基于收敛——约束法的剪胀——软化型隧道围岩——支护结构相互作用

目前的隧道围岩支护结构计算方法未能很好地同时考虑围岩剪胀及软化特性和中间主应力的共同影响。首先介绍了考虑岩石剪胀及软化效应的隧道围岩力学模型及考虑中间主应力的广义SMP强度准则。而后,根据收敛—约束法中隧道纵向变形曲线、围岩特征曲线、支护特征曲线的相互关系,建立了能够同时考虑隧道围岩剪胀及软化特性和中间主应力影响的隧道围岩—支护结构相互作用力学模型,并验证了其合理性。最后,采用敏感性分析分别探讨了地应力参数、支护结构参数和岩石参数对围岩最终位移、支护结构最终支护力及变形量的影响。结果表明:地应力的增加将导致围岩变形及塑性区增大,所需支护力增加。中间主应力系数对计算结果有较大影响,应予以考虑;支护结构弹性模量的增加可以提高支护力,并大幅度减少围岩和支护结构变形;岩石弹性模量及临界软化系数的增加可以降低围岩变形及支护结构受力。

平面应变条件下基于弹性理论的土压力计算及适用性研究

针对工程中大量存在的平面应变问题,依据平面应变条件和广义胡克定律,基于SMP、Lade-Duncan、AC-SMP和广义Mises强度准则,推导出考虑中主应力及泊松比影响的无黏性土主、被动土压力计算公式,并将其扩展至黏性土,讨论基于各强度准则土压力计算公式的适用范围。结果表明:考虑中主应力对土强度的贡献后,基于各强度准则所计算的主动土压力均小于朗肯主动土压力,被动土压力均大于朗肯被动土压力;主动土压力Pa随着泊松比的增大而减小,被动土压力PP随着泊松比的增大而增大,且泊松比越大,与实测数据更为接近;基于同一强度准则下得到的主、被动土压力适用的内摩擦角范围随着泊松比的增大而增大;基于各强度准则的土压力计算公式均能较好的描述挡土结构上土压力的大小,其中广义Mises强度准则计算结果与实际工程更为吻合,研究成果可为挡土结构上土压力的计算提供一定理论参考。

Drucker-Prager准则参数特性分析

Drucker-Prager准则在数值计算中得到广泛运用。但如果该准则的参数选取不当,可能导致预测与试验结果之间不一致。通过分析函数基本特性,考察该准则反映中主应力对强度参数影响的能力,探讨导致预测与试验结果之间不一致的可能原因。进而对目前常用的参数表达式进行详细的分析,并考察平面应变情况下Drucker-Prager准则的参数特性。分析表明:Drucker-Prager准则不能合理地反映中主应力对强度参数的影响,且在平面应变情况下会得出中主应力系数小于0的结论。

考虑中间主应力的横观各向同性深埋圆隧弹塑性解

平面应变条件下的深埋圆形交通隧道问题一般忽略中间主应力影响,但塑性区围岩的变形与实际情况会产生较大差异。岩土与地下工程中多遇到层状岩体,常将其处理为横观各向同性固体材料。充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,基于平面应变假设得出了与横观各向同性材料相适应的Drucker-Prager准则并将其与Mohr-Coulomb准则精确匹配,在此基础上推导了考虑剪胀特性的横观各向同性理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式;根据所得的中间主应力表达式,推导出横观各向同性深埋圆形隧道围岩塑性区应力位移解析式;结合实际算例,分析了横观各向同性参数与围岩剪胀角对横观各向同性深埋圆形公路隧道围岩塑性区位移的影响规律。为深埋圆形交通隧道的计算和设计提供更为合理的理论基础。

平面应变条件下土的强度准则在黄土工程问题中的应用研究

文章依据Mohr-Coulomb、Matsuoka-Nakai、■空间滑动面、Lade-Duncan、AC-SMP强度准则所建立的平面应变条件下的中主应力公式和土的平面应变强度准则,对黄土工程中常见的平面应变问题进行分析和计算,包括黄土基坑直立开挖平面应变问题、挡土结构土压力问题和条形基础地基承载力问题。研究结果表明,平面应变条件下Lade-Duncan准则和■空间滑动面强度准则对于各种黄土工程的计算结果是基本相同的,进一步说明Lade-Duncan强度准则描述土单元剪切破坏时的空间滑动面近似为■空间滑动面;平面应变条件下所推导的各个强度准则在进行黄土工程具体问题分析时与常用的Mohr-Coulomb准则有较大的差异,Mohr-Coulomb准则趋于保守,未能充分发挥黄土的强度。在进行平面应变问题的黄土工程设计时,可选择适合黄土的强度准则,考虑平面应变条件下中主应力对土强度的贡献,充分的发挥黄土的原生结构特性,在工程建设中提高经济性。

平面应变条件下土的强度准则分析及验证

应用Mohr-Coulomb、Lade-Duncan、广义Mises、Matsuoka-Nakai、AC-SMP强度准则,以及平面应变条件和相关联流动法则,建立了平面应变条件下土的强度准则。通过分析不同平面应变条件强度准则,确定最大、最小主应力比随土的内摩擦角的变化规律,分析了各强度准则的适用性。当内摩擦角小于30°时,各强度准则的差异性较小;当内摩擦角大于30°时,各强度准则的差异逐渐增大;内摩擦角较大时,广义Mises平面应变强度准则已不适用于描述土的破坏应力条件。同时,考虑黏聚力的作用,将无黏性土平面应变强度准则推广应用于黏性土,根据黄土的平面应变试验结果对各强度准则进行了初步验证,结果表明:Matsuoka-Nakai强度准则适用于描述砂土的强度,Lade-Duncan、AC-SMP强度准则可以很好地描述黄土的强度。

考虑中间主应力的深埋圆形隧道弹塑性统一解

为了充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,在平面应变假设下将统一强度准则精确匹配为Drucker-Prager强度准则,推导了考虑剪胀特性的理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式,并结合非关联流动法则推导出深埋圆形隧道塑性区的应力与位移统一解.结果表明,经典的Kastner解为所得应力与位移统一解的特殊情况.同时,根据应力与位移统一解公式并结合实际算例,分析了中间主应力和围岩剪胀角对深埋圆形隧道塑性区的影响规律.

基于Lade-Duncan准则的巷道围岩抗力系数

基于Lade-Duncan屈服准则,合理考虑中主应力、剪胀特性以及塑性区真实弹性应变的综合影响,推导出巷道围岩抗力系数表达式。结果表明:与Mohr-Coulomb强度准则下的围岩抗力系数计算值对比,考虑中主应力影响的Lade-Duncan准则能充分发挥围岩的强度潜能,提高围岩抗力系数;剪胀特性对围岩抗力系数影响不可忽视,不考虑围岩剪胀特性,将高估巷道围岩抗力系数,设计偏危险;另外,假定塑性区的弹性应变为常数将高估围岩抗力系数,在围岩剪胀性较强时误差更明显,实际工程中应考虑围岩塑性区真实弹性应变。

防止承压设备总体塑性变形的5%最大主应变准则

提出了按5%应变确定塑性载荷的最大主应变准则。该准则可以用来防止承压设备的总体塑性变形。5%最大主应变准则只需要经过弹塑性分析,求出承压设备在载荷作用下产生的最大主应变,当最大主应变达到5%时,作用在承压设备上的载荷就是塑性载荷。与其它已有确定塑性载荷的准则相比较,5%最大主应变准则不需要预先画出载荷—变形(应变)曲线,因而,就不需要选择变形参数(选择变形点的位移,或者容器体积的变化等)。例子分析给出了5%最大主应变得到的塑性载荷,并与应力分类方法、两倍弹性斜率准则和双切线准则作了比较。

不同试验方法的沥青混合料强度特性

为了研究沥青混合料弯曲试验、直接拉伸试验和劈裂试验的拉应变破坏原因,采用不同试验方法对沥青混合料强度特性进行研究,得到沥青混合料强度、破坏应变和临界应变能密度参数随加载速度的变化规律。研究结果表明:沥青混合料强度和临界应变能密度随加载速度的增大而增大;以极限承载能力作为破坏准则,导致在强度参数取值时存在随意性问题,影响路面结构设计的科学性;拉应变是导致沥青混合料发生破坏的主因;以主拉应变作为破坏准则,可以通过加载速度统一不同试验方法的各个力学参数,解决沥青混合料强度的不确定性问题和破坏原因不明的问题。

复合型裂纹脆断主应变因子准则

提出了一种复合型裂纹脆断的主应变因子准则 .该准则为 :1 )定义垂直于裂纹扩展径向平面上的主应变ε1及极径 r的组合量 2πrε1为主应变因子ε1,裂纹将沿主应变因子取得最大值的径向扩展 ;2 )垂直于裂纹扩展径向平面上的主应变因子的方向与原裂纹面法线方向的夹角为扩展裂纹面的扭转角 ,当主应变因子达到临界值时裂纹将失稳扩展 .由此导出了裂纹的开裂方向和裂纹面扭转角及断裂方程 . - 复合型裂纹断裂试验表明 :主应变因子准则与试验结果基本相符 ,利用其进行断裂评定较安全 .

基于中主应力修正关系的边坡稳定性分析

边坡稳定性分析时通常将应力条件简化为平面应变状态,采用三轴试验强度计算出的边坡稳定性偏于保守。在充分考虑中主应力物理含义及力学机制的基础上,将Mises屈服准则与Mohr-Coulomb（简称M-C）内切圆屈服准则进行匹配,得到了平面应变条件下土体屈服破坏时中主应力的理论修正关系,进而也得到了该条件下最大主应力与最小主应力的比值关系,从理论上证明了该比值关系是与土体平面应变破坏时内摩擦角成一定关系的常数,也在平面应变试验中得到了验证,从侧面反映出中主应力理论修正关系的合理性。由上述两种关系建立了土体平面应变破坏条件下的应力路径,结合Lade-Duncan强度准则,建立了平面应变条件下强度参数与三轴试验试验条件下强度参数转换公式,由该转换公式得到的平面应变条件下的强度参数与平面应变试验实测值误差在2%左右,大幅缩小了三轴试验实测值与平面应变试验实测值的误差。在均质边坡稳定分析中分别采用常规三轴试验强度值与由公式转换得到的平面应变强度值进行计算。研究结果表明,三轴试验条件下内摩擦角为10°~20°之间时,基于两种强度参数得出的安全系数相差不大;当三轴试验条件下内摩擦角大于20°时,平面应变条件下安全系数较三轴试验条件下提高19%左右,但该成果只在文中计算案例有效,两者误差的准确关系还有待于进一步研究。值得关注的是,由于平面应变条件下土体强度变大,边坡的临界滑面深度变浅了,其形态相应变陡。

地基承载力的广义强度安全系数

基于太沙基假定的地基滑动面 ,分析了地基土单元的平面应变应力状态 ,并引入SMP三维强度准则和变换应力空间 ,将变换应力空间内等平均主应力条件下的强度包线半径与偏应力半径平均值的比值定义为广义强度安全系数。通过工程实例 ,解释了地基承载力安全系数和广义强度安全系数的相互关系。

空间复合型裂纹的性能参数

为了进行空间复合型裂纹的应力强度因子K与应变能释放率G的关系研究,应用断裂力学理论,基于最大主应变准则对Ⅰ型裂纹、Ⅲ型裂纹以及空间复合型裂纹的扩展进行理论分析,应用主应变下的空间复合型裂纹开裂断裂准则推导出Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹K与G的关系式,并利用有限元软件ANSYS对关系式进行验证。结果表明,该关系式计算结果与有限元软件的计算结果吻合较好,相对误差在允许范围内。

考虑中间主应力的深埋圆形巷道弹塑性位移解

平面应变条件下的深埋圆形巷道一般忽略中间主应力的影响,但塑性区围岩的变形与实际情况会产生较大差异.为了充分考虑中间主应力对深埋圆形巷道的影响,基于平面应变假设与关联流动法则将Mohr-Coulomb准则精确匹配为Drucker-Prager准则,在此基础上推导了理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式;根据所得的中间主应力表达式结合关联流动法则,不引入任何假设,得出塑性区体积扩容的关系式;进一步推导了考虑中间主应力影响的深埋圆形巷道塑性区应力位移解析式,其中径向应力、切向应力及塑性区半径的表达式与卡斯特奈(Kastner)解完全一致,但卡斯特奈(Kastner)解无法得出中间主应力,而新的位移解析式则与以往的文献完全不同;经与以往文献的位移理论解比较分析知,新的位移解答更加合理.因此,考虑中间主应力的解答为深埋圆形巷道的计算与设计提供更为科学的理论基础.

平面应变状态下广义Mises准则参数特性

考察了平面应变状态下广义Mises准则参数表达式的基本特性。分析表明,平面应变状态下广义Mises准则会出现中主应力系数小于0的不合理情况,这可能就是导致预测与试验结果之间不一致的原因之一。

粗粒料三维应力状态强度准则研究

中主应力对粗粒料强度有重要影响,而强度研究中常用的大型三轴试验不能考虑中主应力对粗粒料强度的影响。通过大型真三轴各向等压固结等比例加载试验,研究了三维应力状态下粗粒料的强度特性。试验结果表明:随着中主应力系数b的增大,粗粒料大小主应力之差的峰值也逐渐增大,特别是中主应力系数从0增大到0.25时,大小主应力之差的峰值的增大幅度较大,增加了近50%。Lade-Duncan准则较好地描述了粗粒料内摩擦角的变化趋势,不过高估了内摩擦角;SMP准则较好地反映了中主应力系数从0增大到0.25时的内摩擦角的数值大小,但中主应力系数>0.25之后,SMP准则计算的内摩擦角基本随着b的增大而减小,低估了粗粒料的内摩擦角。提出采用的Lade-Duncan准则与SMP准则相结合的单参数复合强度准则,较好地反映了粗粒料强度的数值大小和变化趋势。提出的强度准则在三维主应力空间呈三角锥曲面族形状,轴对称应力状态下的内摩擦角越小,强度越小,三角锥曲面越小,锥角越浑圆,越接近于圆形,而内摩擦角越大,强度越大,三角锥曲面越大,锥角越尖锐,越接近于正三角形。

渗流作用下深埋岩石巷道不同强度准则对比分析

强度准则的选取是否得当,会直接影响到巷道围岩的稳定性评价与控制。为了研究强度准则效应对渗流环境下深埋圆形巷道围岩稳定性的影响规律,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论(UST)和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行了归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后针对受孔隙水压力作用的深埋圆形巷道建立理想弹塑性模型,综合考虑渗流体积力、中间主应力效应、围岩的剪胀特性以及不同的塑性区弹性应变处理方式,基于弹塑性理论推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解,并通过具体算例对新解的多方面影响因素进行了对比分析。研究结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配多种常用的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的MC准则和DP系列准则的计算结果相对保守;考虑中间主应力效应时,可优先选用外接圆DP准则和权系数为0.5的统一强度理论,谨慎选用权系数为1的统一强度理论;中间主应力对围岩强度具有区间效应,不考虑中间主应力效应的强度准则普遍偏于保守;岩土材料的剪胀特性不仅与围岩剪胀角有关,而且还与建立的塑性势函数有关;剪胀不会改变围岩的塑性区半径,但会影响塑性区的位移分布,若不考虑剪胀将会低估围岩的实际变形;不建议将塑性区的弹性应变视为常数,应当考虑塑性区应力重分布的影响,采用广义胡克定律进行分析。

考虑应变软化和扩容的圆形巷道围岩强度准则效应

为了研究强度准则效应对圆形巷道围岩稳定性的影响,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后将巷道围岩划分为破碎区、塑性软化区和弹性区,同时引入强度参数软化模量和扩容系数,考虑中间主应力效应、岩石峰后应变软化和扩容特性,推导了巷道围岩应力、位移和塑性区半径统一解,并对新解的各影响因素进行了对比分析。分析结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配不同的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的强度准则相对偏于保守,考虑中间主应力效应时,MO准则和权系数<0. 5的统一强度理论计算得到的塑性区半径和位移处于中间水平,而外接圆DP准则和权系数>0. 5的统一强度理论对中间主应力效应考虑较多,选用时需谨慎;应变软化会使塑性区内围岩的性质得到进一步劣化,出现更大范围的破碎区,提高破碎区残余强度是一种有效的支护方法;巷道围岩的扩容特性不仅与剪胀角有关,而且还与塑性势函数有关,不考虑扩容将会低估围岩的真实变形。研究结果可为巷道围岩稳定性评价和支护设计提供重要理论参考依据。

基于Lade-Duncan准则的平面应变强度公式

在弹性-理想塑性和相关联流动法则的假设下,基于Lade-Duncan准则,得到了平面应变破坏的中主应力条件,提出一种新的平面应变条件下的强度公式。该公式将平面应变条件和常规三轴压缩条件下的抗剪强度指标联系起来,只须通过常规三轴试验,就可确定平面应变条件下的内摩擦角和黏聚力,可以有效反映中主应力对平面应变内摩擦角的提高效应。证明了等效内摩擦角达到极大值的条件即为平面应变条件下无黏性土的破坏条件,以及绘制π平面上3种准则的几何关系,阐明平面应变强度公式的数学意义。最后,通过地基承载力试验结果验证了该公式的有效性。在使用规范方法或有限元软件进行平面应变计算时,该公式可考虑中主应力的影响,选取更为有效的抗剪强度指标。