基于Drucker-Prager准则的边坡安全系数定义及其转换

探讨了基于D-P(Drucker-Prager)准则的边坡稳定安全系数定义形式,提出了各D-P准则之间的安全系数转换关系,并据此建立了基于D-P准则的边坡稳定安全系数与传统莫尔–库仑准则条件下安全系数的关系表达式。目前,ANSYS有限元软件采用的岩土材料屈服准则为莫尔–库仑六边形外接圆D-P准则,在利用有限元强度折减法计算边坡稳定安全系数时,可以先求出外接圆D-P准则条件下的安全系数,然后利用所提出的安全系数转换公式就可直接计算出各D-P准则条件下的安全系数。对于平面应变条件下的强度问题,平面应变莫尔–库仑匹配D-P准则(分关联和非关联两种情况)与莫尔–库仑准则等效,因此,通过转换就可以在ANSYS程序中实现莫尔–库仑准则,而不需要进行二次开发。这样就解决了基于D-P准则的有限元强度折减安全系数与传统工程中采用的安全系数(基于莫尔–库仑准则)间的接轨问题。大量算例结果表明:在平面应变条件下采用平面应变莫尔–库仑匹配D-P准则求得的安全系数与传统极限平衡条分法中用Spencer法求得的安全系数非常接近,且误差在1%～2%,已经具有相当高的计算精度,也同时证明所提出的方法是可行的。     

基于真三轴单面卸荷强度双折减法修正D-P准则研究

为了准确地评价巷(隧)道开挖面附近围岩的稳定性,采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对大理岩进行不同主应力加卸载试验,研究大理岩强度参数的演化特征。基于Mohr-Coulomb(M-C)准则与Drucker-Prager(D-P)系列准则匹配关系推导分析,探讨黏聚力c、内摩擦角?和Lode参数值的变化规律,确定最大衰减路径,得出黏聚力c和内摩擦角?的强度双折减系数。研究结果表明:(1)M-C准则和D-P准则计算破坏强度的条件是主应力为对称加卸载,在最小主应力单面卸荷的条件下,其准则计算的破坏强度值偏高;(2)M-C准则通过强度双折减后计算的破坏强度值偏低;(3)基于M-C准则强度双折减法对D-P准则进行修正,计算的破坏强度值更接近实际情况。研究结果对于控制地下工程灾害、保障施工安全具有重要的指导意义。     

地基承载力的广义强度安全系数

基于太沙基假定的地基滑动面 ,分析了地基土单元的平面应变应力状态 ,并引入SMP三维强度准则和变换应力空间 ,将变换应力空间内等平均主应力条件下的强度包线半径与偏应力半径平均值的比值定义为广义强度安全系数。通过工程实例 ,解释了地基承载力安全系数和广义强度安全系数的相互关系。     

基于三剪统一屈服准则的边坡稳定性计算

基于三剪统一屈服准则讨论了边坡稳定性计算的问题,得到了基于三剪统一屈服准则瑞典条分法计算边坡稳定性系数的计算公式。实例计算结果表明土中应力状态、土的抗剪强度指标以及中间主应力系数b对安全性系数都有一定的影响。Lode参数μ00时安全系数随其增大而减小,当μ00时安全系数随其增大而增大,安全系数随着土体内摩擦角以及黏聚力的增加而增大,安全系数随着b值的增加而增大。考虑了中间主应力的影响,能更充分利用材料的强度潜力,可提高边坡安全稳定性系数。     

M-C与D-P屈服准则计算参数的能量等效方法及误差分析

 基于应变比能的概念,在偏平面内建立了分别进入Mohr-Coulomb(M-C)和Drucker-Prager(D-P)屈服面时所需形状改变比能的差值公式,获得M-C材料参数向D-P计算参数等效的统一性方案。可为各种参数匹配方法提供统一的计算公式、误差估计和能量解释。在此基础上讨论各种参数匹配方法的差异仅在于能量误差控制条件不同,且偏平面内能量误差零点可用Lode角或应力路径表示,此外,还讨论能量误差零点时对应Lode角的多值性及系列D-P准则等价性的条件。     

基于流-固耦合的水平定向钻孔壁稳定性研究

基于孔隙介质的理论建立了孔隙度、渗透系数及损伤变量和体积应变之间的动态数学模型,给出了M-C准则与D-P准则之间的强度折减系数换算关系。借助有限元程序将该数学模型与有限元强度折减系数相结合,研究了非开挖水平定向钻孔壁稳定性。所给工程案例计算结果表明,采用不同屈服准则得到的安全系数有一定差异,但一定条件下可等价;最后指出考虑动态演化模型所得安全系数比不考虑时小得多,流固耦合效应不容忽视。     

基于M-C准则的D-P系列准则在岩土工程中的应用研究

通过适当的变化,D-P系列屈服准则便可与能够很好地描述岩土材料的强度特性的Mohr-Coulomb准则相匹配。文中对系列D-P系列屈服准则进行了比较系统及深入的研究,指出了D-P系列屈服准则的应用条件、相互之间的关系,并给出了一种D-P系列屈服准则的相互转换的方法。最后通过平面应变条件下的地基进行了有限元分析,通过与Prandtl经典理论解的对比,得出了大量有益的结论。数值分析结果有力的验证了本文有关理论的正确性。     

三轴抗剪强度参数的粗差剔除与指标确定

三轴抗剪强度指标(粘聚力和内摩擦角)是岩土工程中的重要设计参数,为了更加准确地确定三轴抗剪强度指标,提出了一种基于最小距离平方和的非线性规划求解法。在证明各莫尔应力圆与回归所得强度线的垂直距离服从正态分布的基础上,根据罗曼诺夫斯基准则等小样本异常值判别准则剔除含有粗大误差的数据,获取唯一的强度线,并最终确定岩土体粘聚力和内摩擦角。结合Matlab程序,问题求解显得快速、精确而直观。实例分析验证了本文方法的实用性。     

堆石料平面应变条件下统一强度理论参数研究

 堆石料的常规三轴、方形三轴和平面应变试验对比分析表明,方形三轴试验的应力–应变曲线与常规三轴的存在显著差异,方形三轴试验对应的峰值强度高于常规三轴试验,堆石料密度较大时,应力–应变曲线呈现软化特征,存在明显的偏应力峰值。任何一组方形三轴试验对应的莫尔圆大致具有同一条公切线,平面应变试验也具有类似的强度特性,可采用直线型Mohr-Coulomb破坏准则描述堆石料的强度特性,同一种堆石料在平面应变条件下破坏时的Lode参数基本保持不变,且在数值上近似等于方形三轴试验对应内摩擦角的正弦值。在试验结果的基础上,通过双剪强度理论建立平面应变条件下堆石料的强度与方形三轴强度的关系式。对平面应变状态下堆石料强度影响因素分析表明,在本文的模型框架内,平面应变状态下的内摩擦角仅与三轴应力状态下的内摩擦角相关,而对应的黏聚力主要取决于方形三轴试验对应的黏聚力,三轴应力状态下的内摩擦角对其影响较小。通过与试验数据的对比表明,本文建立的强度关系式基本可以描述堆石料在平面应变条件下的强度特性。     

利用有限元强度折减法分析岩质边坡的稳定性

基于有限元强度折减法,利用ANSYS有限元软件,对岩质边坡在地应力作用下进行了稳定性分析。选用D-P屈服准则,以边坡的位移计算不收敛及塑性区贯通作为边坡失稳判据,得到边坡的安全系数及破坏滑动面。通过与成熟的极限平衡法做比较,证明边坡稳定性安全系数是合理的,从而也说明强度折减法在岩质边坡稳定性分析中的优越性。     

不同强度准则下软岩巷道底板破坏安全性比较分析

长期以来,对地下硐室的稳定性评价一直缺乏一个合理的评判标准,传统有限元法无法计算出硐室的安全系数,仅凭应力、位移和塑性区大小很难确定硐室的安全度。为解决这一难题,吸收极限分析有限元方法的优点,开展基于强度折减技术的软岩巷道底板的安全系数求解。极限分析本质上是强度问题,强度准则的选取对求解结果影响很大,为此探讨不同强度准则参数之间的关系和经典D-P准则与扩展D-P准则之间的剪切安全系数的转换。考虑巷道底臌是由于两帮岩体产生压模效应而造成底板岩体出现的整体剪切破坏,通过不断折减岩体的抗剪强度参数,以底板特征点位移突变为破坏判据,求解底板的稳定安全系数及潜在破裂面,并比较不同强度准则下的求解结果。结果表明,安全系数的理论转换公式具有较高的计算精度;不同强度准则求解的安全系数关系为DP1准则＞M-C准则＞扩展D-P准则＞DP4准则＞DP2准则＞DPM-C准则＞DP3准则,即DP1准则是偏不安全的,其中DP2,DPM-C,DP3准则求解结果吻合较好;网格密度及剪胀角的选取对结果收敛影响很大。     

土质边坡工程中德鲁克-普拉格破坏准则的运用

通过ANSYS软件和抗剪强度折减有限元法的结合,用等效面积的德鲁克-普拉格屈服准则如内角点的外接圆、内切圆、等面积圆、匹配圆等模型来对边坡工程的二维和三维状况进行模拟,得出不同折减系数下边坡中广义塑性应变的发展情况,三维稳定有限元分析比二维有限元更真实地反映边坡的稳定状况,验证了三维有限元分析得出的安全系数要大于二维分析得出的安全系数;基于等效面积的德鲁克-普拉格屈服准则的等面积圆模型的计算能更好地发挥材料的承载潜力,是二维与三维边坡稳定数值模拟较理想的弹塑性模型。同时探讨了剪胀角对边坡稳定性的影响。     

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...     

基于弹性应变能D-P强度准则修正

针对D-P强度准则存在的拉剪区偏大及不具备应力角效应等不足之处,为使其更符合岩石的屈服(破坏)机制,从弹性应变能角度对D-P强度准则进行修正,开展如下工作:为便于研究将弹性应变能分为偏量弹性应变能与张量弹性应变能之和,并分析各能量对材料破坏影响;研究D-P强度准则的物理意义及其不足之处产生的内在原因,并基于此建立广义D-P强度准则,总体上可较好地反映岩石的破坏特性,并能较好地解决拉剪区偏大及应力角效应等问题。对4种不同岩石的破坏强度进行计算,结果表明:广义D-P强度准则计算结果较为精确,该准则突破材料破坏时泊松比恒为0.5传统假设,对于准确定量地描述岩石破坏特性具有重要意义。     

一种考虑拉破坏的强度折减法研究

强度折减法广泛应用于边坡安全系数的计算,在用强度折减法进行安全系数计算时应考虑张拉屈服形式。从实际工程出发,并结合张拉–剪切屈服准则,提出一种新的考虑岩体张拉破坏特性的强度折减法。指出在强度折减过程中,岩土的抗拉强度、内摩擦角和黏聚力不是任意的,而应满足一个不等式。基于这一不等式,指出当前考虑张拉破坏强度折减法的不足,并且通过算例验证本文所提方法的合理性。     

基于SMP准则的定向钻扩孔泥浆压力计算

定向钻施工中泥浆压力是孔壁稳定的关键因素,其计算公式一直是困扰定向钻施工设计的主要问题。文中基于SMP准则分析了定向钻扩孔过程中孔壁土体内的二次应力、应变场以及塑性区半径分布规律,推导出了最大泥浆压力的计算公式。基于SMP强度准则得到的最大孔壁内压和最优孔壁内压值明显大于基于M-C强度准则计算所得值,这说明了考虑中间主应力影响的SMP强度准则对提高最大孔壁内压和最优孔壁内压值具有重要的实际意义,此外,通过改变粘聚力和内摩擦角的大小,得到粘聚力对于最大孔壁内压的敏感性要大于内摩擦角,所以提高土体的粘聚力对孔壁稳定性更具实际意义。     

对“基于M-C准则的D-P系列准则在岩土工程中的应用研究”讨论的答复

非常感谢刘金龙博士等对拙文“基于M-C准则的D-P系列准则在岩土工程中的应用研究”(以下简称“原文”)的关注及讨论,现对讨论的问题进行答复:(1)讨论把中主应力系数b=(σ2?σ3)/(σ1?σ3)及大、小主应力比系数t=σ1/σ3引入到对无粘性土的D-P系列准则的控制方程中(讨论稿式(1)),对不同内摩擦角?时满足控制方程的b与t的相互关系进行分析,并在一定的?值下特定的b(t)下求得了不合理的t(b)值,以此认为D-P系列准则可能在一定的区段上不存在物理意义。要搞清这个问题,首先来看一看D-P系列准则的屈服方程与t、b在应力空间的相互关系:假设(σ2?σ3)=b′(σ1?σ3),σ1=t′     

圆形硐室广义Hoek-Brown围岩弹塑性交界面上径向应力的近似解

基于广义Hoek-Brown剪切强度包络线与Mohr应力圆、Mohr-Coulomb强度直线均相切的几何性质,引进一个与瞬时内摩擦角有关的参数——最大剪应力模数,获得最大和最小主应力、潜在破坏面上的正应力和剪切力、Mohr应力圆半径和瞬时内聚力与该参数的函数关系,为轴对称平面应变条件下遵守广义Hoek-Brown破坏准则的圆形硐室围岩塑性区半径及重分布应力场的解答提供了简捷途径。通过弹塑性交界面上环向应力和径向应力之和一定的条件,结合最大剪应力模数与由弹塑性交界面上的径向应力与环向应力决定的Mohr圆半径间的关系,得到最大剪应力模数与正规化初始应力满足的非线性表达式,进而运用Newton-Raphson迭代法求得弹塑性交界面上的径向应力的接近于真实值的近似解,并研究弹塑性交界面上的瞬时内摩擦角、正规化瞬时内聚力和正规化径向环向应力比随正规化初始应力和Hoek-Brown物性参数的变化关系。结果表明,随着正规化初始应力的增大,相同岩体质量的围岩弹塑性交界面上的应力状态由近似单轴压缩过渡到两向压缩应力状态,瞬时内摩擦角逐渐变小,而正规化内聚力逐渐变大。     

高应力下岩石非线性强度特性的试验验证

 深埋工程岩体开挖后围岩的强度特性表现出明显的非线性特征。基于室内岩石三轴加载及卸荷力学试验成果,对高应力下岩石的非线性强度特性予以验证,并开展高应力下应力路径对强度参数影响规律研究。采用已有的二次抛物线型、双曲线型、幂函数型等型式的包络线来研究强度特征的非线性,结果表明,幂函数型Mohr准则能够作为在高应力加载和卸荷应力路径下的岩石破坏的强度判据。在低围压下(＜10 MPa),三轴卸围压破坏强度要小于常规三轴强度;而在高围压下,前者略高于后者。内摩擦角的正切值与等效法向应力的函数关系表明岩样的实际内摩擦角并不是一个不变值,具有幂函数关系的非线性特征,在低应力下卸载破坏内摩擦角要比常规三轴压缩剪切内摩擦角略大,在高应力下则相反;根据Mohr准则中内摩擦角与理论破裂角之间的关系,随着应力增加它们的破裂角均呈非线性衰减并趋向π/4。     

基于g（θσ）法改进的剑桥模型及其应用

针对莫尔-库仑（简称M—C）准则屈服面在“平面上存在有尖点,采用了在π平面上外接M—C条件六角点的g（θσ）形状函数,使得“平面上的屈服迹线变成了抹圆了角的六角形,而且和SMP准则在“平面上的屈服迹线进行了对比,分析了它们之间的差异,并把g（θσ）形状函数应用于剑桥模型,考虑了Lode角的影响,最后采用g（θσ）法改进的剑桥模型,对澳大利亚某试验段路堤软基固结进行了有限元分析,重点讨论了孔压、沉降及水平位移的变化规律。