基于应变空间弹塑性本构模型的FLAC~(3D)二次开发研究

基于应变空间理论,选择不同的塑性势函数(M-C关联准则和D-P非关联准则),对Mohr-Coulomb本构模型给出了它的数值计算格式,同时阐述了编制的关键技术和具体实施方法。采用FLAC3D二次开发平台UDM,在UserMohr模型的基础上使用Visual Studio 2005编译得到本构模型的动态链接库文件(DLL),实现了应变空间中弹塑性本构模型的二次开发。并利用地下盐穴静力溶腔过程模拟的验证算例进行对比分析。结果表明,计算结果与FLAC3D自带Mohr-Coulomb本构模型及解析解在弹塑性条件下进行比较,差值均很小,从而验证了程序的正确性。该程序可以为地下盐穴储库的溶腔模拟和长期运行流变分析提供一种可选择的数值模拟方法。     

统一强度理论下桩基极限承载力讨论

基于Mohr-Coulomb准则的太沙基深基础承载力公式未考虑中间主应力的影响,因而与实际极限承载力有出入,而统一强度理论通过系数b考虑了中间主剪应力和中间主应力的影响。因此,利用统一强度理论,结合滑移线场理论,以太沙基深基础计算模型为基础建立了考虑中间主应力时的桩基极限承载力的统一解形式,应用Matlab软件画出了地基极限承载力qu与b值的关系曲线,考虑中间主应力时桩基的极限承载力将提高,可以充分发挥材料的承载能力,可以节约造价。     

基于统一强度理论的临坡地基极限承载力解答

基于统一强度理论,综合考虑中间主应力、基底至坡肩水平距离和坡角的影响,推导了条形基础下临坡地基的极限承载力解答,给出其适用条件和计算步骤,讨论与水平地基极限承载力公式的差异,分析所得解答的可比性,并对比文献模型试验结果和上限法解答进行验证,最后探讨各参数的影响特性。研究表明：本文极限承载力解答可退化为Mohr-Coulomb强度准则解答并得到一系列新强度准则解答,具有很好的可比性;与文献模型试验结果和上限法解答吻合良好,验证了所得解答的正确性;中间主应力对临坡地基极限承载力的增强作用显著,未考虑中间主应力效应的结果偏于保守;临坡地基极限承载力随基底至坡肩水平距离的增加逐渐增大,当达到临界距离时与水平地基的极限承载力一致;坡角的增加导致临坡地基极限承载力大幅减小,且中间主应力效应较大时承载力降低的更加明显。本文解答可为临坡地基优化设计提供一定的理论参考。     

硬化土本构模型在FLAC3D中的开发及应用

 基于塑性增量理论,推导硬化土本构模型的有限差分格式。在VC++编程环境下,利用FLAC3D提供的二次开发平台,编制硬化土本构模型的有限差分程序,实现硬化土本构模型在FLAC3D中的二次开发,并给出二次开发的步骤、方法和编程要点。通过不同应力路径室内试验结果与采用不同本构模型的FLAC3D数值计算结果进行对比分析,验证硬化土本构模型在FLAC3D中二次开发的正确性和必要性。对比分析表明：采用硬化土本构模型的FLAC3D数值计算结果与试验结果吻合较好,而且硬化土本构模型的模型参数可从常规三轴试验获得,模型参数简单,硬化土本构模型不仅能够反映土体的非线性特性,还能够反映深基坑工程复杂的应力路径,与其他土体本构模型相比,硬化土本构模型更适合用于深基坑工程的计算分析。硬化土本构模型在FLAC3D中二次开发的实现,扩大了FLAC3D的适用范围,在一定程度上弥补FLAC3D在分析岩土工程尤其是深基坑工程方面上的不足。     

考虑中间主应力的原位岩体强度参数取值研究

为了研究深部隧洞或地下厂房围岩在三向应力状态下的强度特性,开展玄武岩和片岩原位真三轴卸载试验,基于Mohr-Coulomb强度准则和Mogi强度准则,探讨考虑中间主应力影响的岩体强度参数取值问题。分析结果表明:(1)对于玄武岩和片岩原位真三轴试验,采用Mohr-Coulomb强度准则的回归方程满足显著性水平?=0.05的检验要求,采用Mogi强度准则的回归方程则可满足显著性水平?=0.01的检验要求,因此采用Mogi强度准则拟合现场岩体真三轴试验结果更加可靠;(2)考虑中间主应力影响的Mogi强度准则确定的岩体抗剪强度参数?值比忽略中间主应力影响的Mohr-Coulomb强度准则确定的?值高约6%,但是Mogi强度准则确定的岩体抗剪强度参数c值,则比Mohr-Coulomb强度准则确定的c值低约60%。     

非饱和土条形地基梅耶霍夫极限承载力统一解

基于非饱和土的抗剪强度统一解,综合考虑中间主应力、基质吸力和强度非线性,建立非饱和土条形地基的梅耶霍夫极限承载力统一解,对比文献滑移线法解答、上限法解答验证所得统一解的正确性和适用性,讨论与太沙基极限承载力的差异及基底粗糙程度效应,并得出中间主应力、高/低基质吸力以及有效强度参数的影响规律。研究结果表明:太沙基极限承载力将旁侧土的抗剪强度简化为均布荷载,夸大了旁侧土的真实作用,计算结果偏大;基底粗糙程度对承载力系数的确定起关键性作用,梅耶霍夫极限承载力随中间主应力效应的增大而显著增加,不考虑中间主应力影响的Mohr-Coulomb解答过于保守;基质吸力具有双重影响,即在低吸力范围内极限承载力线性增加,而在高吸力范围内却逐渐减小并趋于稳定,这是由非饱和土的强度非线性造成的;有效强度参数的影响亦很重要,且有效内摩擦角较有效黏聚力的影响更明显。由于考虑了中间主应力效应、非饱和特性与旁侧土抗剪强度等工程实际情况,本文结果可为地基优化设计与施工提供有益的参考。     

考虑中间主应力的太沙基地基极限承载力公式

利用双剪强度理论，考虑中间主应力影响的特点，导出太沙基地基极限承载力公式，计算表明，当考虑中间主应力影响时，地基极限承载力将提高。     

深厚冲积层高强钢筋混凝土井壁力学特性研究

 通过实验和理论计算,对在均匀荷载作用下高强钢筋混凝土井壁的力学特性进行分析。实验结果表明：高强钢筋混凝土井壁具有很高的承载力,影响其承载力的主要因素依次为混凝土的强度等级、厚径比和配筋率;在均匀外荷载作用下,混凝土强度提高10 MPa,井壁的极限承载力提高4 MPa左右,配筋率对井壁的极限承载力影响很小;高强钢筋混凝土井壁结构破裂时,环向钢筋沿破坏面发生塑性弯曲,混凝土破坏面与最大主应力方向的夹角为25°～30°,属压剪破坏。理论分析时,采用线性软化本构模型以及符合混凝土强度特性的Mohr-Coulomb强度准则,推导出高强钢筋混凝土井壁极限承载力的理论计算公式,并且其计算结果得到实验验证。     

配筋薄壁圆钢管混凝土短柱轴压极限承载力解析解

为了研究配筋薄壁圆钢管混凝土短柱在轴压荷载作用下的力学性能,采用统一强度理论和薄壁圆筒理论,考虑中间主应力效应、材料SD效应(材料拉压强度异性)及箍筋有效约束面积的影响,推导了配筋薄壁圆钢管混凝土短柱的轴压极限承载力公式。通过算例计算并与其他承载力公式对比分析,验证了本文所推公式的正确性,研究了中间主应力、径厚比和材料拉压比对构件轴压极限承载力的影响。研究结果表明,本文建立的计算公式具有较高的计算精度,可以预测配筋薄壁圆钢管混凝土短柱轴压极限承载力的上、下限值,并包含了一系列基于不同强度准则的承载力解。本文计算方法具有较广泛的适用性,可为配筋圆钢管混凝土短柱力学性能的研究提供借鉴。     

基于双剪统一强度准则砂岩真三轴卸荷损伤本构模型研究

为完善真三轴加卸荷条件下砂岩损伤本构模型及参数确定方法,基于真三轴流固耦合试验系统,开展真三轴不同中间主应力、不同最大主应力加载速率条件下砂岩加卸荷试验,分析不同应力路径下砂岩的变形特征、各阶段渐进破坏特征和强度特性,选取真三轴加卸荷条件下适用的强度准则,建立可以有效描述砂岩受力破裂过程的损伤本构模型。结果表明：随着中间主应力的增加和加载速率的增加,砂岩试样起裂应力、损伤应力、峰值强度均增加。在两类应力路径下,双剪统一强度准则可以准确的描述砂岩强度特性。通过将双剪统一强度准则转化为合适的屈服函数形式,并考虑试样在不同主应力方向的损伤演化特性,建立真三轴损伤本构模型,对比分析模型参数对应变硬化特性的影响。模型分析结果与实际试验在不同主应力方向应力–应变曲线吻合,拟合结果较为稳定。该模型能准确反映砂岩微元强度受应力状态的影响,较好地反映砂岩不同主应力方向的受力破裂过程,可为实际岩石工程实践提供更好的理论指导作用。     

岩土材料能量屈服准则研究

比较岩土类材料与金属的材料特性的差异及由此导致的力学性质差异认为,岩土类材料属于多相体的摩擦型材料,具有内摩擦性质。分析两类材料的力学单元,认为摩擦体力学单元中存在摩擦力。从能量角度对岩土材料的屈服进行研究,分别将Tresca准则和Mohr-Coulomb准则进行推广,推导出只考虑单一剪切面的两类材料单剪能量屈服准则,证明Tresca准则既是金属材料的单剪应力屈服准则,也是金属材料的单剪能量屈服准则,而Mohr-Coulomb准则既是岩土材料的单剪应力屈服准则,也是岩土材料的单剪能量屈服准则。对考虑3个剪切面的能量屈服准则进行探讨,建立适用于岩土类材料的三剪能量屈服准则及其相应的Drucker-Prager准则。结合岩石真三轴试验结果,分别采用Mohr-Coulomb准则及三剪能量准则进行验证。结果表明,三剪能量准则比Mohr-Coulomb准则误差小,更接近试验结果,证明能量准则是可行的。最后利用一个简单的算例进行验证,计算结果表明,只考虑单剪切面的Mohr-Coulomb准则比考虑三剪切面的能量准则偏于保守。     

土体结构极限承载力的有限元分析

在平面应变条件下,采用增量加载有限元方法求解土体结构的极限承载力,以弹塑性有限元计算不收敛作为达到极限破坏状态的判别标准;在得到土体应力场的基础上,用有限元边坡稳定分析中的滑面应力分析法验算土体结构在达到极限破坏状态时安全系数是否趋近于1.0,同时搜索相应的临界滑动面,与增量加载直到土体结构破坏获得的滑动面比较,并分析二者与经典Prandtl解破坏机构的差异。计算结果表明：屈服准则的选取对计算结果的影响很大,对于无自重的边坡和地基,在非关联流动法则下采用Mohr-Coulomb匹配圆准则或者在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,所得到的结果与经典Prandtl解相近;但是在非关联流动法则下采用Mohr-Coulomb匹配圆准则得到的滑动面与经典Prandtl解破坏机构不一致,极限状态下的安全系数也不为1.0;在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面相近,与经典Prandtl解破坏机构一致,同时在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0。对于有自重的边坡,同样在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面一致,在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0,说明此屈服准则下求得的极限承载力是土体结构严格意义上的真正的承载力。     

土体结构极限承载力的有限元分析

 在平面应变条件下,采用增量加载有限元方法求解土体结构的极限承载力,以弹塑性有限元计算不收敛作为达到极限破坏状态的判别标准;在得到土体应力场的基础上,用有限元边坡稳定分析中的滑面应力分析法验算土体结构在达到极限破坏状态时安全系数是否趋近于1.0,同时搜索相应的临界滑动面,与增量加载直到土体结构破坏获得的滑动面比较,并分析二者与经典Prandtl解破坏机构的差异。计算结果表明：屈服准则的选取对计算结果的影响很大,对于无自重的边坡和地基,在非关联流动法则下采用 Mohr-Coulomb 匹配圆准则或者在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,所得到的结果与经典Prandtl解相近;但是在非关联流动法则下采用Mohr-Coulomb匹配圆准则得到的滑动面与经典Prandtl解破坏机构不一致,极限状态下的安全系数也不为1.0;在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb 内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面相近,与经典Prandtl解破坏机构一致,同时在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0。对于有自重的边坡,同样在关联流动法则下采用Mohr-Coulomb内切圆屈服准则时,其极限状态下的滑动面与有限元稳定分析方法搜索得到的滑动面一致,在该极限荷载下土体结构沿临界滑动面的安全系数Fs趋近于1.0,说明此屈服准则下求得的极限承载力是土体结构严格意义上的真正的承载力。     

基于双剪统一强度理论的条形地基承载力计算

基于双剪统一强度理论和弹性理论的平面应变假设,对条形地基的承载力计算方法进行探讨。推导出了条形受荷地基承载力的计算公式,并对基于双剪统一强度准则与Mohr-Cou lomb准则的地基承载力计算结果进行对比分析,研究成果对合理确定地基承载力具有重要的理论意义与实用价值。     

基于广义Hoek-Brown非线性破坏准则的节理岩体地基承载力研究

 针对节理岩体非线性破坏特征,发展基于Hoek-Brown破坏准则的临界滑动场理论进行节理岩体地基承载力的计算。首先将Hoek-Brown准则的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,求得每点的瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力;在此基础上,改进基于Mohr-Coulomb准则的临界滑动场理论,建立新的迭代算法,将Hoek-Brown强度准则与临界滑动场理论结合起来,求解被动土压力和地基承载力。同时,综合分析GSI和mi值对地基承载力的影响。算例对比分析结果表明,该方法能迅速准确地确定节理岩体地基最危险破坏滑面并得到相应的地基极限承载力值。     

考虑固废强度非线性的填埋场地基承载力分析

基于幂函数准则描述了固废的非线性强度特性,并分析了该准则随强度参数的变化规律。与基于摩擦角修正的非线性Mohr-Coulomb准则和二次函数非线性强度准则进行了对比,并探讨了将幂函数准则换算为线性Mohr-Coulomb准则得到的黏聚力和内摩擦角随应力的变化规律。通过与一系列直剪试验结果对比,验证了幂函数准则预测固废非线性强度的合理性。基于所建立的非线性强度准则,对填埋场地基承载力进行数值模拟,并通过与基于线性强度准则模拟结果对比,获得了固废强度非线性对承载力的影响规律。参数分析结果表明,地基承载力值对强度准则指数参数的变化更敏感。     

土石坝沥青混凝土心墙三轴力学特性研究

在三峡水利枢纽茅坪溪土石坝沥青混凝土心墙材料大量的三轴试验成果的基础上，对沥青混凝土的应力-应变特性关系及其力学特性进行研究。由试验结果可知，沥青混凝土的应力-应变关系曲线是由应变硬化和软化2个阶段组成的，为有驼峰的曲线。在剪切过程中，既有剪缩又有剪胀。另外，沥青混凝土的破坏准则也并非符合莫尔-库仑破坏准则。抗剪强度包络线随着侧压力的增加而呈非线形变化，在高罔压作用下，强度包络线向下弯曲。基于以上原因，提出用南水非线性模型来描述沥青混凝土材料的应力-应变特性关系，并将其与邓肯-张模型进行对比。从对比结果可以看出，南水非线性模型能更好地描述沥青混凝土的力学特性。     

用统一强度理论求岩基极限承载力

基于统一强度理论,将岩基承载力问题视为空间问题,考虑了中间主应力的影响,推导出了岩基承载力的计算公式。当中间主剪应力的影响系数b=0时,其计算公式与采用Mohr-Coulomb强度理论所求得的解完全相同。并讨论了b对承载压力的影响,分析表明:岩基承载力随着b值的变化而不同,从而说明所推导公式对岩基承载力计算有一定的指导意义。     

特殊地质区域海底隧道长期稳定性研究

根据F4风化槽强风化花岗岩的三轴流固耦合试验以及三轴流变试验成果,建立Mohr-Coulomb模型来描述风化槽岩石的弹塑性硬化及塑性流动行为,采用Nelder-Mead最优化方法得到力学模型各参数。应用三轴流变试验建立强风化花岗岩的非线性流变模型并拟合相关流变参数,在此基础上将流固耦合流变模型编制Creep子程序嵌入到ABAQUS软件。通过现场反演证明试验所得模型与参数可以很好地描述实际的情况。根据反演的围岩力学参数,模拟海底隧道F4风化槽段(ZK8+900m)隧道结构的长期稳定性,为海底隧道的设计和运营管理提供理论依据。     

岩土材料基本力学特性与屈服准则体系

比较了岩土材料与金属材料特性及其力学性质差异,认为岩土材料属于多相体的摩擦型材料,存在内摩擦性质,并对岩土材料在弹性状态及极限状态下的摩擦特性进行了分析。详细介绍了高红-郑颖人岩土材料三剪能量屈服准则,给出了其在各种特殊情况下的具体形式,并与Mohr-Coulomb准则进行了比较,提出了三剪能量与三剪应力状态下的Drucker-Prager准则。最后总结了各国常用的应力与应变屈服准则及能量屈服准则,并对其进行了分析比较。