岩石三维弹塑性损伤本构模型研究

基于应变等效假设和真实应力概念的弹塑性损伤理论,在真实应力空间内,结合非线性统一强度模型,以广义塑性剪应变为硬化参数,并同时考虑应力水平对硬化速率的影响,建立了无损状态下岩石材料的弹塑性表达式;在名义应力空间内建立考虑围压对损伤速率影响的损伤演化方程,从而建立了岩石材料的三维弹塑性损伤本构模型。本构模型中各物理参数意义明确,与材料试验结果的对比表明,所建立的三维弹塑性损伤本构模型可较好地描述岩石材料在多轴受力情况下的变形与强度特性,为岩体工程的复杂非线性受力分析提供理论依据。     

双剪统一弹塑性应变软化本构模型研究

 根据统一强度理论应力不变量的形式,确定所要建立模型的屈服函数以及塑性势函数,考虑土体强度随加载过程的逐渐发挥,确定土体硬化函数。采用非相关联流动法则建立复杂应力状态下的土体弹塑性本构方程,并且对模型中所产生的奇异性进行分析和处理,指出模型中的奇异性是屈服函数、塑性势函数的流动矢量、以及硬化模量所引起的。给出模型中所含参数的确定方法,采用膨胀性泥岩的常规三轴试验模型进行验证,验证结果表明,所建立弹塑性本构模型能够模拟泥岩的应力–应变关系,较好地反映土体的应变软化特性。     

非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型

非贯通节理岩体是同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的复合损伤地质材料,基于此提出了在非贯通节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷的观点。首先对基于细观动态断裂机理的经典动态损伤本构模型——TCK模型进行了阐述,其次针对目前节理岩体损伤变量定义中仅考虑节理几何参数而未考虑其强度参数的不足,基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及强度参数的宏观损伤变量(张量)的计算公式;第三,基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量);第四,借鉴前人基于复合材料力学的观点,考虑了节理法向及切向刚度等变形参数对岩体动态力学特性的影响,进而建立了基于TCK模型的非贯通节理岩体单轴压缩动态损伤本构模型。并利用该模型讨论了载荷应变率、节理内摩擦角、节理厚度、节理法向及切向刚度和节理倾角等对岩体动态力学特性的影响规律。计算结果与目前的理论及试验研究结果比较吻合,从而说明了该模型的合理性。     

随机形貌岩石节理剪切数值模拟和非线性剪胀模型

 采用满足正态分布的随机函数,构造岩石节理剖面的形貌,为研究受剪岩石节理的细观剪切特性和宏观剪胀效应提供研究基础。利用UDEC软件,基于CY微段节理模型,开发随机形貌岩石节理直剪特性的数值分析程序,采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨微段节理的细观剪切特性和岩石节理的宏观剪切响应,提出节理抗剪强度参数与节理面粗糙度系数JRC之间的拟合关系。得到如下结论：JRC越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大,而峰值剪切位移与JRC成反变化关系;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;这些数值结论得到模型实验的充分验证。微段节理的细观切向爬坡和剪胀效应是岩石节理产生宏观剪胀的细观力学机制。通过对随机形貌岩石节理的宏观剪胀数值曲线性态进行分析,提出能考虑节理粗糙度JRC和法向应力影响的非线性剪胀本构模型,该模型较好描述了受剪岩石节理的剪缩段和剪胀段。     

Nonlinear shear behavior of rock joints using a linearized implementation of the Barton-Bandis model

Experiments on rock joint behaviors have shown that joint surface roughness is mobilized under shearing,inducing dilation and resulting in nonlinear joint shear strength and shear stress vs.shear displacement behaviors.The Barton-Bandis(B-B) joint model provides the most realistic prediction for the nonlinear shear behavior of rock joints.The B-B model accounts for asperity roughness and strength through the joint roughness coefficient(JRC) and joint wall compressive strength(JCS) parameters.Nevertheless,many computer codes for rock engineering analysis still use the constant shear strength parameters from the linear Mohr-Coulomb(M-C) model,which is only appropriate for smooth and non-dilatant joints.This limitation prevents fractured rock models from capturing the nonlinearity of joint shear behavior.To bridge the B-B and the M C models,this paper aims to provide a linearized implementation of the B-B model using a tangential technique to obtain the equivalent M-C parameters that can satisfy the nonlinear shear behavior of rock joints.These equivalent parameters,namely the equivalent peak cohesion,friction angle,and dilation angle,are then converted into their mobilized forms to account for the mobilization and degradation of JRC under shearing.The conversion is done by expressing JRC in the equivalent peak parameters as functions of joint shear displacement using proposed hyperbolic and logarithmic functions at the pre-and post-peak regions of shear displacement,respectively.Likewise,the pre-and post-peak joint shear stiffnesses are derived so that a complete shear stress-shear displacement relationship can be established.Verifications of the linearized implementation of the B-B model show that the shear stress-shear displacement curves,the dilation behavior,and the shear strength envelopes of rock joints are consistent with available experimental and numerical results.     

节理剪切应力–位移本构模型及剪胀现象分析

 在法向与切向荷载的共同作用下,节理剪切应力–位移曲线宏观表现为峰前呈剪切硬化、峰后呈剪切软化现象：当微凸体爬坡效应占主导地位时,宏观表现为剪切硬化;当微凸体在剪切过程中磨损累积到一定程度时,宏观表现为剪切软化。剪胀硬化、磨损软化共同控制节理的剪切力学行为。在详细分析已有的剪切应力–位移本构模型的局限性的基础上,提出硬化–软化全剪切本构模型,采用单个函数反映节理剪切位移曲线的变化特征,其优点为：(1) 避免分段讨论剪切位移曲线特征、分段求取拟合参数的麻烦;(2) 在整个讨论区域内存在一个峰值且峰值处斜率为0;(3) 当剪切位移足够大时,强度趋于残余值,体现出节理面材料的力学特征。对不同类型的剪切位移曲线进行分析,该模型均表现出较强的适应性。同时分析现有的剪胀模型,其主要缺陷是不能反映初始剪缩现象与体现真正的剪胀起始点。在分析典型剪胀曲线基本特征的基础上,采用分段函数考虑剪胀特征,能较好地拟合剪胀曲线。     

横观各向同性岩石弹塑性本构模型与参数求解方法研究

地层中普遍存在层理状岩石,这些岩石细观结构具有显著的方向性,从而引起了其变形与强度具有横观各向同性。采用弹性力学与广义塑性力学基本理论,建立了岩石横观各向同性弹塑性本构模型:弹性部分采用广义胡克定律描述,塑性部分采用基于广义八面体剪应力的屈服准则和势函数、非关联流动法则和应变硬化准则描述。该模型屈服面为外凸的非等截距椭圆截面角锥体,在各向同性条件下可退化为米塞斯屈服准则。提出了模型参数求解方法:弹性参数采用三轴压缩和扭转试验联合求解;塑性参数采用不同层理方向试样的三轴压缩试验求解。以炭质板岩为例,验证了所提出的横观各向同性弹塑性模型和参数求解方法,验证结果表明所提模型较好地反映了岩石的横观各向同性,参数求解方法简单有效。此外,还根据试验数据分析了炭质板岩塑性势方向性和弹塑性参数耦合特征。研究成果将为丰富岩石力学基本理论和解决相关工程问题提供理论基础。     

Experimental investigations and constitutive modeling of cyclic interface shearing between HDPE geomembrane and sandy gravel

This paper presents the results of experimental investigations and constitutive modeling of cyclic interface shearing between HDPE geomembrane and cohesionless sandy gravel. A series of cyclic interface shear tests was performed using a large-scale cyclic shear apparatus with servo controlled system. Particular attention was paid to the influences of the amount of shear-displacement amplitude, number of cycles, shear rate and the normal pressure on the mechanical response. The experimental results show that the path of the shear stress against the cyclic shear displacement is strongly non-linear and forms a closed hysteresis loop, which is pressure dependent, but almost independent of the shear rate. For small shear-displacement amplitudes, the obtained damping ratio is significantly greater than zero, which is different to the behavior usually observed for cyclic soil to soil shearing. In order to describe the pressure dependency of the hysteresis loop using a single set of constitutive parameters, new approximation functions are put forward and embedded into the concept of the Masing rule. Further, a new empirical function is proposed for the damping ratios to capture the experimental data for both small and large cyclic shear-displacement amplitudes. The included model parameters are easy to calibrate and the new functions may also be useful in developing enhanced constitutive models for the simulation of the cyclic interface shear behavior between other geosynthetics and soils.     

充填单节理岩体本构模型研究

根据以往充填节理的直剪试验结果,详细研究充填度对节理力学参数的影响。在分析几种充填节理岩体剪切强度模型的基础上,用经典的弹塑性理论提出充填节理岩体增量型应力与位移的本构模型,特别对节理剪切应力–位移曲线的硬化和软化特征进行研究。通过对比本文模型与已有试验点的剪切曲线,结果表明两者具有较好的吻合性,从而验证本文模型的正确性。     

剪胀和破坏耦合的节理岩体本构模型的研究

 摘要：根据节理岩体切向加载作用下的变形机制,把微凸体在磨损破坏过程中引起的剪胀软化现象和伴随的强化现象分开考虑,提出一种新的本构模型。试验结果表明,在法向和切向载荷共同作用下,由于微凸体的爬坡和啃断作用,节理岩体均会发生一定程度的剪胀和磨损,累积到一定程度就产生软化现象,在此引入一个初始剪应力概念体现上述特征。另一方面,由于破碎颗粒的碾压和迁移作用,使得抗剪力学行为由微凸体粗糙度控制逐渐转变为由结构面上形成的紧密夹层的力学行为所控制,抗剪强度提高,在此通过弹塑性随动强化模型来体现这一变形行为。当随动强化模型与初始剪应力相结合时,即为节理岩体切向加载作用下的剪应力–切向位移本构关系。通过对各种已有试验曲线的对比分析,验证该模型的正确性。     

隐伏非贯通结构面剪切蠕变特性及本构模型研究

结构面控制岩质边坡失稳的边界,自然界中大量结构面是非完全贯通的,且隐藏在斜坡内部,非贯通结构面研究对于揭示斜坡启动破坏机理及稳定性具有重要意义。隐伏非贯通结构面的岩块取样困难且不能大量复制,通过室内制作一种隐伏非贯通结构面模型,在单轴压缩试验和剪切试验的基础上,采用YZJL-300型岩石剪切流变仪,对隐伏非贯通结构面岩体进行剪切蠕变试验,并对蠕变特性进行研究。根据蠕变试验的阶段特征,引入一个适用于结构面的非线性黏性加速元件和材料损伤变量,建立一种非贯通结构面的剪切蠕变损伤本构模型,并根据拉普拉斯变化推导三维剪切蠕变本构方程。利用L-M算法和全局优化法对所得的蠕变试验曲线进行辨识,求解模型参数。经过辨识并对比试验结果和模型拟合结果,新建立的本构模型能较好地反映非贯通结构面蠕变特性,对揭示岩质斜坡的长期稳定性和时效演化有借鉴意义。     

Development and application of an interface constitutive model for fully grouted rock-bolts and cable-bolts

This paper proposes a new interface constitutive model for fully grouted rock-bolts and cable-bolts based on pull-out test results.A database was created combining published experimental data with in-house tests.By means of a comprehensive framework,a Coulomb-type failure criterion accounting for friction mobilization was defined.During the elastic phase,in which the interface joint is not yet created,the proposed model provides zero radial displacement,and once the interface joint is created,interface dilatancy is modeled using a non-associated plastic potential inspired from the behavior of rock joints.The results predicted by the proposed model are in good agreement with experimental results.The model has been implemented in a finite element method(FEM) code and numerical simulations have been performed at the elementary and the structural scales.The results obtained provide confidence in the ability of the new model to assist in the design and optimization of bolting patterns.     

采用修正塑性功硬化参数的双屈服面模型及应用

 首先对国内外双屈服面模型的发展进行回顾,指出土体模型中双屈服面概念的必要性和合理性。其次以平面应变试验结果为基础,直接推导出双屈服面模型各部分关系式,其中体积屈服面以塑性功为硬化参数,硬化函数与试验结果吻合程度较好,剪切屈服面以修正塑性功为硬化参数,满足了其与硬化面关系唯一性的要求,并可反映硬化–软化全过程。为使其能较方便地应用于数值计算方法,推导适用于双屈服面模型的弹塑性刚度矩阵。最后应用该模型对一高填土工程的变形进行计算,比较显示其与实测结果较为吻合。     

岩体结构面法向循环加载本构关系研究

对岩体结构面在法向循环加载下的受力变形关系进行了理论研究。试验表明,加卸载应力–变形曲线均可表示为双曲线函数,并且呈现不断硬化的特性,伴随产生法向残余位移。对已有双曲线型式的本构关系加以拓展,引入新的模型参数,假定卸载和重加载曲线均以结构面最大压缩位移为渐近线,曲线在法向力时为0的起始刚度由前一次循环过程的加载和卸载曲线起始刚度决定,从而完全确定循环加载本构方程。新参数体现结构面法向循环加载曲线的收敛速度和所产生的残余位移等受力变形特性,取决于岩石类型、结构面几何特征和填充物特性。通过设定参数的不同取值,这一模型分别等价于已有的不同模型。与无充填岩石裂隙和有厚度岩石夹层在法向循环加载下的试验结果对比表明,模型能较好描述岩体结构面的本构关系。     

岩体闭合节理摩擦滑动模拟与力学行为研究

基于边界单元法的不连续位移法,引进摩擦节理单元来模拟岩体节理,认为节理摩擦过程中其上下表面间作用的应力满足摩尔-库伦准则。在此基础上,研究了节理不同闭合和滑动状态对应力和位移的影响。研究发现,当节理张开时,节理的存在导致节理两端产生非常强烈的应力奇异性;当节理闭合且有切向滑动时,节理两端的应力奇异性明显降低。     

基于大变形分析的锚固节理岩石全程剪切阻力计算(英文)

提出了一个基于测量锚固节理岩石位移的用以预测锚杆拉剪大变形行为的分析模型，给出了受拉剪荷载作用下的锚固节理岩石综合抗力的表达式，得到了考虑锚杆作用的锚固节理岩石剪切阻力与节理位移(或节理中锚杆变形角)间函数关系的理论全程曲线，试验验证了理论方法的有效性。     

Calculation of complete curve of shear resistance for bolted rock joints based on large deformation analysis（基于大变形分析的锚固节理岩石全程剪切阻力计算）

提出了一个基于测量锚固节理岩石位移的用以预测锚杆拉剪大变形行为的分析模型,给出了受拉剪荷载作用下的锚固节理岩石综合抗力的表达式,得到了考虑锚杆作用的锚固节理岩石剪切阻力与节理位移(或节理中锚杆变形角)间函数关系的理论全程曲线,试验验证了理论方法的有效性.     

应变敏感的裂隙及裂隙岩体水力传导特性研究

通过将岩体单裂隙视为非关联理想弹塑性体，导出单裂隙在压剪荷载作用下，其机械开度和水力传导度的解析模型，并采用已有相关试验研究成果对解析模型进行验证。在此基础上，通过将岩体概化为含一组或多组优势裂隙的等效连续介质，给出一种描述裂隙岩体在复杂加载条件下考虑非线性变形特征及滑动剪胀特性的等效非关联理想弹塑性本构模型。基于该模型，给出裂隙岩体在扰动条件下应变敏感的渗透张量的计算方法，该计算方法不仅考虑裂隙的法向压缩变形，而且反映材料非线性及峰后剪胀效应对裂隙岩体渗透特性的影响。该模型通过引入滑动剪胀角和非关联理想塑性，较为逼真地反映了真实裂隙及裂隙岩体峰后的剪胀特性、变形行为和水力传导度变化特征。通过数值算例，研究了裂隙岩体在力学加载及开挖条件下渗透特性的演化规律。     

砂粒充填大理岩节理剪切强度试验研究

节理充填对节理力学性质具有重要影响,为研究砂粒充填对节理抗剪强度的影响,利用GCTS(RDS-200型)岩石剪切系统对4种粒径砂粒充填的粉晶大理岩节理进行了直剪试验。结果表明:未充填节理剪切应力-位移全程曲线可分为压缩阶段、弹性阶段、屈服阶段、软化阶段和残余阶段,而充填节理剪切应力-位移全程曲线则仅有压缩阶段和硬化阶段,表现出松砂剪切曲线特征;相同法向应力下,4种粒径砂粒充填节理峰值剪切应力明显降低。多层铺设3种较细粒径砂粒的充填对节理粘聚力和内摩擦角的影响基本相同,粘聚力和内摩擦角均降低,且粘聚力降低更为明显;单层铺设的最大粒径砂粒使节理的粘聚力降低,内摩擦角增加。研究结论对理解充填节理岩体稳定性具有一定帮助。