岩石类材料的分叉分析及其工程应用

根据Ottosen用特征值方法得到的非关联弹塑性材料发生不连续分叉的临界硬化模量和局部化方向的解析解 ,给出了岩石类材料常用的Mohr -Coulomb和Drucker -Prager准则的临界硬化模量和局部化方向 ,并对二者单轴受压时的局部化方向进行了比较。对平面应变混凝土压板进行分叉分析 ,得到其不同位移荷载步下的局部化区的形成过程和最终破坏模式。并对某拱坝进行弹塑性分叉分析 ,计算结果表明坝踵处最先发生应变局部化 ,是拱坝的薄弱部位。     

拉压异性的简支圆板在线形分布荷载作用下的塑性极限分析

采用统一强度理论对受线形荷载作用下的简支圆板进行了塑性极限分析,得出了相应的统一解形式。已有的Tresca准则、Mises准则、双剪应力准则以及双剪统一屈服准则的解答是文中解答的特例或逼近。统一解以适用于不同性状的拉压异性材料。从得出的解析解和图示表明,正确认识材料强度并合理运用屈服准则对发挥材料的潜能具有重要意义。     

薄壁圆筒在阶形变形路径下的统一增量解

基于俞茂宏统一强度理论，分析了薄壁圆筒在拉扭阶形变形路径作用下的增量解，得出了适用于各种不同拉压强度比的理想弹塑性材料统一增量解的形式。为材料选取合适屈服准则提供了方便，也为不同拉压比、不同泊松比的理想弹塑性材料在屈服后的应力状态及应力追踪的计算机模拟提供了便利。结果表明：通过改变材料的综合影响系数，可以只用一种或几种材料通过改变泊松比、拉压比和反映主切应力影响的系数等，来模拟其他已知或未知材料屈服后的性能。     

楔体极限荷载的统一滑移线与有限元解

应用俞茂宏的统一强度理论和统一滑移线场理论给出了锐角楔体极限荷载的统一滑移线解,此解考虑了材料的拉压异性及中间主应力对结构的影响,且基于Tresca、Mises、Molar—Coulomb准则的极限荷载解均为此统一解的特例。文中运用了大型有限元软件Ansys进行了模拟,将统一解与有限元分析结果比较,说明了统一滑移线解比较接近真实解。     

统一强度理论的数值分析及其应用

采用考虑了的影响,能反映材料拉压性能的俞茂宏双剪统一强度理论,建立弹塑性有限元程序UEPP,对西安东门城墙进行了弹塑性分析,从中得出了各种强度准则的结果,对比分析说明应用双剪统一强度理论可以充分发挥材料性能,有很广的适用性。     

基于统一强度理论的巴西圆盘劈裂强度分析

基于统一强度理论,构建了考虑2个较大主应力相互影响并适用于不同拉压比材料的巴西圆盘试验应力分析的统一劈裂破坏强度准则,通过参数变化得到常用的多种强度准则推导结果;为了验证理论公式,对C35商品混凝土试件进行了巴西圆盘劈裂试验,在试验研究基础上对统一强度准则演化出的多种强度准则计算结果进行对比分析。结果表明:材料的拉压比和中间切应力及相应作用面上正应力组合的加权参数对材料劈裂抗拉强度影响很大,最大拉应变强度理论和最大拉应力强度理论计算得到的劈裂强度分别为上、下限值,其他强度理论得到的值在两者之间,从而验证了统一强度理论对巴西圆盘劈裂试验分析的可靠性和适用性。     

薄圆环极限荷载统一解

采用双剪统一强度理论,考虑材料的拉压性能差异,对薄圆环进行弹塑性分析,得出了极限荷载统一解．利用此解可以合理地得出不同材料的相应解．现有的Tresca、Mises、Mohr-Coulomb、双剪强度理论等解是本文统一解的特例．结果表明,拉压性能差异对薄圆环的极限荷载有明显的影响,利用本文解,能充分发挥材料性能,减轻结构重量,取得多方面的效益．     

边坡极限荷载的统一滑移线解

采用统一强度理论和统一滑移线场理论对两种边坡的极限荷载进行了分析,得到了统一滑移线解,以往的经典塑性力学的解均为文中解的特例。利用此解可合理地得出不同材料的相应解,并能考虑材料的拉压异性和中间主应力效应。     

岩石材料变形的稳定性分析及破坏形式的分叉分析

材料的非稳定性分析及局部化剪切带分叉分析是当前固体力学研究的前沿课题.本文试图将二者引入到岩石力学研究中,从理论上解决两个问题第一是岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题;第二是岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式问题.为此,首先建立了岩石材料的应变软化损伤模型,用于这两个问题的分析;其次运用经典稳定性问题的能量准则分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件及岩石材料在峰值点后的损伤变形稳定性问题;最后,采用弹塑性材料的不连续分叉准则分析了岩石材料在单轴压缩及常规三轴压缩应力状态下的破坏形式.根据上述内容,全文分为3个部分,各个部分的主要工作及成果如下第一部分分析了岩石的基本变形性质,引用Frantziskonis和Desai损伤模型的概念,建立了能够反映岩石材料基本变形性质尤其是应变软化特征的损伤本构模型,并与实验结果进行了对比,证明该模型是适用的.第二部分介绍了结构及材料的稳定性问题的基本概念及基本理论和岩石力学中的稳定性问题及其研究现状.运用稳定性的能量准则,分析了获得岩石材料应力-应变全过程曲线的条件.除了在刚性压力机上,采用位移控制的加载方式,获得岩石材料的应力-应变全过程曲线外,在普通压力机上,如果采取适当的措施,无论是何种加载方式,均能获得岩石材料的应力-应变全过程曲线.运用稳定性的能量准则,分析了岩石材料在峰值点后的变形稳定性问题.证明了岩石材料的峰值点仅是一个分叉点而非失稳点,并提出了分叉点和失稳点的判别方法.模拟计算结果说明上述结论是正确的.第三部分介绍了岩石材料脆性破坏的基本特征及在单轴压缩和三轴压缩应力状态下的破坏形式和弹塑性材料分叉研究的基本理论以及岩土材料分叉研究的现状.采用不连续分叉理论,对岩石材料轴对称问题进行了局部化剪切带分叉分析.结果表明,单轴压缩应力状态下的岩石材料的脆性破坏形式是张破裂的;而常规三轴应力状态下岩石材料的脆性破坏形式是剪切破裂的,不存在张破裂的形式,剪切带方位角随围压的增加而降低.模拟计算结果表明在单轴压缩及低围压三轴压缩状态下,岩石材料的局部化剪切带发生于峰值应力之后,峰值应力点附近.但随着围压的增加,局部化剪切带分叉点将逐步远离峰值点,岩石材料的破坏逐步呈现塑性破坏的特征;当围压增加到一定值时,局部化剪切带将不会发生,此时岩石材料的破坏为塑性破坏形式.     

圆形隧道弹塑性分析的强度理论效应研究

合理的强度准则对隧道围岩的弹塑性分析十分重要,首先归纳建立了平面应变条件下8种岩土常用强度准则的统一线性方程,进而考虑围岩剪胀特性和塑性区不同弹性应变情况,推导了理想弹塑性围岩应力和位移的新解,并对所得新解进行可比性分析,最后探讨了围岩弹塑性分析的强度理论效应与塑性区位移的参数影响特性。研究结果表明:本文统一线性方程应用简洁灵活,便于探讨强度理论效应;围岩弹塑性新解可退化为众多已有解答,具有广泛的适用性;隧道围岩的强度理论效应明显,应优先选用广义Matsuoka-Nakai准则、统一强度理论(b=1/2)、Mogi-Coulomb准则和广义Lade-Duncan准则,谨慎采用统一强度理论(b=1)、外接圆Drucker-Prager准则,不鼓励使用内切圆Drucker-Prager准则和Mohr-Coulomb准则;围岩塑性区位移受剪胀特性、塑性区弹性应变的影响显著,且不同强度准则下二者的影响程度不同,应综合考虑3种因素的共同影响。     

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。     

理想塑性岩土的屈服条件与本构关系

本文讨论了理想塑性岩土屈服条件在应力空间和应变空间中的表达形式,以及在子午平面上和π平面上屈服迹线的特点。文中将目前应用较广的十个屈服条件表达成一个统一公式,并通过变换,写出了应变屈服条件的统一表达式。最后,文中还给出了各种应力屈服函数与应变屈服函数的导数值,以求理想塑性岩土的弹塑性矩阵。     

裂隙岩体局部化破坏多重势面分叉模型及其应用

采用多重势面弹塑性分又理论对裂隙岩体的破坏机制进行计算模拟。基于多重势面弹塑性理论分析局部化问题，构造了适用于裂隙岩体破坏的多重势面不连续分叉模型，建立了求解局部化方向的数值方法。在有限元方法的基础上，使用该模型计算了裂隙岩体的局部化破坏条带，即主开裂条带。相关的算例分析表明，这一模型用于分析裂隙岩体的局部化破坏是有效的。     

The Onset of Strain Localization in Cross-Anisotropic Soils Under True Triaxial Condition

The influences of inherent cross-anisotropy on soil strength on the homogeneous deformation and bifurcation characteristic of the stress-strain relationship are studied. By neglecting the cohesion term and employing an elliptical shape function in Mohr-Coulomb failure criterion, a 3D anisotropic failure criterion is proposed to describe the strength of cross-anisotropic sands under true triaxial conditions. Based on the proposed failure criterion, the influence of the anisotropic parameter on the failure curve on the deviatoric plane and the relationship between the peak friction angle and the intermediate principal stress ratio are obtained. The suitability of the criterion is justified by comparing with a series of true triaxial tests on sands without strain localization. The proposed failure criterion is adopted to build a three dimensional anisotropic elasto-plastic model, which allows the bifurcation analysis to be incorporated with the non-coaxial flow rule for the purpose of studying the onset of strain localization. Compared with the true triaxial tests under several intermediate principal stress ratios conditions in the literature, the proposed model and bifurcation analysis is shown to be capable of predicting the influence of inherent cross-anisotropy on the onset of strain localization.     

各向异性砂土剪切带角度的理论分析

针对平面应变条件下各向异性砂土剪切带角度的试验规律,采用传统的3种理论和分叉理论进行对比分析。将平面应变条件下剪切带角度的试验结果按照传统3种理论整理发现,尽管传统3种理论可以估算同种砂剪切带角度的极小、中间和极大值,但无法解释其各向异性规律。砂土在平面应变条件下破坏时会产生明显的剪切带,当剪切带方向和砂土沉积面方向接近时,会较早诱发剪切带的产生,使材料强度降低,造成了平面应变条件下各向异性强度规律明显不同于常规三轴条件下的试验规律,采用分叉理论结合各向异性模型则可以有效解释这个规律。随砂土沉积面角度的变化,模型可以从细观角度解释常规三轴条件下剪切带角度的单调变化的试验规律,结合分叉理论可以描述平面应变条件下其先减小然后增大的规律。通过几种理论对比分析表明,模型结合分叉理论不但能够描述多种应力状态下的平面应变和常规三轴应力条件下剪切带角度表现的不同规律,而且能够从细观角度解释其各向异性成因。     

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。     

基于统一强度理论朗肯土压力的计算研究

 采用双剪统一强度理论主应力型表达式和平面应变假设,首先将挡土墙土压力问题视为平面应变问题,通过广义虎克定律确定出中主应力 ,并根据朗肯土压力分析原理确定出另外一个主应力,最后结合双剪统一强度理论主应力型表达式分别推导朗肯主动土压力和被动土压力的计算公式。该公式除了引入考虑中主应力影响的系数b,还通过广义虎克定律把材料的泊松比 引入朗肯土压力计算公式中。经典的朗肯土压力计算公式仅为该统一解的特例。该统一解可以灵活地运用于各种不同特性填土材料的土压力计算。最后通过一算例讨论不同权系数b对计算结果的影响。分析表明：采用经典的朗肯被动土压力理论所得到的结果是偏小的,而采用经典的朗肯主动土压力理论所得到的结果是具有一定的安全储备;双剪统一强度理可以更好地发挥材料的强度潜力,可取得一定的经济效益。     

平面应变条件下非饱和土抗剪强度统一解及应用

基于统一强度理论和非饱和土双应力状态变量抗剪强度,合理考虑中间主应力效应,推导了平面应变条件下非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,进而考虑中间主应力、特别是基质吸力高低的不同影响,建立了非饱和土主动、被动土压力和任意侧压力系数下均适用的条形地基临界荷载解析解.本文解析解具有广泛的理论意义,根据实际工程具体情况,可进行...     

Yielding Characteristic and Non-Coaxiality of Toyoura Sand on p′-Constant Shear Stress Plane

In order to investigate the deformation characteristics under a wide selection of stress history, ten series of stress probing tests on p′-constant shear stress plane on dense Toyoura sand are conducted by using hollow cylinder apparatus. This paper presents yielding behavior and non-coaxiality of Toyoura sand obtained from the tests. The stress probing tests consist of ten series of shearing tests each of which starts from systematically chosen individual initial stress point. Each initial stress point is subjected to load-unload stress history. The yielding characteristic is interpreted by means of a concept of multiple yield surfaces model which has three yield surfaces representing linearly elastic behavior limit, commencement point of rapid development in plastic strain and elasto-plastic range. As a result, an experimental evidence of the isotropic hardening, i.e., isotropic expansion of yield surface, induced by anisotropic loadings is obtained. This is what was tacitly assumed in the application of plastic flow rules. However, misalignment of directions between principal stress and principal plastic strain increment is observed. Moreover, plastic strain increment direction is found to be influenced by the given stress increment direction. These facts suggest the non-coaxiality between stress and plastic strain increment due to shear stress increment, even during monotonic loading with isotropic hardening. The plastic strain increment direction diverges from the normal direction to a surface which is a circle with its center nearly at the origin on p′-constant plane and which passes through the current stress point.