土体材料屈服准则及试验和数值分析应力路径探讨

对强度理论进行了深入的论述,剖析了莫尔–库仑剪切屈服准则,依据此准则,在主应力空间(三轴仪平面)、偏平面和大小主应力子午面上直观地描绘了在普通三轴仪上进行各种三轴压缩、三轴伸长试验的应力路径和平面应力条件下的应力路径,考虑土体为不抗拉或弱抗拉材料,建议采用张拉–莫尔–库仑剪切复合屈服准则和张拉-剪切–体积复合屈服准则来分析土体的屈服和破坏行为,并结合张拉–莫尔–库仑剪切复合屈服准则对现行有限元数值计算方法中按载荷步进行加、卸载分析时的应力路径进行了探讨。     

考虑张拉与剪切破坏的土坡稳定数值分析

论述边坡失稳是滑动土体受张拉和剪切的复合破坏行为,而不是单一剪切破坏的结果,并探讨适用于岩土材料的张拉Mohr-Coulomb剪切复合破坏准则.在采用现行只含单一剪切破坏材料模型的大型有限元程序进行土坡稳定分析时,可通过二次程序开发加入此张拉-剪切复合破坏材料模型,或在数值计算中以剪切破坏区与张拉破坏区刚好连通作为边坡失稳破坏判据2种方法来考虑土体的张拉破坏.采用有限元法和快速拉格朗日有限差分法对7种形式的土坡进行了数值模拟分析与比较.计算结果表明,在考虑土体张拉-剪切复合破坏条件下,2种数值计算方法的分析结果相当.由于土体的抗拉强度小于抗剪强度,因而在不考虑土体的张拉破坏条件下,计算所得边坡稳定安全系数均可能较理论结果偏高1%～10%,故在边坡稳定分析中考虑土体的张拉破坏是必要的.同时,获得了这7种形式的土坡失稳时,对应张拉-剪切复合滑动面形状的规律性认识,可用来检验其他边坡稳定分析法所搜索到的最危险滑动面的合理性.     

基于有限元强度折减法的边坡稳定性分析

采用强度折减法,根据基于摩尔-库仑屈服准则的广义米塞斯屈服准则（D—P准则）,通过前后处理软件,对边坡稳定性进行非线性有限元分析。综合考虑土体参数的变化和边坡边界条件的特点,从计算结果中分析边坡的位移,变形及其塑性发展趋势,从而可以得出安全系数。结果表明：强度折减法分析边坡稳定性时,不但能够得到边坡的安全系数,而且能够确定最危险滑移面。     

同时考虑张拉及剪切破坏的边坡上限原理有限元法

上限有限元法是一种常用的边坡稳定性分析方法,目前被广泛采用的仅考虑剪切破坏的Mohr-Coulomb屈服准则过高地估计了边坡的抗拉强度,因此在用其进行边坡稳定性分析时,无法得到实际工程中常遇到的位于坡体后缘的拉裂缝。针对这一问题,从空间方位离散的角度出发,对上限法中的Mohr-Coulomb屈服面逼近方式进行改造,建立基于方位离散的线性化剪切屈服准则;同时引入张拉破坏准则,保证在每一个离散方位平面上不违背张拉破坏准则,从而形成既考虑张拉破坏,又考虑剪切破坏的线性化上限原理有限元法。该方法可以准确地求出边坡的安全系数和带有拉裂缝的临界失稳速度场。算例证明方法的有效性,同时还表明不考虑拉伸破坏会过高地估计边坡的安全性。     

考虑张拉–剪切渐进破坏的边坡强度折减法研究

针对边坡渐进破坏过程中局部岩土体强度参数不断劣化现象,采用应变软化模型代替传统的理想弹塑性模型,提出一种考虑张拉–剪切渐进破坏的强度折减法。从劣化函数、破坏判据、折减系数、滑动面显示和折减范围等方面对该方法进行研究;以极限塑性应变作为边坡点破坏准则,将破坏点从坡脚到坡顶贯通作为边坡整体破坏判据;基于弹塑性计算的初应力法,提出一种边坡张拉–剪切全滑动面定量显示指标I_(cs)。结果表明,应变软化模型所得塑性区明显小于理想弹塑性模型,考虑张拉破坏的边坡安全系数偏于危险;I_(cs)指标能同时显示并区分边坡潜在滑动面的张拉与剪切部分。该基于应变软化模型的计算方法进一步完善了边坡稳定性分析的强度折减法理论。     

有限元强度折减法在三维边坡中的应用研究

边坡稳定性评价,特别是对具有复杂几何特征的边坡,应作为三维问题来处理。作者将强度折减法应用于三维边坡稳定性分析中,通过三个典型的工程算例对几种常用的屈服准则进行比较,证明了在三维情况下采用莫尔-库仑等面积圆屈服准则代替莫尔-库仑准则是可行的。     

有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用

通过有限元强度折减，使边坡达到破坏状态时，滑动面上的位移将产生突变，产生很大的且无限制的塑性流动，有限元程序无法从有限元方程组中找到一个既能满足静力平衡又能满足应力．应变关系和强度准则的解，此时不管是从力的收敛标准，还是从位移的收敛标准来判断有限元计算都不收敛，因此采用力和位移的收敛标准作为边坡破坏的判据是合理的。对有限元强度折减法的计算精度和影响因素进行了详细分析，包括屈服准则、流动法则、有限元模型本身以及计算参数对安全系数计算精度的影响，并给出了提高计算精度的具体措施。研究表明：采用徐干成、郑颖人(1990年)提出的摩尔一库仑等面积圆屈服准则求得的稳定安全系数与传统Spencer法的误差在5％左右，证实了其实用于工程的可行性。在平面应变条件下则可采用摩尔匹配DP准则。该文还将此法应用于岩质边坡的稳定分析，得到了岩质边坡的滑动面和安全系数，开创了求节理岩质边坡滑动面与稳定安全系数的先例。     

基于FLAC3D的空间滑动面准则计算格式与实现

 通过求解一元三次方程得出塑性因子 ,推导空间滑动面(SMP)准则在FLAC3D中的计算格式。基于FALC3D提供的二次开发平台,通过编制C++代码形成dll文件,将SMP准则导入FLAC3D中,实现在FALC3D软件中SMP准则的二次开发,并给出编程基本过程。通过进行真三轴数值试验、厚壁圆筒受内压的解析解与数值解的对比、边坡稳定性的计算验证模型开发的可行性。分别采用莫尔–库仑准则和SMP准则分析一边坡稳定性,得出SMP准则与莫尔–库仑准则计算边坡稳定有相似的破坏过程,由于SMP准则考虑了中间主应力对材料屈服面的影响,前者的安全系数高于后者;在相同折减系数下,边坡的塑性区和位移量均小于莫尔–库仑准则计算的结果。     

平面应变条件下土坡稳定有限元分析

描述岩土材料常采用摩尔 -库仑准则和德鲁克 -普拉格准则 ,前者的计算结果较为可靠 ,后者则更便于数值计算。本文基于非关联流动法则 ,推导出平面应变条件下两种准则相互转化的关系式 ,建立了与摩尔 -库仑准则精确匹配的D -P准则。边坡稳定有限元分析结果表明 :与以往各D -P准则及摩尔 -库仑等效面积圆准则相比 ,本文建议的匹配D -P准则能更好地反映摩尔 -库仑准则的实际特性 ,同时 ,因采用D -P准则的表达形式 ,也方便了编程计算。     

基于ANSYS的边坡稳定性分析

本文基于ANSYS有限元强度折减法,进行边坡的稳定性分析,并求得边坡的滑动面和安全系数。介绍了该方法的基本原理、屈服准则的选取以及边坡破坏的判断依据,然后通过具体的实例详细介绍了该方法求解边坡安全系数和滑动面的过程,并对结果进行了分析,结果表明使用强度折减法分析边坡的稳定具有很强的适用性和优越性。     

三峡工程岩石拉剪断裂特性的试验研究

本文根据三峡工程永久船闸区地质勘探中的花岗岩岩芯 ,通过非对称切口试件来模拟岩体的拉剪作用的实际情况 ,对岩石拉剪力学特性进行了试验研究 ,探讨了岩石的单轴受拉强度、拉剪联合强度、应力应变关系、破坏形式及破坏准则等 ,为三峡工程建设提供了有价值的数据和资料。     

基于广义Hoek-Brown非线性破坏准则的节理岩体地基承载力研究

 针对节理岩体非线性破坏特征,发展基于Hoek-Brown破坏准则的临界滑动场理论进行节理岩体地基承载力的计算。首先将Hoek-Brown准则的剪切强度逐点等效到Mohr-Coulomb强度线上,求得每点的瞬时内摩擦角和瞬时黏聚力;在此基础上,改进基于Mohr-Coulomb准则的临界滑动场理论,建立新的迭代算法,将Hoek-Brown强度准则与临界滑动场理论结合起来,求解被动土压力和地基承载力。同时,综合分析GSI和mi值对地基承载力的影响。算例对比分析结果表明,该方法能迅速准确地确定节理岩体地基最危险破坏滑面并得到相应的地基极限承载力值。     

雨水软化下路基土质边坡失稳模式及判别阈值

 为了提高雨水软化条件下路基土质边坡稳定性分析的准确性,开展路基土质边坡失稳模式及其判别准则分析,提出边坡失稳随软化深度 增加依次呈现单位土条式、组合式及整体式3种模式;采用滑体长度L与软化深度 的比值 作为表征参数,确立界定3种失稳模式的2个阈值 和 ;基于刚体极限平衡条件,构建以组合式失稳模式为基础且涵盖3种失稳模式的边坡稳定安全系数统一表达式。研究表明：单位土条式与组合式失稳模式转化阈值 和组合式与整体式失稳模式转化阈值 受坡体强度参数及几何参数影响并不显著,范围分别为15.2～20.0和3.0～6.3; ＜ 时采用单位土条式顺坡平面失稳模式忽略滑体上下缘滑体力学作用会得到偏于保守的结果, ＞ 时采用以圆弧滑面为代表的整体式曲面失稳模式则偏于危险,而 ≤ 时采用对数螺旋形和圆弧形的整体式曲面滑动模式差异不大。     

砂岩拉剪强度和破裂特征试验研究及数值模拟

岩石高边坡和地下工程开挖等易诱发岩体拉剪破坏灾害。设计一种可在伺服控制压剪试验机上使用的岩石拉剪装置,该装置可保证荷载和位移控制精度,利用其开展砂岩单轴拉伸、拉剪和压剪试验。砂岩拉剪强度包络呈非线性,在全法向应力区的强度包络可用Hoek-Brown准则描述。针对常规PFC平行黏结Mohr-Coulomb强度准则无法有效模拟岩石非线性强度包络,基于砂岩试验结果建立平行黏结Hoek-Brown强度准则并通过简单转换方法编入PFC程序,方便有效地模拟砂岩拉剪强度和破裂特征及细观力学机制。拉剪情况下破裂面裂纹相对较细,更具张性,而压剪情况下微裂纹数量相对较多,损伤更强烈。随着法向应力sn增加,破裂面张性减弱而剪性增强,但因剪切膨胀原因,较小法向应力的压剪情况下破裂面仍以拉剪裂纹为主。根据数值模拟结果,可将拉剪和压剪应力状态下岩石的损伤演化过程大致分为弹性变形、稳定破裂发展、不稳定破裂发展和整体破裂4个阶段。sn较大时弹性变形阶段和不稳定破裂发展阶段相对较长,峰前塑性变形较多,拉剪情况下更具弹脆性。     

边坡稳定性的解析计算

对于边坡的平面和圆弧形滑裂面，采用解析方法建立了边坡安全系数的正确的解析表达式。对于平面滑动，给出了边坡的临界滑裂面和最小安全系数的解析算式：对于圆弧滑动，利用函数取极值的条件，提出了通过求解一个二元代数方程组来获得边坡的临界滑裂面和屉小安全系数。作为算例，对于纯粘性土边坡(φ=0)，建立了确定边坡临界滑裂面的迭代算式，并计算了某些边坡的临界滑裂面和最小安全系数。     

边坡动力破坏机理的振动台试验研究

将数字图像位移测量技术和有限元数据平滑方法应用到边坡模型的振动台试验中,得到了整个振动过程的位移场和应变场,探讨了土质边坡的动力破坏模式和破坏机理。结果表明土质边坡的变形是渐进式的,坡体中部到坡脚是剪切破坏,坡顶一定深度是拉剪破坏,破坏时有深层的圆弧状滑动面,用位移时程曲线的广义曲率做为判断边坡动力破坏的物理量是可行的。     

岩石和混凝土类脆性材料强度理论探讨

本文从材料构成的基本物理概念出发,简要说明了材料的屈服是受三向应力、荷载历史、外界环境等的作用,材料内部紧密相连的质点间的距离增大到某临界值K₀所致。由此提出了最大分离位移（MAXSD）屈服准则。并与岩石真三轴压缩试验和混凝土双轴试验结果,以及莫尔-库仑等屈服准则进行了比较,证实了其合理性和适用性。     

微型桩破坏机理的数值模拟

强度折减法与具有拉和剪破坏分析功能的有限差分程序FLAC^3D相结合,对同一排内均匀布置的桩心配筋微型桩进行数值分析。岩土体、桩体均采用实体单元,模型采用摩尔-库仑理想弹塑性本构模型,依据微型桩的受力特点考虑了桩体进入塑性状态,得到了单排微型桩和具有纵向连系梁的三排微型桩的应力、应变分布规律和破坏机理。计算表明,单排桩的破坏主要为滑带处的剪切破坏,三排桩为滑带处的拉剪破坏,桩体所承受的最大弯矩和剪力均位于滑带处,混凝土主要起抗剪作用,钢筋提供抗拉和抗剪能力。     

地震峰值加速度作用下含水边坡稳定性分析

根据Darcy定律和二次抛物线降深曲线确定了边坡含水情况下7种浸润面位置,选取浸润面位于边坡表面时的位置作为对比。选取地震波峰值加速度由0到0.2g共6个数据,组合得48组模型计算参数。采用拟静力法,结合FLAC^3D程序的强度折减法对边坡进行稳定性分析。结果表明:(1)边坡涉水后,滑动面由近坡面往坡内移动到浸润面附近。随着浸润面的上升,滑动面靠近坡面且保持在浸润面附近。(2)在单一地震因素作用时,边坡滑动面随峰值加速度变化不大,但在含水的情况下,滑动面随峰值加速度变大而往坡内大幅移动,边坡破坏模式由浅层破坏转变为深层破坏。(3)浸润面位置对边坡稳定性的影响较大,因此,合理的确定浸润面的位置具有重要意义。