岩土材料三剪能量本构模型的数值实现及应用

针对前期研究中提出的三剪能量本构模型,基于塑性位势理论,详细推导其在FLAC3D中的增量迭代格式,并编制相应的UDM接口程序。为了验证程序的正确性,考虑到三剪能量准则常规三轴情况下退化为Mohr-Coulomb准则,分别采用三剪能量本构模型和FLAC3D内嵌的Mohr-Coulomb模型数值模拟试样的常规三轴试验。计算结果显示,两种模型给出的结果几乎完全一样,从而验证计算格式和程序的正确性。最后,研究三剪能量本构模型的工程应用,分别采用Prandtl理论解、Mohr-Coulomb模型和三剪能量本构模型计算地基的极限承载力,计算结果表明,由于Prandtl理论解是基于Mohr-Coulomb准则建立的,且Mohr-Coulomb准则不考虑中间主应力的影响,而三剪能量准则考虑了中间主应力的影响,因此,Prandtl理论解和Mohr-Coulomb模型均偏于保守,其计算的极限承载力要比三剪能量本构模型计算结果偏小。

循环载荷作用下煤岩复合结构宏-细观破坏特征及能量-损伤本构模型

煤炭深部开采过程中,周期性开采扰动行为会使邻近煤层的煤岩复合结构承受循环载荷的作用,因此,研究不同循环载荷作用下煤岩复合试样的力学响应行为及宏-细观失效特征具有重要工程意义。选取3种不同的加(卸)载速率,开展了2种循环加卸载路径下的单轴循环压缩试验(同步测定声发射信号),分析了煤岩复合试样的损伤失效特征;基于能量耗散原理,构建了煤岩复合试样在循环载荷作用下的能量-损伤本构模型,最后结合试验实测数据进行验证。结果表明:加(卸)载速率与复合试样的峰值强度呈正相关,当加(卸)载速率从0.05 mm/min增大到0.15 mm/min时,恒定下限逐步循环加卸载路径(路径I)、变上下限等幅循环加卸载路径(路径II)下,试样的峰值应力分别增加了22.44%和28.89%;高加(卸)载速率下,试样的内部裂纹扩展越快,煤岩复合试样中煤组分的破碎程度加剧,分形维数随之增大,试样的内部裂纹扩展越快;随着加(卸)载速率的增大,煤组分中沿基质破坏增多。循环分级跨度大的路径(路径I)有助于试样内部的应力传递,为试样内部裂纹的发育提供了有利条件,导致对应试样的破坏程度更高。试验曲线和能量-损伤本构理论曲线具有较强的一致性,表明所建的能量-损伤本构模型能够很好地描述煤岩复合试样在循环加卸载过程中的变形行为。

让压锚杆能量本构模型及支护参数设计

采用能量分析法将让压锚杆的荷载-位移曲线划分为弹性阶段、让压阶段和塑性强化阶段.分别推出3个阶段让压锚杆的能量本构方程以及围岩作用下的能量方程.近似求解让压锚杆和普通锚杆在弹性极限荷载、承载力极限以及围岩共同作用条件下的支护性能.结果表明:在3种不同条件下,让压锚杆的支护能力较普通锚杆分别提升了52.3%,211.2%,77.3%.依据组合拱理论给出了让压锚杆的支护数量、间距、长度、最大预留空间等参数的理论公式.

单轴压缩下裂隙倾角对花岗岩-混凝土力学行为及能量演化的影响

为探究单轴压缩下不同裂隙倾角对花岗岩-混凝土组合体试件的强度及能量演化的影响,结合室内试验标定的细观参数,采用二维离散元颗粒流程序(PFC^(2D))对组合体试件开展了数值模拟研究。结果表明:花岗岩-混凝土的强度和变形特征受裂隙倾角影响,其强度和变形参数随裂隙倾角的增大呈逐渐增大趋势;在单轴压缩过程中,试样内部能量转化为宏观裂纹扩展,最终的破坏模式主要以拉伸失效断裂和剪切失效断裂为主;组合体试件的总能量和耗散能随裂隙倾角的增大而增大,试件破坏时总应变能大于耗散能。基于耗散能的计算,构建了损伤本构方程,当损伤因子为0.8时,试件接近极限状态,此时的能量消耗较大,显著降低了组合体试件的强度。

工程地质力学的挑战与未来

随着工程地质力学及其相关学科的不断完善和发展及其存在问题的不断解决,工程地质力学正逐步进入一个崭新的发展阶段。本文总结了20世纪工程地质力学取得的辉煌成就和面临的巨大挑战,详细论述了工程地质力学的理论体系,包括工程地质体结构的相对性、工程地质体的连续性、工程地质体的本构关系、工程地质体的几何大变形、工程地质大变形力学设计方法等,展望了未来工程地质力学在大变形灾害工程控制材料研发、工程灾害控制、工程地质体的能量本构关系、工程地质体的能量平衡方程和地质工程的量化设计方面的走向,指出工程地质力学作为一门学科的发展仍然任重道远。

新型让压锚杆力学特性试验及承载变形机理研究

针对现有锚杆结构在市政丁程、隧道及边坡支护结构中的不足,提出了一种新型让压锚杆,分析了其力学特征及承载变形机理,并对比了普通锚杆、普通让压锚杆、新型让压锚杆在岩土体中的能量变化原理。首先,对新型让压锚杆进行了室内拉拔试验,得到了其力学特征曲线;然后,基于锚固力增长曲线,对新型让压锚杆与普通锚杆、普通让压锚杆的承载形变机理进行了比对分析,得到新型让压锚杆3方面的优势:即适用性更广、性能更优、变形可控更具灵活性;最后,基于能量原理,构建了3种不同类型锚杆的能量积分表达式,并依据能量本构关系,对3种锚杆的极限能量值进行了对比分析。试验研究及理论分析均验证了新型让压锚杆更适合具有膨胀性的隧道及边坡岩土体支护加固,可为新型锚杆的支护使用提供重要指导,为类似工程的设计、施工提供重要参考。