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。     

非线性破坏准则下岩石地基承载力的影响因素

传统的地基承载力计算基于Mohr-Coulomb线性破坏准则,但试验数据表明几乎各种岩石强度包线与法向应力呈非线性关系,岩石强度包线服从修正Hoek-Brown非线性破坏准则。为此,采用Hoek-Brown非线性破坏准则和"多切线法",根据极限分析中的上限理论,利用Matlab软件平台和非线性"序列二次规划"优化方法,编制相应程序来计算岩石地基的承载力,分析岩石地基承载力的影响因素,计算结果表明:岩石地基承载力的主要影响因素是岩石的GSI和mi,但自重γ、超载q和开挖扰动系数D在GSI较小时对岩石地基承载力影响较大;与前人研究成果的对比分析发现,采用"单切线法"会过高估计地基承载力值,存在较大的风险,采用"多切线法"理论上较之更加严密,计算结果更接近真实值,具有较高的实用价值。     

SMP破坏准则在地基承载力计算中的应用

基于SMP破坏准则和佐武的平面应变条件,推导出了无黏性材料的平面应变破坏公式。通过引入黏聚力σ0,推导出了适用于黏性材料的平面应变破坏公式。将该公式引入到地基承载力的计算当中,推导出了基于SMP破坏准则的地基承载力计算公式。将此地基承载力的计算公式得到的计算结果与试验数据进行了对比,结果表明:基于SMP破坏准则的地基承载力值比使用Mohr-Coulomb破坏准则计算的承载力值大。这说明考虑中间主应力的影响效应对于提高地基承载力具有一定的实际意义,可以很好地发挥土体材料的强度。     

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。     

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。     

复杂地基极限承载力半解析解

本文研究了复杂地基极限承载力的半解析解答。通过非均质非线性各向异性破坏准则，建立了复杂地基极限平衡理论，导出了滑移线斜率公式、应力沿滑移线微分方程。分析滑动区域应力变化规律，导出了有内摩擦与无内摩擦各向异性地基及非线性地基的极限承载力解析式，计算了各种复杂地基承载力系数解答。研究结果表明：岩土材料各向异性降低了地基承载力；非线性地基承载力可由拉压强度比控制。本文成果简化到线性各向同性地基中，与Ｐｒａｎｄｔｌ解、Ｒｅｉｓｓ－ｎｅｒ解、索科洛夫斯基公式及太沙基结果相吻合。     

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。     

大理岩卸围压幂函数型Mohr强度特性研究

 对大理岩进行三轴试验和峰前、峰后卸围压试验。研究结果表明：直线型Mohr-Coulomb强度准则不能很好地反映大理岩峰前、峰后卸围压的强度特征;提出非线性Mohr强度准则——幂函数型Mohr强度准则;推导并做出了其在p平面上的屈服曲线,与Mohr-Coulomb强度准则在p平面上的屈服曲线进行比较。研究结果表明,幂函数型Mohr强度准则比直线型Mohr-Coulomb强度准则能更好地描述大理岩的强度特征。     

岩体非线性特征描述的数值实现及其试验验证

为了采用Hoek-Brown非线性准则描述岩体特征,提出了Hoek-Brown非线性破坏准则的数值实现方法,并对岩体进行了三轴压缩试验的数值模拟,验证了数值计算方法的可靠性,分析了非线性破坏准则中各参数对剪切强度参数的影响.结果表明:通过理论推导可确定Mohr-Coulomb准则中的剪切强度参数与Hoek-Brown准则参数之间的关系;随着地质强度指标GSI的增大,岩体的剪切强度参数c和φ均不断增大,粘结力较内摩擦角对岩体地质强度指标的变化更加敏感;二者随完整岩石的岩体常数mi的变化幅度均不大,地质强度指标GSI对岩体强度的影响大于mi.     

考虑SD效应的地基承载力广义强度安全系数

现有的地基承载力安全系数其缺点在于不能体现土体的三维受力状态,广义强度安全系数采用π平面上广义剪应力与强度包络线的比值可以更好的考虑土体的三维受力情形,因而能更好的体现地基承载力的安全特性。为了研究SD效应即土在三轴压缩与三轴拉伸强度不等对地基承载力安全系数的影响,本文首先基于广义非线性强度准则研究了表征SD效应大小R及准则参数α的关系,将R划分成三种情况。然后运用变换应力空间方法描述了基于广义非线性强度准则下的广义强度安全系数的表达式。算例结果表明,SD效应参数R对于地基承载力安全系数影响较大。     

An approximate nonlinear modified Mohr-Coulomb shear strength criterion with critical state for intact rocks

In this paper, the Mohr-Coulomb shear strength criterion is modified by mobilising the cohesion and internal friction angle with normal stress, in order to capture the nonlinearity and critical state concept for intact rocks reported in the literature. The mathematical expression for the strength is the same as the classical form, but the terms of cohesion and internal friction angle depend on the normal stress now, leading to a nonlinear relationship between the strength and normal stress. It covers both the tension and compression regions with different expressions for cohesion and internal friction angle. The strengths from the two regions join continuously at the transition of zero normal stress. The part in the compression region approximately satisfies the conditions of critical state, where the maximum shear strength is reached. Due to the nonlinearity, the classical simple relationship between the parameters of cohesion, internal friction angle and uniaxial compressive strength from the linear Mohr-Coulomb criterion does not hold anymore. The equation for determining one of the three parameters in terms of the other two is supplied. This equation is nonlinear and thus a nonlinear equation solver is needed. For simplicity, the classical linear relationship is used as a local approximation. The approximate modified Mohr-Coulomb criterion has been implemented in a fracture mechanics based numerical code FRACOD, and an example case of deep tunnel failure is presented to demonstrate the difference between the original and modified Mohr-Coulomb criteria. It is shown that the nonlinear modified Mohr-Coulomb criterion predicts somewhat deeper and more intensive fracturing regions in the surrounding rock mass than the original linear Mohr-Coulomb criterion. A more comprehensive piecewise nonlinear shear strength criterion is also included in Appendix B for those readers who are interested. It covers the tensile, compressive, brittle-ductile behaviour transition and the critical state, and gives smooth transitions.     

水平矩形浅锚极限抗拔力分析

在对锚板极限抗拔力进行分析时,既有研究手段和方法基本上都建立在相关联流动法则和岩土体材料的线性破坏准则基础上,然而大量实验成果证实岩土体材料一般并不遵循相关联流动法则且破坏准则具有非线性,因而现有极限抗拔力计算结果往往偏大。在上限定理的基础上,根据非相关联流动法则和非线性破坏准则,分别通过修正岩土材料的抗剪强度参数c*,φ*引入非关联流动法则和通过"切线法"引进非线性抗剪强度指标ct,φt的方法,研究了水平矩形浅埋的极限抗拔承载力问题。研究结果表明:岩土体材料的剪胀特性和岩土材料破坏准则的非线性对锚板基础的承载能力和稳定性有着重要的影响,因而客观评价岩土体材料的真实力学特性将更加符合工程实际。     

考虑中主应力影响倾斜填土面朗肯土压力参数的敏感性分析

挡土墙后填土面为倾斜时,朗肯土压力理论应用很少。经典的各种土压力理论是基于Mohr-Coulomb强度准则得出的,没有考虑中主应力的影响。首先推导了填土面倾斜时的朗肯主动和被动土压力的计算公式;根据平面应变假设确定了中主应力σ2=ν(σ1+σ3),在此基础上推导了统一强度理论下的材料强度指标计算公式,利用该公式可将Mohr-Coulomb强度准则下的材料强度指标转化为考虑中主应力效应的统一强度理论下的材料强度指标;最后通过一算例采用正交试验设计对反映中主应力影响的中间主剪应力系数、泊松比、填土面倾角、黏聚力、内摩擦角、重度6种因素进行了敏感性分析。结果表明:影响朗肯主动土压力强度的6种因素从大到小分别为:重度、中间主剪应力系数、黏聚力、内摩擦角、倾角、泊松比;影响朗肯被动土压力强度的6种因素从大到小分别为:内摩擦角、中间主剪应力系数、泊松比、黏聚力、倾角、重度;中主应力对朗肯土压力计算结果的影响是一个不可忽视的重要因素。     

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。     

基于广义非线性强度准则下地基承载力的计算

Mohr-Coulomb理论应用于土体分析时的两大缺陷,即未考虑中主应力的影响,也未考虑土体材料的SD效应,因而对于土体材料的潜能未充分考虑。为了考虑上述两种效应,本文基于广义非线性强度准则(GNST)及平面强度理论,推导出了可应用于砂土及粘土类材料的平面应变破坏条件。将上述推导结果应用于地基承载力的计算,推导出了基于GNST准则的地基承载力计算公式。通过与实际载荷试验数据比较,本文计算结果与实验数据吻合较好。表明推导出来的α公式对于计算砂土的强度特性是可行的,同时也可应用于其他平面应变问题有同样的参考意义。     

考虑微观莫尔-库仑准则的拓展虚内键本构模型

拓展虚内键本构模型（augmented virtual internal bond-AVIB）蕴含了微观断裂机理,在模拟材料断裂破坏过程中有着较强的优势,它还不能很好地模拟岩土材料的压剪破坏的力学行为,这限制了它在岩土工程中的应用。为了突破这一局限性,在微观虚内键层面上引入了莫尔-库仑类型的虚内键破坏准则,来模拟岩土材料宏观压剪破坏行为。数值分析表明：通过引入这一微观莫尔-库仑准则,可以很好地再现岩石材料三轴受压情况下的强度特征,并且在大量数值模拟基础上,得出了微观内摩擦角和黏聚力与宏观内摩擦角和黏聚力之间的关系。该关系为本模型的参数标定提供了依据。