关于岩土材料屈服破坏准则的若干问题研究

岩土材料的屈服破坏准则问题是岩士工程中最基础也是最为重要的问题，前人对此已开展了大量的研究工作并取得了丰富的研究成果，但由于岩土材料力学性质的复杂性，目前仍存在一些问题尚存在诸多争议，例如如何反映岩土材料不同于金属的特殊力学性质，如何建立岩土材料的能量屈服准则，如何描述破坏，仍有待进一步研究。本文首先论述了这一问题的提出，明确相关概念，之后分析了屈服破坏准则的概念和条件，进而论述了岩土破坏准则的几个基本问题，以期能够引起更多的人对该问题的关注。     

A study of the energy yield criterion of geomaterials

讨论了岩土材料的内摩擦性质,认为其单元体内始终都存在内摩擦力,且摩擦力的方向与剪应力方向相反,是阻止变形产生的。比较了金属材料和岩土材料的变形破坏机制,认为两者存在较大差异,金属材料是由于剪应力的作用使结晶构造产生了滑移破坏,所以应着眼于最大剪应力;而岩土材料属于粒状体材料,其变形和破坏受摩擦法则的支配,由剪应力与垂直应力的共同作用使粒子间克服摩擦产生相对滑移破坏,所以应着眼于最大剪切角。基于此建立了岩土类材料的三剪能量屈服准则及其相应的Drucker－Prager准则,三剪能量准则当不考虑中主应力影响时简化为Mohr-Coulomb准则,当不考虑内摩擦角时简化为Mises准则。从应力、应变、能量角度对材料屈服准则进行了系统的研究,表明无论采用应力、应变或能量表述,只是其形式不同,而其实质是一致的,三剪能量准则是材料的统一屈服准则。结合岩石真三轴试验结果,分别采用Mohr-Coulomb准则及三剪能量准则进行了验证,结果表明大多数情况下三剪能量准则比Mohr-Coulomb准则误差小,更接近试验结果,证明能量准则是可行的。针对一个简单的边坡算例进行了三剪能量屈服准则的工程应用,计算结果表明只考虑单剪切面的Mohr-Coulomb准则比考虑三剪切面的能量准则偏于保守。     

岩土动力极限应变判据在边坡稳定分析中的应用

岩土材料受力从弹性进入塑性,最终发展到破坏,材料的屈服与破坏不同,屈服表示材料从弹性进入塑性状态,破坏表示从塑性发展到工程失稳。对于理想弹塑性材料,应力表述的判据难以区分屈服与破坏,为此提出采用极限应变作为岩土材料的破坏判据。给出了岩土材料动力极限应变的求解模型与方法,并以动力极限应变作为破坏准则,它既可以表述动力作用下材料的点破坏或开裂破坏,当点破坏贯通形成破坏面时,还可以表述材料整体破坏。通过地震作用下动力边坡工程算例,得到边坡滑体起裂的位置、演化过程和起裂极限荷载;当边坡中极限应变区贯通时得到边坡整体破坏极限荷载,并与数值极限分析中(超载法、强度折减法)采用位移不收敛破坏准则的计算结果比较,基本一致,验证了极限应变法在动力分析中的可行性。     

基于弹头型屈服的轻骨料混凝土强度准则

试验表明轻骨料混凝土和普通混凝土在多轴应力下具有不同的力学特性和破坏规律,因此那些针对普通混凝土建立的强度准则将不能完全适用于轻骨料混凝土。考虑到轻骨料混凝土和岩土材料具有相似的破坏特征,该文适当的调整了岩土材料的弹头型屈服函数作为子午线方程,并选取了William-Warnke模型的椭圆曲线作为π平面形状函数,建立了一个连续、光滑、封闭的弹头型轻骨料混凝土强度准则。该准则克服了二次抛物线型强度准则不光滑和椭圆型强度准则在高静水压力下过于保守的缺陷,能够较好的描述轻骨料混凝土破坏曲面的几何特征。利用最小二乘法量化了强度准则,通过与试验数据对比,验证了所建议的弹头型强度准则的合理性。     

金属玻璃切削加载的形变屈服准则与实验验证

以金属玻璃切削过程中的屈服形变为研究对象,引入源于岩土领域的M-C屈服准则来解决传统Treaca准则及Mises准则不能反映金属玻璃的应力敏感性问题。另外鉴于金属玻璃的温度敏感特性以及切削加工时较高的切削温升,将经过温度修正的改进型M-C屈服准则应用于金属玻璃的切削模型之中。切削力实验表明,基于传统屈服准则、不含温度项的M-C屈服准则以及经过温度修正的M-C屈服准则所建立的切削力模型中,后者的解析解与切削力实测值相比误差最小(平均误差8.92%),说明经过温度修正的M-C屈服准则可以较好地反映金属玻璃切削加载的切削力及材料形变过程,为后续金属玻璃切削机理的深入研究奠定了理论基础。     

岩土类材料软化与结构的承载分析

采用较符合岩土类材料的摩尔－库仑准则与三参数旋转抛物准则作为材料的塑性条件，脆塑性模型与线性软化模型作为考虑材料应软化特性的弹塑性本关系的简化形式，分析了受内压及外压作用的厚壁圆筒的承载能力，很好地揭示了岩土类结构的渐进破坏特性。     

横观各向同性岩石类材料的破坏准则

对岩石类材料,各向异性状态参数定义为材料微观结构偏张量与标准化的偏应力张量之间的联合不变量。通过在扩展的Lade-Duncan破坏准则内耦合各向异性状态参数,建立起了横观各向同性岩土类材料的破坏准则,并结合Tournemire页岩的三轴试验资料进行了验证工作。当加荷方向与材料沉积方向的夹角 在30°~60°范围时,预测出的岩石强度处于最小区域,从而达到了较好地对横观各向同性岩石的破坏强度进行合理预测的目的。     

材料三剪屈服准则研究

在分析Tresca屈服准则和双剪屈服准则的基础上,通过考虑十二面体单元主剪面上所有三个主剪应力的共同作用,提出了材料的三剪屈服准则,并对该准则作了极限线分析、应力莫尔圆分析、中间主应力效应曲线分析和滑移面方向分析。结果表明,新准则与统一屈服准则一样表示的是一个屈服准则系列,其中Tresca屈服准则和vonMise屈服准则是该屈服准则的特例。但与双剪统一屈服准则不同,新屈服准则的极限线和中间主应力效应曲线是非线性的,能够描述材料的非线性屈服特性。另外,也克服了双剪统一屈服准则中存在的在某些特定应力状态下会得出双重滑移面并且滑移面方向会发生变化的问题。     

广义塑性力学及其运用

分析了经典塑性力学用于岩土类材料的问题，它采用了3个不符合岩土材料变形机制的假设。从固体力学原理直接导出广义塑性位势理论，将经典塑性力学改造为更一般的塑性力学——广义塑性力学。广义塑性力学采用了塑性力学中的分量理论，能反映应力路径转折的影响，并避免了采用正交流动法则所引起的过大剪胀等不合理现象，也不会产生当前非关联流动法则中任意假定塑性势面引起的误差。给出了广义塑性力学的屈服面理论、硬化定律和应力-应变关系，并建立了考虑应力主轴旋转的广义塑性位势理论。屈服条件是状态参数，也是试验参数，只能由试验给出。应用     

基于二阶组构张量的各向异性屈服准则

将四个屈服准则:Tresca准则、Mises准则、Mohr-Coulomb准则以及Drucker-Prager准则归类为剪切屈服准则。Tresca准则和Mohr-Coulomb准则是关于最不利截面的剪切屈服准则,而Mises准则和Drucker-Prager准则是关于各方向截面的剪应力和正应力的某种综合度量的八面体剪应力和八面体正应力的剪切屈服准则。从方向函数(ODF)的概念入手,将各方向截面的剪应力和正应力综合度量直接取为所有方向截面上的剪应力和正应力的平均。对各向同性材料,提出了平均剪切屈服度准则:当平均剪应力和平均正应力的组合达到某一极限值时,材料开始屈服。研究表明,平均剪切屈服准则与Drucker-Prager准则具有相同的形式,当不考虑平均正应力对屈服的影响时,它与Mises准则具有相同的形式。针对由各向异性损伤导致的材料各向异性强度问题,定义截面上的有效正应力和有效剪应力则分别为截面上的法向力和切向力与有效承载面积之比,基于截面上的有效应力提出了各向异性材料的平均剪切屈服准则。各向异性损伤引起的截面上有效应力放大系数为方向函数,可以采用二阶组构张量来近似表示,在任意坐标系中,各向异性屈服准则为应力分量的二次齐次式,导出了其中的系数与二阶组构张量之间的显式关系式。在二阶组构张量的主轴坐标系内,各向异性屈服准则与殷有泉的拓展Hill准则形式完全相同,当不考虑正应力对屈服的影响时,它与Hill准则具有相同的形式。     

水力压裂的支撑剂输送分析

为了研究水力压裂中支撑剂输送过程,本文建立了支撑剂二维输送方程,以及含砂液的二维运动方程。这两个方程考虑了支撑剂沉降,并且采用了含砂液的流态指数和稠度系数与支撑剂体积浓度的函数关系。这两个方程与水力压裂三维裂缝模型中描述裂缝宽度与裂缝面上压力关系的积分方程是耦合的。裂缝延伸判据采用应力强度因子法则。应用有限元方法,模拟了水力压裂中的支撑剂输送过程。计算结果反映了支撑剂输送过程中的输送和沉降。     

层理面对水压爆破应力波传播规律的影响

水压爆破应力波的传播过程决定了爆破的作用效果及影响范围,层状岩体中的层理面特征对水压爆破应力波的传播路径及衰减具有直接影响.为明确水压爆破应力波在层状岩体内的传播规律及影响因素,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了层理面位置及其介质属性对水压爆破应力波传播的影响规律.结果表明:水压爆破相对于常规爆破产生的初始应力...     

广义主偏应力强度理论

本文以主偏应力状态为依据，考虑静水应力对材料强度的影响，推导出了一个广义主偏应力强度准则，并与常用的强度理论进行了比较，得到了较为满意的结果。     

广义双剪应力屈服准则的取值分析

本文在文［１］的基础上，通过对广义双剪应力屈服准则的取值分析，导出根据τｓ／σｓ比值，选择加权系数ｂ和取值公式，以及能够作为Ｍｉｓｅｓ屈服准则线性代替的加权系数ｂ的取值范围。     

Untersuchung der Rißbildung in Salzgestein mit Hilfe der Schallemissionsanalyse

Acoustic Emission Measurements During Hydraulic Fracturing Tests in Rock salt To investigate the state of stress in the rock, during a hydraulic fracturing experiment the hydraulic pressure in a sealed volume of a borehole is increased up to the initiation of a fracture. In this paper hydraulic fracturing experiments are described which were performed in the salt rock of the former Asse salt mine and in a laboratory specimen of 200mm diameter. Acoustic Emission measurements were applied to evaluate the three-dimensional orientation and the extension of the fracture area. A multi-channel signal analysis system was used. The results correlate fairly well with the fracture locations which were surveyed after the experiments.     

Numeric modeling of the strength and longevity of structures with allowance for scale effect. Report 1. Substantiation of strength and longevity criteria

The nonlocal criterion of the static strength of structurally inhomogeneous construction materials, whose basic mechanical properties depend heavily on the loaded volume in a complex stress-strain state, is developed. A statistical interpretation of the proposed criterion is given. The case where the criterion is used for an isotropic material with volume-dependent ultimate tensile, compressive, and torsional strengths is analyzed as an example. A longevity criterion, which makes it possible to account for the different character of the material's rupture strength as the form of the stress state changes, in addition to the scale effect, is proposed for structural components that operate under asymmetric low-cycle loading. This criterion is in accord with the static criterion and is obtained on the assumption of the invariance of the limiting-stress diagrams, which apply to the ultimate strength relative to the form of stress state.Translated from Problemy Prochnosti, No. 5, pp. 37–43, May, 1991.     

现用海底管线抗震设计方法存在的问题及解决办法

给出了地震条件下管土之间约束状态的判断准则，并以此准则对工程实例进行了计算和分析，进一步证实在海底埋设环境下，管土之间的约束进入了塑性状态，超出了现用规范将管土之间假设为弹性约束状态的使用范围。因此，进行海底管线的抗震设计时，必须依据本文提出的准则首先判断土壤和管线之间的约束地震时是否在弹性范围内，超出弹性范围就必须按土壤进入塑性滑移理论进行极限地震应力分析。     

水平井水压致裂裂缝非平面扩展模型研究

水平井筒附近应力场分布复杂,往往造成水力裂缝转向,但目前对于水平井筒附近水力裂缝空间转向规律的认识还不够深入。为了研究水平井筒附近水力裂缝的三维延伸规律,基于最大拉伸应力准则和拉格朗日极值法建立了水平井筒附近水力裂缝空间转向模型,用于分析三向地应力和井筒内压作用下水平井筒水力裂缝的起裂位置和扩展形状。根据此模型,编制了数值计算程序。针对所建立的理论模型,在真三轴水力压裂模拟装置上采用岩石试样进行了物理模拟,模型计算结果与物理模拟结果基本一致。通过模拟计算和物理试验,得到了井筒附近水力压裂裂缝空间转向的基本规律。研究结果表明,水平井井筒附近水力裂缝的空间转向确实存在,裂缝转向前的距离随井筒方位角增加而增加,但增加幅度大致在3倍井筒直径的范围内。     

The Effective Fracture Toughness in Hydraulic Fracturing

This paper examines the effective fracture toughness approach which is used in hydraulic fracturing in order to explain the high net-pressures that are often observed in field operations. The effective fracture toughness is calculated using a fully deterministic elasto-plastic hydraulic fracturing model. Rock is modelled by Mohr–Coulomb flow theory of plasticity for cohesive-frictional dilatant material. Fluid flow is modelled by lubrication theory. A cohesive crack model which takes into account the softening behaviour of rocks is employed as the propagation criterion. The fully coupled model is solved numerically by the finite element method and the effective fracture toughness is calculated using the path independent J-integral. The results show that plastic yielding near the tip of a propagating fracture provides an effective shielding, resulting in an increase in the rock effective fracture toughness by more than an order of magnitude. It is demonstrated that an elastic model based on the concept of effective fracture toughness matches the results of plasticity quite well. The effective fracture toughness increases with formation yielding, which is influenced by the deviator of the in-situ stresses, the rock strength, the elastic modulus and the pumping parameters. Tables of effective fracture toughness for a representative set of physical parameters are presented. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

爆破载荷下隧道围岩破坏裂隙范围研究

为确定爆破载荷作用下岩体的裂隙范围，应用摩尔-库伦强度准则确定岩石在冲击波作用下的粉碎区；在考虑粉碎区范围、应力波衰减指数改变和岩石三向受力状态的情况下,用Mises强度准则计算裂隙区范围；在不考虑爆生气体在应力波形成的裂隙区损失的前提下，用岩石的断裂韧性来计算爆生气体充满粉碎区后岩石裂隙的二次扩展范围。通过理论计算与现场声波实测值对比，理论计算值比实测值小8.45%。分析表明，该裂隙范围计算方法合理，并可以对类似工况的裂隙范围进行估算。