影响剪切带形成的因素的探讨

各种工程事故表明现有的土力学计算模型均未考虑应变局部化问题,故不能解释这些工程事故的发生,因此应变局部化和剪切带形成的研究成为国际土力学界研究热点之一.在剪切带形成的数值模拟中的一个关键问题是保证剪切带的出现.对于均匀边界条件,常规有限元只能得出均匀变形解.为了得出应变局部化的解答,往往需要假定一个弱单元来引发局部化变形.弱单元可以采用几何弱化或物理弱化.由于土试样是三相材料,其不均匀性以及存在弱单元的现象是客观存在的.本文考虑土质不均匀性的影响,引入弱单元,分析不同情况下剪切带的形成,寻找其对实际剪切带形成的影响规律.数值模拟结果表明剪切带的形状与弱单元的位置有关,边界单元也是一种弱单元的形式,边界弱单元在触发剪切带形成中起到主要作用,剪切带基本上沿45°角从弱单元处开始发展形成,降低土样高度与宽度的比例,可以限制剪切带的发生.     

压力相关弹塑性Cosserat连续体模型与应变局部化有限元模拟

提出了一个压力相关弹塑性Cosserat 连续体模型。具体考虑非关联Drucker-Prager 屈服准则,应力和应变速率向量的偏量和球量部分分离,在Cosserat 连续体模型的框架下,推导出压力相关弹塑性Cosserat 连续体本构模型的一致性算法:率本构方程积分的返回映射算法和压力相关弹塑性切线本构模量矩阵的闭合型显式表示。避免了计算切线本构模量矩阵时的矩阵求逆,保证了模型的数值求解过程的收敛性与计算效率。利用所发展的模型和有限元法,对应变软化引起的平面应变问题中的应变局部化现象进行了数值模拟。数值模拟结果表明,所发展的模型能保持应变局部化边值问题适定性、再现应变局部化问题特征:塑性应变局限于局部处急剧发生和发展以及随塑性变形发展的整体承载能力下降等方面的性能。     

单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石变形局部化分析及其应力-应变全过程研究

岩土工程的开挖卸荷往往产生拉应力，因此研究单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石的变形局部化和全过程应力．应变关系具有重要的理论和现实意义。利用损伤力学理论研究了岩石在线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落、应变软化阶段的拉伸应力．应变关系，并分析了产生应力跌落和应变软化的主要原因是损伤和变形局部化，将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往模型的重要区别。通过与实验成果的对比分析，验证了模型的正确性和有效性。     

应变局部化带追踪模拟的复合单元方法与应用

利用复合单元技术考虑应变局部化带的影响，提出一种新的追踪应变局部化带发展的算法。通过直接降低材料参数来体现应变局部化带内软化的影响，对所有可能发生的应变局部化带的位置和方向进行记录与模拟；借用节理裂隙的统计方法拟合局部化带，得到破坏通道；然后重新对该破坏通道和原有网格信息进行复合单元的拓扑信息生成，并在此基础上重新进行计算，对局部化带发展追踪过程进行复核。该算法不要求追踪路径的连续性，并可充分考虑各局部化带间的相互影响。边坡算例证实所提出方法的可行性和可靠性，宝珠寺大坝的数值计算与模型试验的对比分析则说明提出的方法已具备解决实际工程问题的能力。     

基于隐式梯度理论的混凝土细观随机断裂模型

根据多尺度力学的基本思想,将隐式梯度非局部化理论与串并联弹簧模型理论相结合,建立了混凝土细观随机断裂模型。通过引入微弹簧断裂应变为服从对数正态分布的随机变量,验证了混凝土材料微观断裂的不可控制性;通过引入非局部化比例,解决了传统串并联弹簧模型的层数敏感性问题。对建立的模型从特征参数、局部应变与损伤的演化发展和层数敏感性几个方面进行了分析。最后,将模型结果与试验结果进行了对比,验证了该模型的正确性。研究结果表明:该模型计算效率高,且更加有利于在计算软件中实现。     

中低围压下细观非均匀性岩石本构关系研究

研究了中低围压条件下细观非均匀性岩石的变形局部化问题和全过程应力应变关系。研究表明,全过程应力应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因是损伤和变形局部化,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的重要区别。通过和实验对比分析验证了模型的正确性和有效性。     

岩土结构中应变局部化有限元方法研究

介绍了岩土结构中常用的研究结构及其破坏机理的方法,通过对应变局部化的理论和数值模型的研究,初步探讨了改进控制方程、自适应技术和非连续形函数三种解决岩土应变局部化问题的方法,对研究结构破坏机理及解决实际工程问题都具有重要意义。     

离散介质中应变计算的非线性插值方法

分析了离散介质中的应变计算特点,采用‘等效连续’的运动均一化技术,对空间三角化线性插值方法作了类似于更新Lagrange格式的修正。在此基础上,提出了离散介质应变计算的无网格非线性插值算法,并给出了二维验证。初步研究表明,采用的应变计算方法与试样的宏观应变相吻合,比起三角化方法更能体现细观局部的应变特征,因此更适合于研究如剪切带等应变局部化问题。     

岩土介质应变局部化问题的广义塑性梯度理论研究

进一步探索岩土介质的强度与变形机制，就必然要深入分析其细观变形和破坏性态。大量试验表明，由于试样的微细观层面上的不均匀性的影响，试样在破坏时常常出现狭窄带状高应变梯度区的应变局部化现象。研究应变局部化问题实质上是研究岩土工程的基本科学问题——岩土介质的一种真实破坏过程。基于传统连续介质力学的应变梯度理论难以反映岩土介质最基本的力学性质，如果能将广义塑性力学同应变梯度理论结合志来，应该能够得到一些新的启迪。 通过对宏观试验结果和CT试验结果的分析，提出一种可包含局部化变形的相当小而非无穷小的研究基元——塑性梯度体元，基于塑性梯度体元分析了应变局部化启动机制；建立起塑性应变的微分表达式后，随着硬（软）化模量从正值变为负值，变形模式将由均匀变形模式变为局部化变形模式。 进而，基于广义塑性力学的双屈服面模型和对塑性梯度体元的分析，构造由梯度依赖的双屈服面得到的塑性剪切应变和塑性体积应变的微分方程表达式，从而建立广义塑性梯度模型的理论框架，使其在反映岩土介质的基本力学性质的同时，也能反映介质的应变局部化特征，给出一种可能的梯度依赖的双屈服面的形式。阐述广义塑性梯度模型模拟局部化变形模式的机制。提出模型各个参数，尤其是其中局部化参数的物理意义和通过宏观可测量的物理量结合数值分析反推材料局部化参数的途径。 然后，在将位移进行离散的同时，也通过构造的C连续性的插值函数将塑性乘子在空间离散，得到一组以节点位移向量和节点塑性乘子向量为基本未知量的非线性方程组，从而建立广义塑性梯度模型的数值模型，给出了相应的边界条件处理方法和数值算法。 最后，编制二维FORTRAN90数值分析程序和VB后处理程序，并给出数值算例。算例显示塑性应变局限于局部处发生和急剧发展的过程；塑性剪切应变和塑性体积应变进入局部化变形模式后都主要集中在局部化带内，反映出岩土在一定条件下的剪胀机制；避免了病态的网格敏感性；且局部化带宽度受局部化参数影响。     

单轴压缩湿砂样局部及整体体积应变的数字图像相关方法观测

确定体积应变局部化区域对于涉及孔隙流体的地质灾害研究具有重要意义。体积应变局部化区域可能比最大剪切应变局部化区域更接近于孕灾地点。在单轴压缩位移控制加载条件下,测试了3个湿砂样（含水率为12.7%~17.1%）的应力-纵向应变曲线,在微裂纹出现之前及稍后,利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关（DIC）方法计算了砂样的局部体积应变的变化规律。研究发现,在加载过程中,局部体积应变由均匀分布（近似线性阶段）向不均匀分布（硬化阶段）转变,直至出现局部体积应变局部化现象。在剪切带切向上,和最大剪切应变的相对均匀分布相比,局部体积应变的分布具有多峰性,这应与周期性的微裂纹出现有关。在微裂纹出现稍前,剪切带的变形是以膨胀为主,剪切带已较为显著,带内的最大剪切应变和局部体积应变分别比带外多2倍和4倍,但在此前,剪切带的膨胀和收缩现象共存。计算了所有测点所围区域的整体体积应变随纵向应变的演变规律。基于DIC方法的整体体积应变计算方法的优越性在于：具有亚像素精度,考虑了应变二阶量的影响。     

基于材料状态相关砂土临界状态理论的应变局部化分析

针对传统砂土本构理论无法合理解析剪破角随初始围压增加而减少这一试验规律的局限性,采用材料状态相关砂土临界状态本构模型对Hostun砂进行了应变局部化分析。首先基于已有的材料状态相关砂土临界状态概念,将Pietruszczak等所提出的砂土本构模型进行了改进,并利用Hostun砂的有关三轴排水试验结果对模型参数进行了拟合,然后对Hostun砂的平面应变排水试验进行了应变局部化分析。分析结果表明:基于材料状态相关的砂土临界状态模型能够合理地描述材料初始状态对砂土变形局部化的影响,尤其是初始有效围压对剪破角的影响。     

多节预制桩接桩质量问题的处理

采用三种不同的检测方法，对某重点工程桩基质量事故进行分析及处理，由静载荷试验发现了接桩的质量问题是引起事故的主要原因，采用压力注浆方法对不合格的桩进行处理。低应变检测方法不能用于有接桩的多节预制桩检测，同时，国标97G361的接桩方法，在大冲击力、高击数条件下应进一步完善和加强。     

平面应变条件下砂土局部化剪切带的有限元模拟

 根据饱和砂土的排水平面应变压缩试验的应变场,分析研究砂土的应变局部化现象以及剪切带的形成。在平面应变压缩条件下,砂土在峰值应力状态附近出现应变局部化现象,在残余状态最终形成一条V型剪切带。剪切带的形成是一个渐进过程,砂土呈现出渐进性破坏特性。这种由软化特性引起的应变局部化剪切带是砂土材料非常重要的变形和强度特性之一。基于砂土的三要素弹黏塑性本构模型和动态松弛有限元求解技术,对砂土的应变局部化现象和剪切带的形成进行有限元模拟。其中,砂土本构模型中引入应变局部化参数S来表示砂土峰值以后的软化和剪切带效果,剪切带在单元内未考虑其方向性,而是假设剪切带方向与最大剪切应变的方向一致。分析结果表明,动态松弛有限元法及砂土三要素模型能合理地模拟砂土的应变局部化现象,剪切带附近的最大剪应变值也非常接近,从而实现对砂土材料从硬化→峰值→软化→残余的全过程模拟以及对砂土应变局部化剪切带的定量化分析。     

基于应变局部化的双裂纹岩样贯通模式及强度试验研究

含裂隙岩体在外力作用下,内部裂纹会发生扩展,这会显著影响强度以及损伤特性。基于前期验证可靠的DIC系统,对含双裂纹的类岩石材料进行单轴压缩试验,捕获全过程的应变场演化云图以及岩桥区域应变局部化过程,研究发现:岩样呈现出显著的变形局部化渐进破坏特性;试验初期形成的应变局部化带基本确定了加载全程全局应变场的变化范围与变化趋势;基于试验研究,双裂纹岩样的贯通破坏模式可归总为4类:岩桥不贯通模式、裂纹内尖端贯通模式、裂纹内外尖端贯通模式以及裂纹外尖端贯通模式;岩桥角度及其空间排布在细观上影响了应变场局部化带的演化过程,宏观上决定了裂纹的扩展路径及岩样的破坏模式;岩桥贯通时应变局部化带的融合造成了应力–应变曲线的"峰前波动",使得岩样强度降低,并且融合越慢岩样强度越高。     

煤层气输气管道内沉积物定位检测方法研究

针对煤层气输气管道中沉积物的问题,利用Fluent系列软件,模拟了煤层气管道内沉积物附近的压力分布和温度分布。描述了沉积物堵塞事故的判断方法、压力脉冲定位原理、温度梯度定位原理。提出了以压力脉冲定位为主、以温度梯度定位为辅的沉积物定位手段。     

基坑设计考虑粘性土变形局部化的探讨

根据上海软土在固结不排水平面应变压缩试验条件下应变局部化和剪切带形成的实测研究结果,发现粘性土剪切带开始形成的偏应力为其屈服点。过此点后粘性土局部化变形加剧。这将有助于土体在强度理论、变形和稳定分析等方面的深入研究。为此,在深入研究变形局部化的同时,着重研究考虑粘性土变形局部化的深基坑计算参数问题。     

平面应变岩样局部化变形场数值模拟研究

在FLAC^3D的基础上开发了后处理程序，对应变软化岩样的剪切局部化变形场（包括：速度场、应变率场、体积应变率场及位移场）进行了数值模拟研究。考虑扩容效应后，剪切带的倾角和宽度均增加，剪应变率的局部化程度降低。剪切带倾角和宽度的增加对岩样的塑性性质影响正相反。两条共轭剪切带奖岩样分割成具有整体平移特性的4个小块体，每个小块体内部的位移场是比较均匀的，而剪切带附近的位移具有较大的位移梯度。剪切应变率（或应变）局部化区域与体积应变率（或应变）的位置重合，局部化区域就是岩样最终的破坏位置。     

EXPERIMENTAL STUDY OF STRAIN RATES EFFECTS ON STRAIN LOCALIZATION CHARACTERISTICS OF SOFT ROCKS

The effects of strain rates on the strain localization characteristics of soft rocks in plane strain compression tests were studied. Using digital image correlation method based on image analysis technique, digital photographs of the specimen taken by CCD camera mounted in a microscope at different stages of loading were analyzed and displacement and strain fields were obtained. The accuracy of displacement and strain measurements are found to be 2.625 μm and 0.0525% (for 5 mm × 5 mm grid), respectively. By analyzing the strain fields, important information regarding strain localization characteristics at three different strain rates were obtained. The results of the study indicate that strain rate has significant influence on the localization modes. Strain localization was observed before the peak stress. The switching of localization mode from highly concentrated strain accumulation mode for higher strain rate to diffuse and complex strain accumulation mode for lower strain rate were observed. The evolutions of strain fields during creep tests at different loads were also studied.     

轴对称压缩条件下岩石局部化剪切带数值模拟

在岩石室内试验中,可以很清楚地观察到试样在失稳过程中常常伴随着宏观剪切带(破裂面)的形成。根据相关试验规程和标准规定的试样形状、尺寸和试验条件,采用FLAC3D软件,对岩石试样在轴对称压缩(单轴或常规三轴)条件下局部化剪切带的形成过程进行数值模拟,取得的结果与相关试验结果基本一致。