基于广义非线性统一强度理论的隧道塌落拱分析

基于广义非线性统一强度的剪切破坏理论,在平面应变状态下,根据极限上限定理和隧道顶部的围岩塌落机制,在耗散能中引入了包含曲线型破裂面方程的目标函数,建立了围岩中任意断面的隧道顶部围岩的塌落机制。基于塑性位势理论,考虑塑性应变增量与塑性势函数的应力梯度成正比,由此得出了在速度间断线上任意点内能的耗散率;再运用虚功原理,建立内能耗散率和外力做功相等的关系式,从而通过变分原理得出了隧道顶部塌落面的解析表达式,由该表达式计算出隧道顶部塌落面的形状。以圆形断面隧道为例,对影响塌落拱形状的隧道半径和中间主剪应力系数等相关参数进行了讨论分析。由此得出:在平面应变状态下,隧道顶部围岩塌落体的宽度和高度随着中间主剪应力系数的不断增大而减小;塌落面的高度随着广义非线性统一强度参数的不断增大而增大,而塌落面的宽度则不断减小;塌落宽度和塌落高度随隧道半径的增大而增大。

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.

平面应变状态下广义非线性统一强度理论的研究

基于广义Hoek-Brown准则的非线性统一强度理论不仅考虑了中间主剪应力效应及其区间性,而且将统一屈服准则、统一强度理论、岩石的非线性统一强度理论联系起来,对在三向应力状态下岩石的破坏特性比较适用。本文利用广义非线性统一强度对平面状态下岩石的强度破坏进行了研究,得到了基于广义非线性统一强度理论的包络线方程,分析了有效剪应力和内摩擦角随有效正应力的变化规律,讨论了中间主剪应力效应参数对剪切破坏包络线及内摩擦角的影响。参数分析结果表明:在平面应变状态下,有效剪应力随着中间主剪应力效应参数的增大而增大,而内摩擦角随中间主剪应力效应参数的增大趋于稳定。

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。

高应力状态下岩石非线性统一强度理论

Hoek-Brown破坏准则和广义Hoek-Brown破坏准则广泛应用于岩石工程,其缺点是没有考虑中间主应力效应。为此,建立了一对双剪模型,它们包含两个双剪应力、对应于双剪应力作用面的两个正应力和两个或一个较小主应力。根据这一对模型,可以推出俞茂宏提出的统一强度理论和昝月稳、俞茂宏和王思敬提出的岩石非线性统一强度准则和广义非线性统一强度准则。当b = 0时,岩石非线性统一强度准则就变成了Hoek-Brown破坏准则。当岩石所受到的应力状态从低应力水平到高应力水平时,岩石的破坏从脆性破坏转化为韧性破坏。与Hoek-Brown破坏准则相同,岩石非线性统一强度准则和广义非线性统一强度准则只适应于3s<cs时的脆性破坏。考虑了高静水应力作用下岩石的脆性破坏和韧性破坏特征,根据twint-ntwins-is型双剪模型,假设岩石单元体破坏时单元体上的所有应力和静水应力为非线性关系,提出了高静水应力状态下非线性统一强度理论和广义非线性统一强度理论,其物理概念比较明确,参数选择也比较简单,更具有普遍意义。

广义非线性强度理论在岩石材料中的应用

在已提出的广义非线性强度理论的基础上,结合岩石材料的力学特性,建立了岩石广义非线性强度理论,该理论在π平面上的破坏函数为介于SMP准则和Mises准则之间的光滑曲线,在子午面上的破坏函数为幂函数曲线.通过已有不同岩石的真三轴试验数据对岩石广义非线性强度理论的验证表明,岩石广义非线性强度理论可以广泛地适用于各类岩石,描述其π平面上及子午面上的非线性强度特性;并利用5种不同类型岩石的真三轴试验结果对岩石广义非线性强度理论和Hoek—Brown准则进行比较,反映了所提岩石广义非线性强度理论的优越性.

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。

广义非线性强度理论形状参数研究

姚仰平等提出的广义非线性强度理论,将各种摩擦材料的非线性强度理论统一起来,使统一后的非线性强度理论能够合理地反映各类摩擦材料的强度特性。在广义非线性强度理论体系中,形状参数α是影响在π平面上破坏曲线形状的重要因素之一,因此,需要对形状参数进行如下研究:(1)将广义非线性理论应用于各类砂土中,根据其在π平面上破坏曲线特性,在判断该破坏曲线凹凸的基础上,得到砂土形状参数α临界值与破坏应力比参数Mf之间的关系;(2)通过对几个经典砂土真三轴试验结果的整理,验证广义非线性强度理论对砂土破坏特性的预测能力,并在此基础上建立该理论中形状参数α和破坏应力比参数Mf的线性关系。因此,在实际应用时,仅通过三轴压缩试验即可得到三维应力条件下的强度包线。

岩石非线性统一强度理论及其在岩体工程中的应用

以统一强度理论为基础,研究与岩石破坏子午线相匹配的非线性统一强度理论,取得以下研究成果: (1) 建立了一个适用于岩石的双剪力学模型,这一双剪模型包括两个较大剪切应力以及作用面上的正应力和较小主应力。根据其力学模型可以推出线性统一强度理论。 (2) 根据所建立的双剪力学模型,假设岩石单元体破坏时双剪应力与较小主应力之间为抛物线型关系,提出岩石非线性统一强度理论。岩石非线性统一强度理论中参数b的变化可以反映中间主应力效应。当b=0时,退化为Hoek-Brown强度准则,忽略中间主应力效应;当b=1时,中间主应力效应最大。 (3) 根据所建立的双剪力学模型,提出了广义非线性统一强度理论。广义非线性统一强度理论包括许多强度理论和屈服准则,当b =0时,则为统一屈服准则;当b =1.0,则为线性统一强度理论;当b =0.5时,则为岩石非线性统一强度理论,适应于脆性岩石;当0.5<b<0.8时,适应于软弱岩石。广义非线性统一强度理论中参数b的变化,效应同上述(2)中的效应。 (4) 岩石非线性统一强度理论和广义非线性统一强度理论只适应于s3<sc时的脆性破坏。考虑高静水应力作用下岩石的脆性破坏和塑性破坏特征,根据所建立的双剪模型,考虑其单元体上所有应力和静水应力。

基于广义非线性强度理论的土的应力路径本构模型

复杂应力状态在自然界和工程中普遍存在,材料在复杂应力状态下的变形和强度特性是一个基本问题.基于各国学者已取得的多种材料的强度试验结果,系统研究了各种材料强度的基本特性,提出了广义非线性强度理论,并给出变换应力的应用方法.研究土在复杂加载条件下的变形问题时,提出土在充分接近的两条加载应力路径下所产生的变形基本相等的观点,以此为基础建立了土的应力路径本构模型,通过定义一个新的加卸载准则将模型扩展用于循环加载条件,发现模型可较合理地模拟试验结果.

岩土材料的非线性统一强度模型

将材料的破坏归结为剪切破坏,每种材料对应于特定的剪切滑动面,抗剪强度为滑动面上正应力的函数,基于不同材料的强度特性将一系列的剪切滑动面统一起来,建立了岩土材料的非线性统一强度模型.非线性统一强度模型的滑动面为β应力空间内的等倾面,在β应力空间内的强度面为圆锥面;在普通应力空间内的强度面为一系列连续光滑、外凸的锥面,在偏平面上强度曲线涵盖了从下限Matsuoka--Nakai曲线到上限Drucker--Prager圆之间的所有区域,子午面上强度线为直线.非线性统一强度模型只有3个材料参数,参数都具有明确的物理意义,通过与国内外学者已取得的岩土类材料真三轴强度试验结果的比较,表明模型可适用于多种类型的材料,并合理描述其非线性强度特性.

基于广义有效应力原理的水土压力统一计算理论

为弥补水土压力合算与分算之间的跳跃,需要建立水土压力统一计算理论。以理想饱和砂土模型为分析对象,在"非充分浮力"和"充分浮力"概念的基础上,从一个全新的角度阐述了有效应力原理公式的物理本质及推导过程;在此基础上,通过引入折减系数,将适用于饱和砂土的狭义有效应力原理扩展到适用于饱和岩石等孔隙发育不充分介质的广义有效应力原理;在广义有效应力的基础上,以水土分算为基础,推导出了水土压力合算与分算的统一计算公式;为解决统一计算公式中的抗剪强度指标选取问题,依据有效应力强度指标和总应力强度指标,推导了统一抗剪强度指标公式。水土压力统一计算公式理论依据充分、推导过程严谨,实现了水土压力计算结果从砂土到黏性土的过渡,具有很强的理论意义和工程应用价值,可为完善土力学基础理论体系提供参考借鉴。

基于统一强度理论深埋圆形隧道围岩的剪胀分析

基于连续介质理论中岩体的剪胀角与围压和塑性剪切应变密切相关,隧洞周边岩体的应力状态因开挖卸荷而发生应力重分布,迫使其围压由原地应力逐渐衰减,塑性剪切应变不断增加,引起剪胀效应呈非线性变化。首先,基于统一强度理论和非关联流动法则,将潜在塑性区围岩按等围压释放划分为若干同心圆,提出了考虑中间主应力和非线性剪胀性的有限差分法,计算应变软化围岩的力学问题,并以实例验证其正确性。其次,通过参数分析,研究塑性区内岩体的剪胀角受中间主应力、临界软化系数和支护力的影响规律。研究结果表明,中间主应力主要影响剪胀角的峰值,随着中间主应力效应增加,剪胀峰值增加;临界软化系数主要影响剪胀角的变化率,随着临界软化系数的增加,剪胀角变化缓慢;中间主应力和临界软化系数共同影响塑性区剪胀角的变化;随着支护力的增加,洞壁处的剪胀角增加;双剪强度理论计算的位移值较小,应谨慎采用,同时采用Mohr-Coulomb强度准则时可以适当考虑围岩的承载潜力。

统一强度理论应用于岩石的讨论

具有多种形式的双剪理论已得到广泛的研究和应用,但没有基于试验数据的拟合与其他真三轴强度准则进行直接比较。以主应力形式直接构建线性和非线性统一强度理论,利用岩石的真三轴压缩、常规三轴压缩和伸长的试验结果,确定多个强度准则中的材料参数。统一强度理论对试验数据的拟合偏差较大,不能描述岩石常规三轴压缩和伸长强度随最小主应力的非线性增加,难以描述强度随中间主应力的变化趋势;而非线性理论使用2个隐式函数分段表示,实际计算时需进行多次比较判断。在最小主应力较低时,统一强度理论给出的岩石强度显著偏高,似乎不宜应用于孔壁崩落确定地应力、钻孔稳定性分析等。

基于双剪统一强度理论的圆板塑性极限分析

通过对轴对称弯曲圆板在塑性极限状态下应力和弯曲内力的分布研究,建立了双剪统一强度理论下用弯矩表示的屈服条件,即广义双剪统一屈服条件。该广义双剪统一屈服条件是一条对称的外凸闭合折线,可应用于由各种拉压强度比及剪压强度比材料构成的圆板和环板的塑性极限分析。对均布荷载作用下的简(固)支圆板进行了塑性极限分析,得出了圆板的塑性极限荷载、塑性极限状态时的内力场和速度场,分析了拉压强度比α以及中间剪应力影响系数b对塑性极限承载力的影响。

岩石非线性统一弹塑性模型

本文采用流动矢量奇异性的统一处理方法,推导出岩石非线性统一屈服面(破坏面)的流动矢量表达式。根据流动矢量表达式可编制岩石非线性统一弹塑性材料模型计算程序子块,在有限元软件中调用,使岩石非线性统一强度理论能在岩石工程中得到应用。

黄土的非线性强度特性

广义非线性强度理论用一个表达式统一描述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,适用于各类材料。本文通过黄土的真三轴和普通三轴实验,讨论了π平面及子午面上黄土的强度特性,结果表明广义非线性强度理论可以比较好地适用于具有强结构性的黄土。

注浆、衬砌作用下非线性渗流隧洞弹塑性解

为探求深埋隧洞在非线性渗流条件下围岩-注浆圈-衬砌体系的力学行为,引入Izbash非线性渗流模型,给出了围岩-注浆圈-衬砌体系的水头分布,基于统一强度理论,考虑塑性区可能的分布位置,在注浆、衬砌支护作用下对隧洞位移、应力和塑性区半径进行了理论推导.通过算例将理论解与数值解对比分析,验证了研究方法的可靠性,并进一步探讨了考虑非线性渗流对富水山岭隧洞支护设计的工程意义.研究结果表明:非线性渗流对隧洞弹塑性力学的影响主要体现在围岩水力梯度系数m1;围岩从低速非线性渗流向高速非线性渗流转变过程中,塑性区半径和位移越来越大,围岩应力有所减小;应从隧洞围岩的非线性渗流角度考虑注浆圈、衬砌支护厚度设计.研究成果为非线性渗流隧洞支护设计提供了理论依据.

广义非线性强度理论及其变换应力空间

基于摩擦材料的试验规律和在前人研究成果的基础,提出了广义非线性强度理论,它用一个表达式统一描述π平面及子午面上各种材料的非线性强度特性,包含或逼近了现有的非线性单一强度理论.在主应力空间中,广义非线性强度理论在π平面上的破坏函数为介于SMP准则和Mises准则之间的光滑曲线;在子午面上的破坏函数为幂函数曲线.在基于广义非线性强度理论的变换应力空间内,广义非线性强度理论可以合理地与各种以p和q为应力参量的本构模型相结合,使模型简单地实现三维化.

线性变换应力空间及其应用

基于广义非线性强度理论,提出了一种新的变换应力方法,将广义非线性强度理论变换为另一应力空间内的Mohr-Coulomb准则。在新的线性变换应力空间内,材料的强度特性符合Mohr-Coulomb准则,从而广义非线性强度理论可在新应力空间内以Mohr-Coulomb准则的形式应用。通过在新的线性变换应力空间内对2种黏土的强度、应力-应变关系试验结果的分析验证了此变换方法的有效性。