基于真三轴单面卸荷强度双折减法修正D-P准则研究

为了准确地评价巷(隧)道开挖面附近围岩的稳定性,采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对大理岩进行不同主应力加卸载试验,研究大理岩强度参数的演化特征。基于Mohr-Coulomb(M-C)准则与Drucker-Prager(D-P)系列准则匹配关系推导分析,探讨黏聚力c、内摩擦角?和Lode参数值的变化规律,确定最大衰减路径,得出黏聚力c和内摩擦角?的强度双折减系数。研究结果表明:(1)M-C准则和D-P准则计算破坏强度的条件是主应力为对称加卸载,在最小主应力单面卸荷的条件下,其准则计算的破坏强度值偏高;(2)M-C准则通过强度双折减后计算的破坏强度值偏低;(3)基于M-C准则强度双折减法对D-P准则进行修正,计算的破坏强度值更接近实际情况。研究结果对于控制地下工程灾害、保障施工安全具有重要的指导意义。     

应力Lode角对砂岩变形特性影响

 基于自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,进行真三轴应力( )条件下,保持球应力、偏应力不变而改变应力Lode角试验,研究了球应力、偏应力不变条件下,应力Lode角旋转对岩石变形特性的影响。结果表明：3个主应变、体应变及偏应变均随应力Lode角的变化而改变;偏应力相等时, , , , 及 随着偏应力比M(q/p)的增大而呈现递减趋势;球应力相等时,3个主应变、体应变及偏应变随着偏应力比M的增大呈现先减小后增大的趋势,且在M较大时失稳破坏。岩石破坏时形成多个近似垂直于 方向而平行于 , 方向的破坏面,且强度值较常规加载明显偏小;偏应力比M对偏应变模量Gs有较大影响。球应力主要影响岩石的体积变化,且有一定的区间性;偏应力主要影响岩石的畸变,对岩石破坏起重要作用。试验砂岩的塑性变形受Lode角影响较大,塑形流动方向为 。       

基于Drucker-Prager准则的边坡安全系数定义及其转换

探讨了基于D-P(Drucker-Prager)准则的边坡稳定安全系数定义形式,提出了各D-P准则之间的安全系数转换关系,并据此建立了基于D-P准则的边坡稳定安全系数与传统莫尔–库仑准则条件下安全系数的关系表达式。目前,ANSYS有限元软件采用的岩土材料屈服准则为莫尔–库仑六边形外接圆D-P准则,在利用有限元强度折减法计算边坡稳定安全系数时,可以先求出外接圆D-P准则条件下的安全系数,然后利用所提出的安全系数转换公式就可直接计算出各D-P准则条件下的安全系数。对于平面应变条件下的强度问题,平面应变莫尔–库仑匹配D-P准则(分关联和非关联两种情况)与莫尔–库仑准则等效,因此,通过转换就可以在ANSYS程序中实现莫尔–库仑准则,而不需要进行二次开发。这样就解决了基于D-P准则的有限元强度折减安全系数与传统工程中采用的安全系数(基于莫尔–库仑准则)间的接轨问题。大量算例结果表明:在平面应变条件下采用平面应变莫尔–库仑匹配D-P准则求得的安全系数与传统极限平衡条分法中用Spencer法求得的安全系数非常接近,且误差在1%～2%,已经具有相当高的计算精度,也同时证明所提出的方法是可行的。     

对“基于M-C准则的D-P系列准则在岩土工程中的应用研究”讨论的答复

非常感谢刘金龙博士等对拙文“基于M-C准则的D-P系列准则在岩土工程中的应用研究”(以下简称“原文”)的关注及讨论,现对讨论的问题进行答复:(1)讨论把中主应力系数b=(σ2?σ3)/(σ1?σ3)及大、小主应力比系数t=σ1/σ3引入到对无粘性土的D-P系列准则的控制方程中(讨论稿式(1)),对不同内摩擦角?时满足控制方程的b与t的相互关系进行分析,并在一定的?值下特定的b(t)下求得了不合理的t(b)值,以此认为D-P系列准则可能在一定的区段上不存在物理意义。要搞清这个问题,首先来看一看D-P系列准则的屈服方程与t、b在应力空间的相互关系:假设(σ2?σ3)=b′(σ1?σ3),σ1=t′     

基于弹性应变能D-P强度准则修正

针对D-P强度准则存在的拉剪区偏大及不具备应力角效应等不足之处,为使其更符合岩石的屈服(破坏)机制,从弹性应变能角度对D-P强度准则进行修正,开展如下工作：为便于研究将弹性应变能分为偏量弹性应变能与张量弹性应变能之和,并分析各能量对材料破坏影响;研究D-P强度准则的物理意义及其不足之处产生的内在原因,并基于此建立广义D-P强度准则,总体上可较好地反映岩石的破坏特性,并能较好地解决拉剪区偏大及应力角效应等问题。对4种不同岩石的破坏强度进行计算,结果表明：广义D-P强度准则计算结果较为精确,该准则突破材料破坏时泊松比恒为0.5传统假设,对于准确定量地描述岩石破坏特性具有重要意义。     

非线性Mohr-Coulomb破坏准则下边坡可靠度上限

传统边坡可靠度分析往往在岩土参数服从线性Mohr-Coulomb(简称线性M-C)破坏准则的假设条件下进行,并且常常采用极限平衡法或有限元法计算安全系数。然而,岩土介质破坏准则具有一定的非线性。为能更加实际地描述岩土破坏机理和得到严格精确的解,基于非线性MohrCoulomb(简称非线性M-C)破坏准则,结合极限分析上限法和蒙特卡洛法,进行边坡可靠度上限分析。当非线性参数m=1时,与等效的线性M-C破坏准则进行对比计算,验证了方法的可行性。同时,将初始粘聚力、内摩擦角arctan(c0/σt)和非线性参数作为随机变量且服从截断正态分布,进行了参数变异性和敏感性影响分析。研究表明:非线性M-C破坏准则下,边坡可靠度随初始粘聚力、内摩擦角arctan(c0/σt)和非线性参数变异性的增大而减小;边坡可靠度随初始粘聚力和内摩擦角arctan(c0/σt)的增大而增大,随非线性参数的增大而减小。     

各D-P准则之间一种新的转化方法的探讨

鉴于目前有限元分析软件ANSYS等中采用的屈服准则仅为众多Drucker-Prager中的一种,且经大量实例证实此种准则误差较大,因此如何将其它D-P准则应用于ANSYS当中则显得非常重要。传统的做法是在计算之前实现岩土体强度指标的转换,而文章则依据各D-P准则在π平面上圆半径的大小即为其抗剪强度值这一物理意义,得出不同的D-P准则在π平面上投影圆的半径之比即为对应的D-P屈服准则所得安全系数的比值这一结论,由于此比值只与土体的内摩擦角有关,文章列出了常用内摩擦角值对应的各种D-P准则所得均质土坡安全系数的转化表格,便于应用ANSYS采用不同D-P准则求解边坡安全系数时查用,最后结合工程实例简化模型验证了上述结论。     

多类混凝土和各向同性岩石损伤比强度准则

针对已有损伤比变量下的损伤比强度理论仅适用于混凝土且偏平面略有内凹等不足,基于多轴应力下混凝土损伤比强度理论的一般形式,根据已有试验资料关于普通混凝土、再生骨料混凝土、轻骨料混凝土和各向同性岩石破坏包络面的特征,建议考虑Lode角和静水压力对受压损伤比影响以及考虑材料类型对受拉损伤比影响的六参数损伤比变量表达式,且损伤比变量取值得到单轴、二轴和三轴受力状态下混凝土和单轴受力状态下各向同性岩石应力 应变曲线试验结果的验证。通过与国内外397组混凝土、130组再生骨料混凝土、97组轻骨料混凝土、179组单轴抗压强度小于100MPa的岩石(用“岩石Ⅰ类”表示)和165组单轴抗压强度大于100MPa的岩石(用“岩石Ⅱ类”表示)多轴强度试验资料的比较,表明考虑Lode角和静水压力后的六参数损伤比强度准则与相对应材料的三维破坏包络面精度较高。此外针对二轴应力状态,提出了进一步简化的损伤比强度准则。     

复杂应力状态石英云母片岩强度参数研究

针对具似层状结构的石英云母片岩,采用原位真三轴试验新技术,模拟隧洞开挖边墙的复杂应力状态,取得卸侧压路径原位真三轴强度和流变试验成果,并按反映岩体三剪应力状态的D-P准则研究复杂应力状态岩体强度参数。对于特定应力状态,垂直于片理面卸载,D-P准则参数低于M-C准则强度参数。通过比较卸侧压路径、加轴压路径的三轴强度参数以及岩体直剪强度参数,按D-P准则整理的卸侧压真三轴流变强度参数能更好地反映复杂应力状态围岩强度特征。     

堆石料平面应变条件下统一强度理论参数研究

 堆石料的常规三轴、方形三轴和平面应变试验对比分析表明,方形三轴试验的应力–应变曲线与常规三轴的存在显著差异,方形三轴试验对应的峰值强度高于常规三轴试验,堆石料密度较大时,应力–应变曲线呈现软化特征,存在明显的偏应力峰值。任何一组方形三轴试验对应的莫尔圆大致具有同一条公切线,平面应变试验也具有类似的强度特性,可采用直线型Mohr-Coulomb破坏准则描述堆石料的强度特性,同一种堆石料在平面应变条件下破坏时的Lode参数基本保持不变,且在数值上近似等于方形三轴试验对应内摩擦角的正弦值。在试验结果的基础上,通过双剪强度理论建立平面应变条件下堆石料的强度与方形三轴强度的关系式。对平面应变状态下堆石料强度影响因素分析表明,在本文的模型框架内,平面应变状态下的内摩擦角仅与三轴应力状态下的内摩擦角相关,而对应的黏聚力主要取决于方形三轴试验对应的黏聚力,三轴应力状态下的内摩擦角对其影响较小。通过与试验数据的对比表明,本文建立的强度关系式基本可以描述堆石料在平面应变条件下的强度特性。     

基于M-C准则的D-P系列准则在岩土工程中的应用研究

通过适当的变化,D-P系列屈服准则便可与能够很好地描述岩土材料的强度特性的Mohr-Coulomb准则相匹配。文中对系列D-P系列屈服准则进行了比较系统及深入的研究,指出了D-P系列屈服准则的应用条件、相互之间的关系,并给出了一种D-P系列屈服准则的相互转换的方法。最后通过平面应变条件下的地基进行了有限元分析,通过与Prandtl经典理论解的对比,得出了大量有益的结论。数值分析结果有力的验证了本文有关理论的正确性。     

均质各向同性硬岩统一应变能强度准则的建立及验证

 在大量硬岩多轴加、卸荷强度试验成果分析基础上,研究硬岩强度及强度准则的基本特性,指出硬岩多轴加、卸荷强度均具有中间主应力效应、最小主应力效应、静水压力效应、应力Lode角效应和拉压异性效应。以强度准则的Zienkiewicz一般形式为基础,提出在Rankine型强度曲线和Drucker-Prager型强度曲线过渡的两参数表征的偏平面形函数,与有效应变能理论为基础的Wiebols-Cook强度准则的改进型子午面形函数相结合,建立均质各向同性硬岩统一应变能强度准则。大量硬岩加、卸荷试验数据验证了该强度准则能客观地反映各向同性硬岩强度基本特性和硬岩强度的非线性特征。通过参数调整,提出的统一强度准则将大量现有强度准则统一到同一强度理论框架下,极大地方便了强度理论的数值实现,适用于多种各向同性硬质岩类,进一步丰富了统一强度理论研究成果。     

基于统一强度理论的软岩损伤统计本构模型研究

基于统一强度理论，在考虑洛德参数的基础上，得到随洛德参数和中间主应力系数变化的材料统一强度参数，建立可以考虑中间主应力的统一强度理论平面形式的强度准则。假定软岩微元强度分布统计概率，定义软岩的统计损伤变量，依据统一强度理论建立三轴应力状态下软岩的损伤统计本构模型。通过软岩的常规三轴试验结果对其进行验证，对偏应力-应变的理论结果与试验结果进行比较。研究结果表明，该本构模型能够较好地反映软岩的偏应力-应变关系，尤其是应变软化特性。而且依据统一强度理论和统一强度内摩擦角的发挥，进一步分析表明洛德参数以及中间主应力系数b对偏应力一应变关系有影响，软岩的偏应力-应变曲线先随洛德参数的增大而上升到一定值，而后随洛德参数的增大而降低；随中间主应力系数b的增大而不断增加。     

不同强度准则下软岩巷道底板破坏安全性比较分析

长期以来,对地下硐室的稳定性评价一直缺乏一个合理的评判标准,传统有限元法无法计算出硐室的安全系数,仅凭应力、位移和塑性区大小很难确定硐室的安全度。为解决这一难题,吸收极限分析有限元方法的优点,开展基于强度折减技术的软岩巷道底板的安全系数求解。极限分析本质上是强度问题,强度准则的选取对求解结果影响很大,为此探讨不同强度准则参数之间的关系和经典D-P准则与扩展D-P准则之间的剪切安全系数的转换。考虑巷道底臌是由于两帮岩体产生压模效应而造成底板岩体出现的整体剪切破坏,通过不断折减岩体的抗剪强度参数,以底板特征点位移突变为破坏判据,求解底板的稳定安全系数及潜在破裂面,并比较不同强度准则下的求解结果。结果表明,安全系数的理论转换公式具有较高的计算精度;不同强度准则求解的安全系数关系为DP1准则＞M-C准则＞扩展D-P准则＞DP4准则＞DP2准则＞DPM-C准则＞DP3准则,即DP1准则是偏不安全的,其中DP2,DPM-C,DP3准则求解结果吻合较好;网格密度及剪胀角的选取对结果收敛影响很大。     

岩石统一能量屈服准则

不同于金属材料,岩石材料由于具有内摩擦特性而表现出明显的Lode角效应等特点,其屈服过程不仅与广义剪应力有关,还受静水压力的影响。为建立适用范围更广、更符合岩石屈服机制的屈服准则,开展如下主要工作：综合考虑岩石材料屈服时的剪切滑移和法向压密机制,将与屈服相关的能量划分为3个复合滑动面的剪切应变能之和与体积应变能,并给出相应的计算公式;几种不同性质的岩石试验结果表明,岩石屈服时的2种能量近似符合线性关系,基于此,建立岩石统一能量屈服准则,总体上它可较好地描述岩石材料的屈服特性,如子午面上的曲线形态、Lode角效应等;通过对常用的岩石屈服准则进行对比分析,指出统一能量屈服准则是多种常用岩石屈服准则的一般形式;分别采用统一能量屈服准则、三剪能量屈服准则、Mohr-Coulomb屈服准则、Drucker-Prager屈服准则、双剪强度理论、Hoek-Brown准则和Murrell准则对3种不同性质岩石的屈服强度进行计算,结果表明统一能量屈服准则的计算结果比较精确(尤其是在高围压和高静水压力条件下),并且分析统一能量屈服准则产生上述结果的本质机制,探讨岩石材料屈服时剪切应变能为定值的传统假设近似成立的条件。所建立的岩石统一能量屈服准则突破了岩石材料屈服时剪切应变能为定值的传统假设,通过分析体积应变能对岩石屈服的影响规律,在屈服准则中合理地考虑体积应变能的影响因素,这对于准确地定量分析岩石材料的屈服特性具有重要意义。     

指数型岩石真三轴强度准则

岩石强度是工程岩体稳定性评价和结构优化设计的前提和基础,通过岩石真三轴试验分析了岩石强度演变特征:(1)随着最小主应力的增加,岩石强度逐渐增大,但增幅逐渐减小并趋于零;(2)岩石广义压拉强度比随静水压力的增大呈先增大再减小的规律,并最终趋于1,即在π平面上呈三角形向圆形转变的过程;(3)岩石强度随中间主应力增大表现为先增大再减小的过程。三参数型指数函数完全符合岩石强度在子午面上的基本特点,而L_(WW),L_(MN)和L_(YMH) 3个罗德函数准确反映了中间主应力对岩石强度的影响,且无条件满足拉压子午面区间光滑、连续、外凸性要求。利用π平面广义拉压强度比和罗德函数将指数型拉压子午面结合,构建了指数型真三轴强度准则,分析了强度参数对岩石强度的影响及其空间包络特征。最后采用14种岩石的真三轴试验数据对指数型真三轴强度准则进行了最优拟合误差分析,结果表明指数型真三轴强度准则均具有良好的拟合精度,可正确描述软–硬不同性质岩石的强度特征。     

用有限元强度折减法计算边坡安全系数

利用三种D-P准则,采用强度折减有限元法并借助ANSYS软件分析了边坡的稳定性,并给出了滑裂面及安全系数,计算结果表明,滑裂面可根据土坡破坏时等效塑性区应力云图和x方向位移云图确定;用摩尔一库仑匹配D．P准则分析边坡稳定的结果与传统的极限平衡Spencer法计算结果的误差仅为1％左右,在工程计算中具有一定的实用性和可靠性。     

考虑压剪耦合特性的岩土材料广义非线性屈服准则

 针对岩土材料的压剪耦合特性,将原广义非线性强度理论(GNST)扩展为可合理考虑岩土材料屈服与破坏特性的广义非线性屈服准则。在偏平面上,屈服准则表达式采用SMP准则与广义Mises准则的插值表达式;在子午面上,屈服准则表达式采用可考虑压剪耦合特性的封闭曲线表达式。由于在过渡空间中建立相应的屈服准则表达式,因此与已有的Matsuoka-Nakai准则与Lade-Duncan准则的插值准则(MNLD准则)相比,新准则描述屈服时采用非线性强度曲线,同时能够更合理地考虑静水压力对于偏平面以及子午面上屈服特性的影响,模型参数均具有物理意义,且通过常规试验可以确定。通过不同岩土材料的破坏以及屈服特性的试验预测对比,验证了新准则在描述岩土材料压剪耦合特性方面的合理性。