值实现方法进行了研究,利用FLAC3D数值分析软件中的FISH语言编制了相应的计算程序,并引入FLAC3D中。理论分析和数值计算分析表明,正交各向异性剪切屈服准则与3个主应力均有关,各向同性剪切屈服准则为其特例,各向异性材料的屈服面不一定与最大剪应力面重合。