基于多轴强度准则的混凝土面板应力安全评价方法研究

混凝土面板作为面板堆石坝的关键防渗结构,其应力变形安全对保障工程安全运行至关重要。目前工程中普遍采用混凝土单轴标准强度评价面板应力安全,该方法忽略了面板应力状态对其强度的影响,会对面板破坏范围作出不合理的判断,因此,提出了基于多轴强度准则的混凝土面板应力安全评价方法,该方法通过确定混凝土强度调整系数及多轴强度应力水平指标评价面板应力安全。联合基于位移多点约束法的面板精细化计算方法及改进黏弹性方法全面考虑动位移和永久变形对面板动应力的影响,细致模拟地震过程中面板破坏发展过程。以强震区狭窄河谷上240 m级特高面板坝为例,对比分析了文中提出的多轴强度方法与当前单轴强度方法判断面板破坏范围的差异,结果表明:正常蓄水期,坝肩两侧面板位于“抗压强度削减区”、河床面板均位于“抗压强度增强区”,其中河床底部面板强度增加尤为明显,两种方法判断的面板受拉破坏区基本一致,但受压破坏区存在较大差异;遭遇地震情况下,多轴强度方法判断的面板受拉破坏区略小,而两种方法受压破坏区的位置和大小均存在显著差异。鉴于单轴强度方法无法考虑面板应力分布对其强度的影响,建议采用多轴强度准则指导特高面板坝混凝土面板设计和施工。

巷道蝶形破坏强度准则低敏感性研究及工程应用

巷道围岩的塑性区形态对巷道的破坏形式及破坏程度有重要影响。为探究三向应力场下塑性区形态演化过程,基于弹性力学推导了轴向应力表达式,并依据蝶形塑性区边界方程求解思路,确定了三维强度准则下三向塑性区近似解的求解方法。通过等球应力p、等偏应力q以及不同Lode角θσ来确定围岩应力加载方案,对不同三维强度准则下的围岩塑性区形态演化规律进行深入研究,论证了蝶形破坏的准则低敏感性。基于蝶形破坏理论对羊场湾160206回风巷道的非对称变形破坏机制及控制技术进行深入分析。研究结果表明:(1)在相同p、q及不同θσ的应力加载条件下,5种强度准则下的塑性区形态均呈现圆形、类椭圆及蝶形的演化规律,且每种强度准则在相同θσ的情况下围岩的塑性区形态基本一致。(2)相同应力大小、不同应力方向的加载方案下,围岩的塑性区形态大不相同。圆巷围岩的塑性区形态很大程度上由水平侧压比决定,轴向侧压对围岩的塑性区尺寸影响较大,对塑性区形态影响较小。(3)羊场湾160206回风巷道在叠加采动影响下顶板呈现非对称大变形破坏,基于蝶形塑性区支护思路,应用非对称锚杆索+超前单元支架+钻孔卸压的协同支护技术,取得了良好的支护效果。

基于Coulomb强度准则的重力坝岩石地基抗滑稳定系数的推演与教学设计

文章结合为本科学生开设的《岩石力学》课程中岩石地基抗滑稳定性分析的教学内容,以重力坝岩石地基抗滑稳定性分析为例,对基于Coulomb强度准则的重力坝岩石地基深层双斜滑移面、深层单斜滑移面和浅层水平滑移面的抗滑稳定系数计算方法进行了理论推演,依据稳定系数计算表达式探讨了提高重力坝岩石地基抗滑稳定系数的工程措施,给出了易于本科学生理解和掌握的岩石地基抗滑稳定性分析的教学组织和设计。通过将所设计的重力坝岩石地基抗滑稳定系数计算方法在本科生中的教学实践,可实现预期的教学目标。In combination with the instructional contents of anti-slip stability analysis for rock foundation in the course entitled Rock Mechanics provided for undergraduates, the method for calculating the anti-slip stability factor of deep double oblique sliding planes, single oblique sliding plane in rock foundation of gravity dam, as well as shallow horizontal sliding plane in rock foundation of gravity dam is derived based on Coulomb strength criterion by taking rock foundation of gravity dam as an example. The technical engineering measures to enhance the anti-slip stability factor for rock foundation of gravity dam are also discussed based on the formula to calculate the stability factor of gravity dam rock foundation. Both the instructional planning and organization for analyzing the anti-slip stability for rock foundation of gravity dam in the course, which are easy for undergraduate students to understand and master, are still proposed in this paper. Through practice on teaching the proposed method for calculating the anti-slip stability factor for rock foundation of gravity dam to undergraduate students, the expected teaching objectives can be achieved.

岩石强度屈服准则对隧洞围岩稳定分析结果影响

岩石强度屈服准则是判断隧洞围岩是否进入塑性损伤的重要依据,而不同的岩石强度准则下围岩稳定的计算结果存在一定的差异性。因此,研究分析不同岩石强度准则对隧洞开挖后的围岩稳定计算结果的影响程度是很有必要的。通过分析常用的几种强度准则之间的理论性差异,并以锦屏二级深埋绿泥石片岩段隧洞为研究对象,研究不同强度准则对隧洞开挖围岩变形、塑性区的影响,并且把变形计算值与实测值进行对比。结果表明:5种准则计算得出的围岩变形和塑性区差异性比较明显,M-C准则和H-B准则计算得出的围岩变形和塑性区较大,并且比较接近实测值,而Tresca准则、Mises准则和D-P准则得出的结果较小;在静水压力下,M-C准则和H-B准则计算得出的围岩变形值和塑性区深度与芬纳公式计算值和实测变形值较为接近,但与其他3个强度准则相差较大。M-C准则和H-B准则的计算结果能够较好地符合工程实际,而Tresca准则、Mises准则和D-P准则均不适用于隧洞围岩稳定计算。

基于形状改变能密度的岩石强度准则研究

分析砂岩在常规三轴压缩试验过程中弹性应变能密度、体积改变能密度和形状改变能密度的演化规律,根据峰值形状改变能密度与围压的线性变化关系建立形状改变能密度岩石强度准则。结果表明:(1)体积改变能密度与形状改变能密度,在峰前阶段逐渐增加,峰后急剧下降;(2)形状改变能密度强度准则参数物理意义明确,且可通过参数变换转化为经典的Hoek-Brown准则;(3)形状改变能密度强度准则计算结果与8种不同类型岩石的常规三轴压缩试验结果基本一致,验证了准则的精确性和适用性。

非线性M-C强度准则下预应力锚索加固边坡时效稳定性分析M-P法

拓展传统极限平衡方法在复杂条件下边坡稳定性分析中的适用性一直是岩土工程界的研究热点。众所周知,边坡岩土体剪切失效一般服从于非线性强度准则,而传统极限平衡方法仅适用于线性强度准则下边坡稳定性分析。此外,预应力锚索作为一种主动防护措施,可极大地即时提高边坡稳定性而被广泛应用于中、大型边坡工程加固。然而,在应力松弛、蠕变效应以及腐蚀环境影响下预应力锚索加固边坡稳定性时效特征往往被忽视。由此,基于Morgenstern-Price(M-P)法,嵌入非线性Mohr-Coulomb(M-C)强度准则,并融入应力松弛与蠕变效应下锚索预应力损失模型以及腐蚀环境下锚索性能劣化模型,从而,建立非线性强度准则下预应力锚索加固边坡安全系数时程表达式。进一步,为了解决非线性强度准则下隐式嵌套公式难以求解的问题,归零化条间法向力初始值,并应用迭代循环求解策略,在引入循环终止允许误差判别条件后,可实现边坡稳定性理论真实结果的逼近求解。经过后续算例对比分析,验证了所提方法的可行性和合理性,与此同时,还研究了不同预应力损失速率和不同锈蚀环境下预应力锚索加固边坡稳定性的时效变化规律。

考虑中间主应力效应的修正Hoek-Brown真三轴强度准则

为改善Hoek-Brown强度准则未考虑中间主应力对岩石强度的影响,通过岩石真三轴试验结果分析了岩石强度的演化规律,引入中间主应力系数,量化分析主应力系数对岩石真三轴强度的影响,考虑Hoek-Brown强度准则中的参数和岩石应力水平间的关联性,提出了基于拉格朗日插值方法的修正岩石真三轴Hoek-Brown强度准则,分析了其空间包络特征。最后,利用7种岩石的真三轴试验数据与其它3种真三轴强度准则进行最优拟合误差分析,探讨了修正强度准则的合理性。研究结果表明:岩石强度随着最小主应力的增加逐渐增大,随着中间主应力的增加则呈现先增大后减小的变化规律,表现出显著的区间效应;修正强度准则不仅能够继承Hoek-Brown强度准则在子午面上的非线性优点,且能够表征岩石强度在应力空间中的基本特性;线性和非线性插值形式的修正强度准则空间包络面分别为非等边的六棱锥面以及能够满足拉压子午面区间连续光滑要求的圆锥面;修正强度准则能够较好地预测岩石真三轴试验强度,较为合理地反映中间主应力对岩石强度的影响;相比于线性插值形式强度准则,二次插值形式强度准则能够提高岩石强度的预测精度1.2~2.0倍;相较于其他真三轴强度准则,修正强度准则对不同硬脆性岩石的真三轴试验结果均具有良好的强度预测精度,体现了修正强度准则的适用性和可靠性。

岩石卸荷的Mogi-Coulomb强度准则适用性研究

大量工程实践表明:岩石在卸荷条件下的强度特性与加载条件下相比,存在本质上的不同。结合岩石卸荷的破坏特征和强度特性,建立了岩桥贯通力计算模型,并基于应力强度因子叠加减原理,推导了岩石卸荷条件下的岩桥贯通力计算公式,从而探究Mogi-Coulomb强度准则对于岩石卸荷强度的适用性。将岩桥贯通力作为表征岩石卸荷破坏的强度参数,并与Mogi-Coulomb强度准则的核心参数——八面体剪应力进行对比,发现二者的量值具有极高相似性,这一发现可以间接证明Mogi-Coulomb强度准则适用于岩石卸荷强度方面的相关研究。本文揭示了岩石卸荷破坏时其岩桥贯通与八面体剪应力之间存在的紧密联系,可为岩石卸荷破坏的研究提供借鉴与参考。

冻土强度准则在冻土边坡稳定性计算中的应用

冻土是由冰胶结体、土颗粒、气体、未冻水组成的四相胶结体,其强度受温度影响较大,以至于冻土的强度准则比普通土的强度准则更为复杂。冻土强度准则在实际工程中有很广泛的应用,比如,可用于冻土边坡稳定性计算。由于冻土的复杂性,将未冻土的强度准则直接用于冻土边坡工程稳定性计算分析是不合理的。为研究冻土强度准则在冻土边坡稳定性判断中的应用,本研究首先在已有的冻土强度准则中选取Liao和Lai提出的代表性冻土强度准则,利用瑞典条分法和该强度准则推导了冻土土坡安全系数的解。其次,基于此强度准则推导的冻土土坡安全系数的解进行冻土边坡稳定性计算分析,并将计算结果与已有的冻土边坡分析数据作对比,验证该强度准则的适用性。计算结果表明:选用的强度准则计算出的安全系数与原冻土边坡安全系数比较接近,误差较小,该强度准则在冻土边坡稳定性计算方面有较高的精确性和适用性。最后,鉴于实际工程中非稳定状态冻土边坡较多,基于工程实用性,进一步总结给出了冻土边坡失稳防治措施。本研究可为寒冷地区冻土土质边坡的设计、建设、维护提供理论指导与参考。

基于贝叶斯方法的混凝土强度接收准则研究

以一次计量抽样检验理论为依据,综合平衡生产方风险和使用方风险,并适当考虑保护生产方利益,提出无论对于标准差已知统计方法还是标准差未知统计方法,混凝土强度平均值的评定系数k均应对应于90%的等效保证率(0.9分位值);并以贝叶斯理论为依据确定了标准差未知统计方法的抽样方案。样本容量很小时,以平均质量标准差为依据建立了非统计方法的接收准则,并根据一次计数抽样检验理论提出最小值接收准则,并作为平均值接收准则的补充。采用贝叶斯方法,将前一检验周期内的样本和本次抽样样本合并,通过扩大样本容量,提高了标准差已知统计方法接收准则的检验功效;同时采用贝叶斯方法,综合考虑平均质量标准差和实测样本标准差,提高了非统计方法接收准则的检验功效。本文建议的接收准则具有更明确的统计学依据,通过采用统一的等效保证率使各种方法保持了较接近的检验功效,并用贝叶斯方法将各种方法统一于标准差未知统计方法。实例分析表明,本文建议的接收准则总体上略比GB/T 50107—2010严格,但变动幅度在可接受范围;采用合理的先验标准差后,本文建议的贝叶斯改进方法可以得到科学合理的评定结果。

炭质板岩横观各向同性强度准则及参数辨识方法

为探究层理状岩石的横观各向同性力学特性,以炭质板岩为研究对象,通过室内试验和理论分析对其强度准则和参数辨识方法进行研究。首先,对水平与垂直层理岩样开展不同围压的常规单、三轴压缩试验,探讨不同应力状态炭质板岩的强度特性与破坏模式。其次,对比分析试验结果,建立适用于炭质板岩的横观各向同性弹塑性本构模型;基于Pariseau强度准则确定模型的屈服函数,用以描述炭质板岩不同方向的强度特性;基于相关联流动法则确定模型的塑性势函数,用以描述炭质板岩塑性变形阶段的流动方向。在各向同性假定下,该模型可退化为描述各向同性岩土材料的Drucker-Prager模型。最后,提出模型参数辨识方法,即通过常规三轴压缩试验和经验公式求解弹性参数;通过基于Duveau数值计算程序的最小二乘法常规三轴试验和直线型Mohr-Coulomb准则确定岩样的抗压、抗拉和剪切强度,再代入所推导公式求解塑性参数;结合试验结果验证了所提横观各向同性强度准则的合理性。结果表明:不同围压的水平岩样的抗压强度均高于垂直岩样,且抗压强度随着围压的增大基本呈线性增大;炭质板岩在压缩过程中多呈脆性破坏,水平层理岩样呈滑移-剪切破坏,垂直层理岩样呈张拉-剪切破坏。

基于Mohr-Coulomb准则隧道围岩-支护体系协同作用下支护强度分析

确定围岩-支护结构体系动态协同变形关系是地下工程支护需要解决的关键问题之一。运用Mohr-Coulomb准则推导隧道开挖支护后围岩径向变形与支护结构径向变形的协同方程,探讨Ⅳ级围岩塑性半径、围岩位移及支护刚度随支护强度的变化关系;并运用FLAC3D数值模拟验证协同变形方程的合理性和有效性。结果表明,围岩-支护结构体系协同变形方程能很好地反映围岩位移和塑性区半径随支护强度变化的关系,且相互关系是非线性的。支护强度为0.75 MPa时,理论计算拱顶沉降为18.9 mm,数值模拟拱顶沉降为21.6 mm;支护强度为1.5 MPa时,理论计算拱顶沉降为11.2 mm,数值模拟拱顶沉降为11.1 mm,表明围岩-支护结构动态协同变形方程的有效性。针对Ⅳ级围岩在采用超前支护和交叉中隔壁法(cross diaphragm,CRD)施工时,建议支护强度设计为0.75~1.5 MPa,支护刚度设计为59.8~375.0 kN/mm。

基于强度折减法的M-C强度准则在边坡中的稳定性分析

岩体是一种非均质、各向异性的非连续性材料,其力学特性研究较为复杂。Mohr-Coulomb强度准则(以下简称M-C)是岩土工程当中使用较多,且应用经验较为丰富的强度准则,采用能量型的M-C强度准则开展岩体理论研究具有一定的研究意义。基于此,以弹性应变能广义M-C强度准则(简称为GM-C)为基础,建立能量型广义M-C岩体强度准则(简称为EGM-C强度准则),同时将EGM-C强度准则嵌入到FLAC 3D软件中并进行模拟计算,验证该准则的适用性。理论分析表明:当岩体完整性系数K v等于1时该准则蜕变为GM-C强度准则;当岩体完整性系数K v等于1、材料变形参数νmc等于0.5时该准则蜕变为M-C强度准则。EGM-C强度准则是对GM-C强度准则和M-C强度准则的继承与发展,是以材料变形参数νmc、岩体完整性系数K v为参数的强度准则集合,并非单一强度准则;EGM-C岩体强度准则能够完全利用已有的M-C强度准则的研究成果,并将其应用于实际工程中;两组岩体试验数据验证得出:EGM-C强度准则略高于L.Y.Zhang提出的广义三维H-B岩体强度准则的计算值;同时将EGM-C本构模型嵌入到FLAC 3D有限元软件中并成功调用,在有限元软件中建立一个坡高为30m、未设边坡支护的边坡模型,采用M-C本构模型与EGM-C本构模型作对比分析,结果表明:M-C本构模型与EGM-C本构模型的塑性变形区域大致相似,但EGM-C本构模型与M-C本构模型计算得出的位移分别为8.6318cm、4.6117cm,EGM-C本构模型计算出的结果更偏于安全,这可能与EGM-C本构模型考虑了岩体完整性系数和材料变形参数有关。

动车组受电弓布置准则及连接强度研究

受电弓作为动车组高压供电系统中的关键部件,其布置方式将影响弓网关系协调、受流稳定和减阻降噪等性能,动车组高速运行时,受电弓与支持绝缘子的连接强度将承受到严峻的考验。文章对动车组受电弓的布置准则进行了分析和总结,包括受电弓的间距、定位、开闭口和高度,为动车组受电弓的集成方案设计提供了有效参考。通过分析受电弓在动车组高速运行中各工况下的受力情况,计算了受电弓与支持绝缘子连接螺栓的极限载荷和最小预紧力,然后结合最小预紧力和工作拉力进一步校核了螺栓强度,证明了所用螺栓规格符合使用要求。根据连接螺栓的工作拉力和许用应力,计算了连接螺栓的最大预紧力,并确定了合理的拧紧扭矩,为受电弓与支持绝缘子连接螺栓的选型和扭矩取值提供了正确指导。

混凝土动态双轴压缩强度准则细观研究

由于物理试验设备和条件限制,目前对混凝土动态双轴压缩强度准则的研究仅停留在低应变率范围(10^(−5) s^(−1)~10^(−2) s^(−1))。针对这些强度准则在更高应变率范围内是否适用,该研究建立了细观随机骨料模型,对边长100 mm的混凝土立方体试块开展了动态双轴压缩细观模拟分析。研究了应变率和侧应力比对混凝土动态双轴压缩破坏模式及压缩强度的影响,建立了适用于更高应变率的动态强度准则。研究结论:相同侧应力比下,随应变率增大,混凝土内部损伤区域增多,动态压缩强度增大;相同应变率下,随侧应力增大,混凝土破坏模式由柱状压裂变为片状劈裂,动态压缩强度先增大后减小。现有的混凝土动态双轴压缩强度准则在应变率为10^(−5) s^(−1)~1 s^(−1)时很难适用,而该研究建议的强度准则适用于更高的应变率范围,并且得到了不同物理试验的初步验证。

颗粒形状对粒状材料破碎演化规律及强度准则影响

为探讨颗粒形状对粒状材料的颗粒破碎演化规律及强度特征的影响,提出了一个新的粒状材料颗粒形状量化参数,设计了一种考虑三维颗粒形状的人工试样制备方法,随即进行了常规三轴压缩试验,并分析了颗粒破碎和强度特征,最终建立了一个二元介质强度准则,具体的研究成果为:建立颗粒形状量化参数——球形模量G_(M),在此基础上制备了5种不同形状的可破碎粒状材料三轴试样,并发现球形模量影响着粒状材料的三轴压缩强度特征;通过筛分确定试样的颗粒破碎情况,对试样的颗粒破碎演化规律和临界状态进行探讨,发现颗粒形状通过影响颗粒破碎规律而控制着宏观强度的非线性演化特征;以二元介质理论为基础,建立了考虑颗粒形状的可破碎粒状材料强度准则,并通过试验对其适用性进行了验证。

一种改进的真三轴Hoek–Brown强度准则

Hoek–Brown强度准则已经广泛应用于岩石与岩体力学分析、岩石边坡稳定性分析、岩石隧道设计等领域,但常规Hoek–Brown强度准则未考虑中间主应力对岩石强度的影响,应用上不能反映岩石的真三轴力学性能,因此有必要对Hoek–Brown强度准则进行改进。通过分析岩石的真三轴试验结果,明确了岩石中间主应力对岩石强度的影响存在增强和抑制两种特征,当中间主应力大于临界值σ*2时,岩石强度被增强;当中间主应力小于临界值σ*2时,岩石强度被减弱。基于中间主应力的临界应力状态,引入中间主应力系数β,将一种2维Hoek–Brown强度准则改进为真三轴Hoek–Brown强度准则。采用非线性拟合方法确定了模型中的参数,通过对比8种岩石类型的真三轴试验数据,对改进后强度准则的精确性和普适性进行验证,并与其他3种真三轴强度准则做对比。结果表明:改进的真三轴强度准则的最佳参数m取值均能落在Hoek和Brown建议的取值区间,能够继承Hoek–Brown强度准则的优点。改进后的强度准则对8种岩石类型的均方根差(RMSE)均低于另外3种准则,能够准确预测岩石强度,且适用于大多数岩石类型,较好地体现了中间主应力对岩石强度的影响;Pan–Hudson准则总是在低σ2条件下高估岩石强度值,在高σ2条件下低估岩石强度值;Zhang–Zhu和Priest准则对岩石类型具有较强依赖性,描述精度较差。因此,改进的真三轴Hoek–Brown强度准则具有重要的应用推广价值。

基于Tsai-Wu失效准则的TSCB人行桥强度分析

随着FRP(Fiber Reinforced Polymer)技术的快速发展,给公共和工业用人行桥提供了新型有效的解决方案.FRP建造桥梁结构具有施工速度快、重量轻、耐腐蚀性好、易于维护等优点.本文以瑞士FRP结构TSCB(Twin Shape Composed Beam)人行桥为工程背景,利用有限元分析软件ANSYS对TSCB人行桥桥梁强度及形变进行了有限元仿真分析.对TSCB人行桥在极限行人载荷下的跨中竖向最大挠度进行了仿真,并运用Tsai-Wu失效准则对TSCB人行桥的各层材料进行了强度分析,为TSCB人行桥的安全性提供了设计参考.

Tsai-Wu准则用于三维编织复合材料矩形梁强度计算

以Tsai-Wu强度准则的二阶表现形式为基础,提出了一种计算三维编织复合材料矩形截面梁纵向拉伸强度的理论方法.该方法把三维编织复合材料看作横观各向同性材料,从而在确定Tsai-Wu强度准则的各阶强度张量系数时可以进行简化,使Tsai-Wu强度准则能较好地应用于三维编织复合材料的强度计算.通过理论计算与实验结果也验证了这结论.

岩石-钢纤维混凝土复合层动态抗压强度计算模型

为了研究冲击荷载下岩石-钢纤维混凝土(R-SFRC)复合层的抗压强度模型,利用分离式霍普金森压杆对花岗岩、混凝土和R-SFRC复合层进行动态冲击压缩试验,并通过回归试验结果得到R-SFRC复合层的对数型、幂函数型和强度-应变率依赖机制型3种强度模型,同时考虑R-SFRC复合层界面相互作用,基于Mohr-Coulomb强度准则建立复合层动态抗压强度计算模型。结果表明,R-SFRC复合层动态抗压强度随应变率及钢纤维掺量增大而增大;3种回归模型拟合复合层动态抗压强度试验结果的相关系数范围为0.918~0.999,其中依赖机制型模型与试验结果的相关性最大;基于Mohr-Coulomb强度准则的3种模型得到的复合层抗压强度计算值相对试验值的误差范围为-9.23%~3.16%,对数型模型的误差最大值较小。R-SFRC复合层动态抗压强度计算模型可为混凝土支护隧道围岩设计提供理论基础。