岩土类介质强度准则新探

在分析Mohr-Coulomb强度准则和双剪统一强度准则的基础上，提出了主剪面应力对以及主剪面应力对的作用这2个新概念，并以此为出发点，通过考虑十二面体单元主剪面上所有3个主剪应力对的共同作用，提出了一个有关岩土类介质的新强度准则。对该准则所作的极限线分析、应力摩尔圆分析、中间主应力效应曲线分析、破坏角分析以及实验对比分析表明，所提准则均能较好地反映岩土类介质的强度和破坏特征。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑双剪中主应力影响系数的D-P系列屈服准则研究

双剪统一强度理论考虑了中间主应力的影响,但其屈服面不光滑,不利于数值分析.为了解决Mohr-Coulomb屈服面奇异性问题,己有研究推导得到与Mohr-Coulomb有特殊位置关系的一系列D-P屈服准则.为了解决双剪统一强度理论角点奇异性问题,参考传统的D-P系列屈服准则的推导过程,推导得到了考虑中间主应力影响系数b的...     

Mohr—Coulomb准则屈服概率解析

基于Mohr-Coulomb准则和可靠度理论,视岩土材料的强度参数为服从正态分布的随机变量,建立了Mohr-Coulomb准则屈服概率的解析表达式,并通过Monte-Cado法和一次二阶矩法验证了其正确性.应用所得到的公式分析了岩土材料强度参数的变异性对屈服概率的影响.计算表明,强度参数对屈服概率的影响程度不尽相同,在变异系数较大的情况下,内摩擦角对屈服概率的影响显著,不可忽略.     

等向强化–软化Drucker-Prager材料强度参数演化

Drucker-Prager屈服准则中压力相关系数α和黏聚剪切强度k的实测结果少有报道。根据同一组致密砂岩三轴压缩试验,同时测试Mohr-Coulomb准则中的内摩擦角φ和黏聚力c以及Drucker-Prager准则中的压力相关系数α和黏聚剪切强度k。测试结果显示,描述岩石内摩擦性质的参数φ和α随着塑性变形的增长而增长,但是增长速率逐渐减小;描述岩石胶结性质的参数c和k在岩石初始屈服后会先上升至峰值,然后随着塑性变形的增长从峰值逐渐下降。同时,从5种常用的Mohr-Coulomb准则与Drucker-Prager准则转换关系中,通过同一组三轴压缩试验结果寻找到吻合程度最高的换算关系。Drucker-Prager材料强度参数的变化将来可应用到岩土类材料的数值计算中来模拟材料的强化和软化性质,同时也可以为Mohr-Coulomb准则参数与Drucker-Prager准则参数转换提供一定参考。     

岩土类材料的统一强度理论及其应用

岩土类材料的强度理论是土木、水利、铁道、矿业等工程中的一个重要的基本问题。以往各种强度理论一般只适用于某一类特定的材料。本文对材料强度理论不作任何假设（如外凸性等），直接根据材料单向拉伸和单向压缩强度极限（也可用岩土工程中常用的材料强度参数Ｃ＿０和φ），从一个统一的单元体模型出发，考虑所有应力分量以及它们对材料破坏的不同影响，建立一个能够适用于各类材料的统一强度理论和统一形式的数学表达式。它包含了现有各种主要强度理论和一些尚未表达过的新的强度理论。按统一强度理论表达式得出的两大族８种强度准则可以适用于各种岩土类材料，并可由此蜕化得出两族适用于金属材料的统一形式屈服准则。     

Basic characteristics and development of yield criteria for geomaterials

The yield criteria of geomaterials play a crucial role in studying and designing the strength of materials and structures.The basic characteristics of yield criteria for geomaterials need to be studied under the framework of continuum mechanics.These characteristics include the effects of strength difference（SD） of materials in tension and compression,normal stress,intermediate principal stress,intermediate principal shear stress,hydrostatic stress,twin-shear stresses,and the convexity of yield surface.Most of the proposed yield criteria possess only one or some of these basic characteristics.For example,the Tresca yield criterion considers only single-shear stress effect,and ignores the effect of SD,normal stress,intermediate principal stress,intermediate principal shear stress,hydrostatic stress,and twin-shear stresses.The Mohr-Coulomb yield criterion accounts for the effect of SD,normal stress,single-shear stress and hydrostatic stress,but disregards the effect of intermediate principal stress,intermediate principal shear stress,and twin-shear stresses.The basic characteristics remain to be fully addressed in the development of yield criterion.In this paper,we propose a new yield criterion with three features,that is,newly developed,better than existing criteria and ready for application.It is shown that the proposed criterion performs better than the existing ones and is ready for application.The development of mechanical models for various yield criteria and the applications of the unified strength theory to engineering are also summarized.According to a new tetragonal mechanical model,a tension-cut condition is added to the unified strength theory.The unified strength theory is extended to the tension-tension region.     

线性和非线性的统一强度理论

统一性,即将以前相互没有联系的概念、方法、理论、现象等统一起来,这是一个科学理论美的重要特点之一。统一强度理论是一种新的序列化的理论,它不仅建立起各种线性破坏准则的相互联系,并且产生一系列新的准则。单剪强度理论、双剪强度理论和介于单剪强度理论与双剪强度理论之间的一系列线性准则均为它的特例。但是,它没有将Huber-von Mises准则等非线性准则统一起来,而只能线性逼近它们。根据一个新的力学模型,提出一个普遍形式的统一强度理论,它不仅将单剪强度理论和双剪强度理论的线性准则统一起来,并且将八面体剪应力理论的非线性准则统一起来,从而建立起各种强度理论之间的相互联系,并将最常用的各种强度理论统一于一体,形成一个线性和非线性准则统一的普遍形式的强度理论,可以适用于更多的材料。     

双剪统一强度准则修正及土压力计算

提出了主剪面应力对和主剪面应力对的作用这两个新概念,并以此为出发点,通过考虑十二面体单元主剪面上所有三个主剪面应力对的共同作用,在双剪统一强度准则的基础上提出了一个新准则,并对其作了极限线分析、应力莫尔圆分析、中间主应力效应曲线分析和破坏角分析。研究表明,该准则能非线性地反映岩土的基本强度特征。同时,也不存在双剪强度准则中的双重破坏角问题。最后,还应用新强度准则分析了土压力计算问题。     

A Unified Strength criterion for rock material

A non-linear Unified Strength criterion for rock material is presented. It is the development of the Unified Strength Theory (in: M. Jono, T. Inoue (Eds.), Mechanical Behaviour of Materials-VI (ICM-6), Pergamon, Oxford, 1991, pp. 841–846) and the modification of the Hoek–Brown strength criterion (Underground Excavations in Rock, The Institution of Mining and Metallurgy, London, 1980). The effect of intermediate principal stress on rock strength is considered in the non-linear Unified Strength criterion. The Hoek–Brown criterion is a single-shear strength criterion that forms the lower bound, and the non-linear twin-shear strength criterion forms the upper bound in the deviatoric plane. All the failure criteria ranging from the Hoek–Brown criterion (lower bound) and the non-linear twin-shear criterion (upper bound) and a series of criteria ranging between these two bounds may be introduced by the non-linear Unified Strength criterion. The theory can also be generalized to rock mass strength.     

高应力状态下岩石非线性统一强度理论

Hoek-Brown破坏准则和广义Hoek-Brown破坏准则广泛应用于岩石工程,其缺点是没有考虑中间主应力效应。为此,建立了一对双剪模型,它们包含两个双剪应力、对应于双剪应力作用面的两个正应力和两个或一个较小主应力。根据这一对模型,可以推出俞茂宏提出的统一强度理论和昝月稳、俞茂宏和王思敬提出的岩石非线性统一强度准则和广义非线性统一强度准则。当b = 0时,岩石非线性统一强度准则就变成了Hoek-Brown破坏准则。当岩石所受到的应力状态从低应力水平到高应力水平时,岩石的破坏从脆性破坏转化为韧性破坏。与Hoek-Brown破坏准则相同,岩石非线性统一强度准则和广义非线性统一强度准则只适应于3s相似文献   

岩土类材料的静水压力效应

 岩土类材料的抗剪强度主要包括黏聚强度和摩擦强度,由材料颗粒间的黏聚力、摩擦力及颗粒的破碎提供,受静水压力的影响显著。分析材料在不同静水压力下2种强度的发挥机制,及材料颗粒破碎对抗剪强度的影响规律,阐述了岩土类材料静水压力效应产生的机制：低静水压力下,材料组分间的相互错动导致材料的破坏,表现为剪应力比破坏;高静水压力下,材料组分破碎导致材料的破坏,表现为剪应力破坏。采用三轴压缩子午面上的破坏函数发展了非线性统一强度模型,使其不仅能够合理地反映材料的中主应力效应,而且能更好地描述材料的静水压力效应,即抗剪强度与剪切滑动面上正应力之间的非线性关系。利用国内外取得的试验数据验证发展后的非线性统一强度模型,表明可合理地反映岩土类材料的静水压力效应,及复杂应力条件下岩土类材料的三维非线性强度特性。     

统一强度理论应用于岩石的讨论

 具有多种形式的双剪理论已得到广泛的研究和应用,但没有基于试验数据的拟合与其他真三轴强度准则进行直接比较。以主应力形式直接构建线性和非线性统一强度理论,利用岩石的真三轴压缩、常规三轴压缩和伸长的试验结果,确定多个强度准则中的材料参数。统一强度理论对试验数据的拟合偏差较大,不能描述岩石常规三轴压缩和伸长强度随最小主应力的非线性增加,难以描述强度随中间主应力的变化趋势;而非线性理论使用2个隐式函数分段表示,实际计算时需进行多次比较判断。在最小主应力较低时,统一强度理论给出的岩石强度显著偏高,似乎不宜应用于孔壁崩落确定地应力、钻孔稳定性分析等。     

岩石的非线性统一强度准则

Hoek-Brown强度准则在岩石工程中被广泛采用，但由于它没有考虑中间主应力效应，因而在理论和实际应用上都存在不足之处，综合统一强度理论和Hoek-Brown强度准则的优点，提出一个适用于岩石的非线性统一强度准则，这一准则既考虑岩石拉压强度相差较大的特点，又考虑了中间主应力效应及其区间性。Hoek-Brown强度准则和非线性双剪强度准则在π平面上构成了岩石屈服破坏面的内边界和外边界，它们均为所提准则的特例。岩石的非线性统一强度准则，其子午线是非线性的，其参数与Hoek-Brown准则的参数一致，可以用岩石的常规三轴试验结果按Hoek-Brown提出的回归公式得出，完整岩石能够从常规三轴试验数据预测出不同应力角的破坏极限线，与国内4个单位6种岩石20余组岩石真三轴实验结果对比表明，该准则与实验结果吻合良好，这一准则也可以推广到岩体或节理化岩体。     

岩石材料的非线性强度与破坏准则研究

将三维应力条件下岩石材料的非线性强度特性,分解为偏平面上的非线性与子午面上的非线性,在偏平面上研究中主应力效应,在子午面上研究静水压力效应,以及中主应力与静水压力的耦合效应。通过八面体面外法线方向与空间滑动面外法线方向二者之间的线性插值,提出统一强度理论的物理模型,每一种材料对应于一个特定的剪切破坏面,进而建立广义非线性强度理论,该理论具有明确的物理模型、清晰的物理概念,4个相互独立的材料参数均具有明确的物理意义,在主应力空间的强度面连续光滑。通过5种岩石材料的真三轴强度试验结果的验证表明,该理论可较好地描述不同类型岩石材料的非线性强度特性。基于广义非线性强度理论提出2种变换应力空间,将广义非线性强度理论分别变换为2个新空间中的Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则,通过5种岩石材料的真三轴强度试验结果的验证表明,该理论可以在变换应力空间中以Drucker-Prager准则、Mohr-Coulomb准则的形式应用。