土质边坡极限平衡状态及临界滑动面的判定方法

 开展边坡失稳判据及临界滑动面确定方法的理论与数值实现研究。应用分叉理论的研究成果,证明满足关联流动法则的理想弹塑性材料,在平面应力或平面应变条件下的失稳模式为应变局部化模式,由此类材料构成的边坡模型的失稳过程为局部带渐进扩展过程。基于以上证明,提出局部化带贯通判据,认为表征边坡整体失稳的充要条件是局部化带在边坡内部的完全贯通。基于数值模拟,发展一种局部化带路径追踪技术,根据每个增量时步土体单元的局部化状态信息,通过后处理显式追踪局部化带的形成、扩展、汇合直至贯通的过程,直观、方便地判断边坡的极限平衡状态,同时确定临界滑动面的位置。并开展强度折减和位移加载算例研究,验证局部化带贯通判据及数值实现方法的适用性。     

不连续化分叉条件及其在边坡稳定分析中的应用

基于Dmcker-Prager屈服准则，推导了平面应变条件下材料不连续分叉条件的解析解，并在自主研发的弹粘塑性自适应有限元分析软件AFEAS中引入该不连续分义条什。给出了弹粘颦性本构关系和局部化求解流程，以追踪岩体中局部化区的出现和发展。边坡稳定在岩土工程中具有举足轻重的作用，研究边坡失稳机理具有重大理论与现实意义，根据分叉理论把边坡失稳作为一种分叉现象研究，与传统屈服破坏理论相比，分叉理论更具优越性，能够追踪局部化区的出现和发展过程，确定边坡极限承载能力，并能为边坡治理提供更明确的破坏范围。通过一个边坡失稳算例分析考核了该理论与软件的合理性。     

离散介质中应变计算的非线性插值方法

分析了离散介质中的应变计算特点,采用‘等效连续’的运动均一化技术,对空间三角化线性插值方法作了类似于更新Lagrange格式的修正。在此基础上,提出了离散介质应变计算的无网格非线性插值算法,并给出了二维验证。初步研究表明,采用的应变计算方法与试样的宏观应变相吻合,比起三角化方法更能体现细观局部的应变特征,因此更适合于研究如剪切带等应变局部化问题。     

岩土介质应变局部化问题的广义塑性梯度理论研究

进一步探索岩土介质的强度与变形机制，就必然要深入分析其细观变形和破坏性态。大量试验表明，由于试样的微细观层面上的不均匀性的影响，试样在破坏时常常出现狭窄带状高应变梯度区的应变局部化现象。研究应变局部化问题实质上是研究岩土工程的基本科学问题——岩土介质的一种真实破坏过程。基于传统连续介质力学的应变梯度理论难以反映岩土介质最基本的力学性质，如果能将广义塑性力学同应变梯度理论结合志来，应该能够得到一些新的启迪。 通过对宏观试验结果和CT试验结果的分析，提出一种可包含局部化变形的相当小而非无穷小的研究基元——塑性梯度体元，基于塑性梯度体元分析了应变局部化启动机制；建立起塑性应变的微分表达式后，随着硬（软）化模量从正值变为负值，变形模式将由均匀变形模式变为局部化变形模式。 进而，基于广义塑性力学的双屈服面模型和对塑性梯度体元的分析，构造由梯度依赖的双屈服面得到的塑性剪切应变和塑性体积应变的微分方程表达式，从而建立广义塑性梯度模型的理论框架，使其在反映岩土介质的基本力学性质的同时，也能反映介质的应变局部化特征，给出一种可能的梯度依赖的双屈服面的形式。阐述广义塑性梯度模型模拟局部化变形模式的机制。提出模型各个参数，尤其是其中局部化参数的物理意义和通过宏观可测量的物理量结合数值分析反推材料局部化参数的途径。 然后，在将位移进行离散的同时，也通过构造的C连续性的插值函数将塑性乘子在空间离散，得到一组以节点位移向量和节点塑性乘子向量为基本未知量的非线性方程组，从而建立广义塑性梯度模型的数值模型，给出了相应的边界条件处理方法和数值算法。 最后，编制二维FORTRAN90数值分析程序和VB后处理程序，并给出数值算例。算例显示塑性应变局限于局部处发生和急剧发展的过程；塑性剪切应变和塑性体积应变进入局部化变形模式后都主要集中在局部化带内，反映出岩土在一定条件下的剪胀机制；避免了病态的网格敏感性；且局部化带宽度受局部化参数影响。     

混沌和声搜索算法及其在土坡局部安全系数法中的应用

提出一种混沌和声算法来进行土坡局部安全系数法的计算.该算法利用混沌变量的随机、遍历特性在解空间内进行有效探索,同时采用基本和声算法中的和声策略对解空间进行开发,从产生的新解与原和声库内的解中选出较优秀的解重新进入和声库,这样不断迭代就构成了混沌和声搜索算法.将该新算法应用于局部安全系数法分析土坡渐进破坏的过程中,同基本和声搜索算法以及已有结果的比较证明,该算法简单易行,结果合理可靠,可以用于土坡稳定分析.     

加筋砂土边坡渐进性变形破坏的数值分析

利用非线性弹塑性有限元方法对加筋砂土边坡的模型试验从加载开始到破坏的全过程进行数值分析,并与无加筋砂土边坡的状况进行比较.为研究边坡的面板效应,对带面板的加筋砂土边坡的变形破坏进行弹塑性有限元分析.在有限元分析中,砂土的本构关系选用应变硬化软化弹塑性模型,该模型可以考虑砂土的应变局部化、强度的各向异性以及应力水平相关等特性.结果表明,建议的非线性弹塑性有限元分析可以较好地模拟加筋砂土边坡的局部应力-应变分布以及剪切带发生、发展状况,有助于定量化地把握加筋砂土边坡的渐进性变形破坏特点以及加筋条带的加固机制和边坡的面板效应.     

反倾岩质边坡块状–弯曲复合倾倒破坏分析方法研究

由于岩石的脆性和节理的不规则性，块状–弯曲复合倾倒破坏是反倾岩质边坡最常见的倾倒失稳类型。首先通过离心模型试验揭示块状–弯曲复合倾倒的破坏机制，建立块状–弯曲复合倾倒破坏的力学模型，其次基于极限平衡理论，分别推导出了完整岩层和块状岩层稳定性的力学解析公式，并提出一种块状–弯曲复合倾倒破坏的破坏面搜索算法，最后，通过Matlab编程实现稳定性分析过程。研究结果表明：发生块状–弯曲复合倾倒破坏的边坡可以划分为倾倒区、裂缝区、变形区及无影响区，块状–弯曲复合倾倒破坏的破坏面呈台阶状，且破坏面的台阶高度等于块状岩层内块体高度的倍数；理论分析方法的计算结果与离心试验结果相互吻合；采用理论计算方法进行了影响因素分析，发现缓倾节理倾角及边坡坡角对倾倒Ⅰ区的破坏面范围影响较大，岩层厚度、抗拉强度及缓倾节理倾角对临界失稳高度影响较大。研究成果可为该类边坡的灾害防控提供理论支撑。     

边坡滑移破坏判断准则的讨论

作者提出在结构面中滑动带的形成时,可以利用粘弹塑性有限元计算结果,通过组合优化理论在单一结构面或结构面的组合中寻找潜在的最危险滑面,而不是通常意义上的将滑面人为的假定.运用组合优化方法中的Dijkstra算法寻求出最"短"即最"危"路径,以此确定出最危险滑面.文中对于Hoek等提出的利用点安全因子判别岩体破裂线破坏准则进一步讨论,提出可以以破裂面单元的应变或应变能作为判别破坏的最佳依据,最终确定可能的最危滑面Fs值,并在算例中通过对比计算分析,得出了在考虑结构面的流变特性时,用应变作为安全因子得出的解将是最能反应实际情况的结论.     

基于最小二乘拟合的剪切带间距测量方法

提出了一种基于两次最小二乘拟合的应变局部化带间距的数字图像相关测量方法,该方法的本质是对应变局部化带内应变高值点的位置进行两次线性最小二乘拟合。第一次拟合用于确定两条相邻的应变局部化带各自拟合直线的斜率。第二次拟合是在已知拟合直线平均斜率的基础上确定各自拟合直线的截距。采用平行线距离公式计算应变局部化带间距。测量了单轴压缩黏土试样剪切应变局部化带(剪切带)间距随纵向应变的演变规律,并对剪切带间距的测量结果进行了统计分析。研究发现,剪切带间距随纵向应变的演变规律可以划分为两类:平稳变化和非平稳变化,前者的比例较大;剪切带间距发生突变是由于剪切带的倾角发生了突变;剪切带间距主要分布在3~7 mm,均值为4.787 5 mm。     

影响剪切带形成的因素的探讨

各种工程事故表明现有的土力学计算模型均未考虑应变局部化问题,故不能解释这些工程事故的发生,因此应变局部化和剪切带形成的研究成为国际土力学界研究热点之一.在剪切带形成的数值模拟中的一个关键问题是保证剪切带的出现.对于均匀边界条件,常规有限元只能得出均匀变形解.为了得出应变局部化的解答,往往需要假定一个弱单元来引发局部化变形.弱单元可以采用几何弱化或物理弱化.由于土试样是三相材料,其不均匀性以及存在弱单元的现象是客观存在的.本文考虑土质不均匀性的影响,引入弱单元,分析不同情况下剪切带的形成,寻找其对实际剪切带形成的影响规律.数值模拟结果表明剪切带的形状与弱单元的位置有关,边界单元也是一种弱单元的形式,边界弱单元在触发剪切带形成中起到主要作用,剪切带基本上沿45°角从弱单元处开始发展形成,降低土样高度与宽度的比例,可以限制剪切带的发生.     

基于黏聚区域模型的边坡渐进破坏过程强化有限元分析

剪切带非连续变形描述及剪切带扩展过程模拟是边坡渐进破坏过程分析的关键,基于黏聚区域模型及强化有限单元法提出一种剪切带渐进扩展过程模拟的有限元分析方法。首先,将剪切带两侧相对变形分解成分别由常规应变和附加应变确定的相对位移,提出具有弱非连续变形特征的剪切带变形等效强非连续变形描述方法,并采用黏聚区域模型表征剪切带应力和附加相对位移间的软化本构关系。其次,基于强化有限单元法描述强非连续变形,并构造相应的无厚度剪切带单元。在此基础上,提出剪切带渐进扩展模拟的有限元算法。算例表明,此方法不仅能够很好地模拟剪切带的应变软化特性,而且有效地克服了常规剪切带模拟具有的网格敏感性问题。     

岩石试件尺寸效应的塑性剪切应变梯度模型

利用剪切应变梯度塑性理论 ,假设剪切带内部的岩石为剪切破坏 ,建立了单轴受压岩石试件尺寸效应的塑性剪切应变梯度模型 ,并模拟了剪切带倾角、参数k1和k2 对单轴受压岩石试件软化段应力 -应变关系的影响规律。局部化是尺寸效应的原因。     

Progressive failure analysis of notched composite plate by utilizing macro mechanics approach

In this study, gradual and sudden reduction methods were combined to simulate a progressive failure in notched composite plates using a macro mechanics approach. Using the presented method, a progressive failure is simulated based on a linear softening law prior to a catastrophic failure, and thereafter, sudden reduction methods are employed for modeling a progressive failure. This combination method significantly reduces the computational cost and is also capable of simultaneously predicting the first and last ply failures (LPFs) in composite plates. The proposed method is intended to predict the first ply failure (FPF), LPF, and dominant failure modes of carbon/epoxy and glass/epoxy notched composite plates. In addition, the effects of mechanical properties and different stacking sequences on the propagation of damage in notched composite plates were studied. The results of the presented method were compared with experimental data previously reported in the literature. By comparing the numerical and experimental data, it is revealed that the proposed method can accurately simulate the failure propagation in notched composite plates at a low computational cost.     

加载速度对随机缺陷岩样破坏过程的影响

在单轴平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟加载速度对具有随机材料缺陷岩样破坏过程的影响。采用编写的FISH函数规定随机缺陷及统计发生破坏的单元数。密实岩石服从莫尔–库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化–理想塑性行为。缺陷破坏之后经历理想塑性行为。随着加载速度的提高,强度及其对应的应变提高,峰后应力–变形曲线变得平缓。在加载过程中,每10个时步内破坏单元数–轴向应变曲线中存在破坏单元数有显著增加的3个区段。随着加载速度的提高,该曲线的区段2及3变得开阔,区段2的峰值降低,区段3的峰值提高。在初始加载阶段和缺陷全部破坏之前,加载速度较高时的破坏单元总数–轴向应变曲线比较平缓,这是由于加载速度较高时试样内部的裂隙传播和应力转移不充分,当应变小于一定值时,在应变相同时,破坏单元数较少。破坏单元总数–应变曲线表明,随着加载速度的提高,试样最终遭受到更严重的破坏。     

一种基于Morgenstern-Price法假定的三维边坡稳定性分析法

 通过侧向剪力系数和侧向剪力分布函数对条间力进行假定,提出所有条柱满足3个力的平衡、滑坡体满足3个力矩平衡的三维边坡极限平衡分析法,可看作是二维Morgenstern-Price法的三维扩展。利用滑体力的平衡条件和边界条件分别得到条柱各行和各列的安全系数,再利用滑体整体力矩平衡条件确定侧向剪力系数?1,?2,?3,?4。该法考虑了所有条间剪力对安全系数的影响,采用直接迭代法求解,提高计算效率。算例分析表明,对于对称边坡,侧向剪力系数?1,?3,?4对安全系数影响不大;对于非对称边坡,?4对安全系数影响也不大,且获得的安全系数均与已有文献结果接近。非对称复合滑动面算例还表明,简化方法给出的安全系数不一定偏于安全。     

用有限变形理论研究黏性土试样中变形的局部化问题

基于有限变形理论和中井的下负荷面本构关系模型,研究了平面应变试验中黏土试样变形的局部化问题。推导了适用于中井本构关系模型的稳定、快速收敛的欧拉向后应力积分算法。在局部误差和整体误差都得到精确控制的情况下,用数值方法得到了土体内部明显可见的X型剪切带。在剪切带的形成过程中,剪切带内及其附近单元存在两次塑性不稳定现象,其中第一次在这些单元进入极限状态之前,第二次在极限状态附近。在这两次塑性不稳定现象之后,变形的局部化过程明显加快,剪切带从中间向外沿四个方向迅速传播。同时,指出了这种塑性不稳定现象和单元分叉之间的内在关系。     

平面应变压缩岩样侧向变形特征数值模拟

在平面应变压缩条件下,采用拉格朗日元法对岩样的应变局部化启动、传播、形成及侧向位移特征进行了数值模拟。在数值计算中,采用了莫尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,峰后岩石的本构关系为线性应变软化。研究发现,试样的侧向位移具有非均匀性。由于端面约束的作用,接近试样上、下端面的节点的侧向位移远小于试样中部节点的侧向位移。在试样的上、下端面附近,由于弹性应变的恢复快于塑性应变的增加,因而,轴向压缩应力-侧向位移曲线出现了快速回跳现象。通常,可以通过检测岩样不同位置的侧向位移-时步曲线识别出变形局部化启动的时刻。相同高度的侧向位移-时步曲线最先发生分离的时刻,即为局部化启动的时刻。局部化启动之后,试样两侧的侧向位移具有非对称性,侧向位移变化具有非同步性。