岩体大应变黏塑性模型及其在矿山工程中的应用

 将传统黏塑性模型扩展到能够考虑有限应变效应,并试图用该模型结合非局部化方法描述应变局部化问题。局部化等效塑性变量的非局部化通过与材料特征尺度相关的数值加权平均获得,从而将材料的微细观效应考虑在内。该模型遵循以下假设：变形梯度可用极分解表示,材料存在弹性变形域并遵循最大塑性耗散原理的黏塑性调节形式。该模型具有考虑各向同性和运动硬化、软化的功能。通过不同的精化网格,分析有限应变条件下单元尺寸对非局部的敏感性。数值实验包括模拟无围压约束的岩石压缩实验的变形局部化并与FLAC3D的模拟进行对比分析,模拟深部巷道开挖后出现的大变形流变效应,数值结果表明,该黏塑性模型基本上可以克服目前应变局部化模型中存在的一些弊端。     

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。     

基于应变梯度塑性理论的土-结构接触面本构模型

土-结构相互作用界面层内某点土颗粒的应力,不仅取决于该点的应变及变形历史,而且还取决于与该点邻近的诸多点的应力。结合早期的非局部理论,即考虑非均质材料微小结构之间的相互影响和作用,将非局部塑性剪切应变表达为其本身所对应参数的加权平均,考虑结构面粗糙度对界面层内土体力学特性的影响,建立了相对低应力条件下基于应变梯度塑性理论的土-结构接触面本构模型,模型中各参量物理意义明确。结果表明:利用该模型可以研究土与结构相互作用时接触面上的剪切应力与剪切应变间的关系,尤其是峰值剪应力后即软化阶段二者之间的相互关系。     

岩样单轴拉伸应变局部化及全程应力-应变曲线

基于梯度塑性理论，考虑了应变局部化，提出单轴拉伸条件下岩样全程应力一应变曲线解析解。沿试样长度方向的总应变的微分被认为由两部分构成：可恢复的弹性应变的微分和不可恢复的塑性应变的微分。根据虎克定律，弹性应变的微分依赖于应力的微分及弹性模量。塑性应变的微分与应力的微分、试样高度、软化模量及局部化带的厚度有关，局部化带的厚度由梯度塑性理论确定。根据总应变的微分等于弹性及塑性应变的微分之和这一假设，在峰后线性应变软化本构关系的情形下，得到全程应力一应变曲线的解析解。通过与DeBorst及Muhlhaus基于梯度塑性理论得到的数值解对比，分别验证局部化带内部塑性应变分布解析解及内部长度对全程应力-应变曲线的影响。研究有关的本构参数（弹性模量及软化模量）及试样高度对全程应力-应变曲线的影响。     

基于广义塑性本构模型的饱和多孔介质应变局部化分析

给出基于平均化原理的多孔介质动力学分析的基本理论与控制方程,采用适用于饱和砂土的广义塑性本构模型(PastorZienkiewicz模型)进行多孔介质的应变局部化数值模拟,分别对中等松散砂土与密实砂土两类介质进行了应变局部化数值模拟,并进一步对剪切带内孔隙水压力的数值结果进行了分析。可以发现,对密实砂土的模拟孔隙水将会出现负压(吸力)结果,而对中等松散砂土孔隙水则呈受压现象,这种现象出现的原因与材料的塑性膨胀现象密切相关,且计算结果与已有研究成果和试验现象完全一致     

推断岩石长期强度的黏塑性应变率法研究

 首先,研究黏塑性应变率与加载应力水平之间的线性函数关系,从理论上说明只要能获得各分级加载应力水平对应的黏塑性应变率,便可推测岩石的长期强度。然后,利用低应力水平下的蠕变试验结果,拟合出岩石的黏弹性模型,并以该黏弹性模型推算较高应力水平条件下岩石的黏弹性应变增量,从而实现从总应变增量中分离出黏塑性应变增量,进一步计算黏塑性应变率,用于推断岩石的长期强度。此外,对大理岩,利用常规分级加载蠕变试验,检验所提出的方法的正确性。在此基础上,进一步利用试验论证缩短蠕变试验时间的可行性。研究结果表明,所提方法是正确合理的;在缩短分级加载蠕变试验时间的情况下,所推测的岩石长期强度正确合理,表明可以通过缩短试验时间快速推断岩石长期强度。所提出的推断长期强度的方法,具有快速蠕变试验、计算机程序化推断及排除人为因素的特点,且对于试验过程中的测值波动具有很好的适应能力,因此具有良好的工程应用前景。     

岩石剪胀角模型与验证

Mohr-Coulomb模型和基于Mohr-Coulomb的应变软化模型均通常假设剪胀角为恒定值,然而这种假设不能正确表达岩石在破坏变形过程中的非线性体积变化行为。根据7种岩石类型在不同围压条件下的体积应变测量数据,结合塑性力学理论,采用非线性拟合方法建立能同时考虑围压和塑性剪切应变影响的剪胀角模型。分析模型的响应并结合岩石内部颗粒尺寸以及单轴抗压强度,将该模型划分为4种岩石类型:粗粒径硬岩、中粒径硬岩、中–细粒径软岩和细粒径软岩。根据FLAC应变软化模型中非关联塑性流动法则的计算原理,推导剪胀角模型中的塑性剪切应变与应变软化模型中塑性参数的关系,将剪胀角模型嵌入应变软化模型中,构建剪胀角模型模块。最后,采用建立的剪胀角模型预测Moura煤岩在三轴压缩条件下的体积应变–轴向应变关系曲线。研究结果表明,数值模拟与试验结果具有很好的一致性。     

钢纤维混凝土动态塑性模量试验研究

基于混凝土塑性理论的观点,对钢纤维含量分别为0和3%的两种混凝土进行了应变速率为10-3/s的等应变增量循环加卸载试验,研究了两种混凝土的塑性应变变化规律及应力随塑性应变的变化规律,进而研究了两种混凝土的塑性模量。通过对单循环加卸载试验的塑性应变增量试验数据分析发现：在受压混凝土内部,钢纤维具有积极的阻裂作用和消极的＂针刺效应＂,积极作用强于消极作用;钢纤维混凝土的累积塑性应变小于普通混凝土,最大相差0.3703%,得到了累积塑性应变随应变变化的关系式;研究了混凝土的塑性模量与单轴受压混凝土的塑性模量的关系,结合本文试验数据得到了两种混凝土的基本塑性模量表达式。     

岩样单轴拉伸应变局部化及全程应力–应变曲线

基于梯度塑性理论,考虑了应变局部化,提出单轴拉伸条件下岩样全程应力–应变曲线解析解。沿试样长度方向的总应变的微分被认为由两部分构成:可恢复的弹性应变的微分和不可恢复的塑性应变的微分。根据虎克定律,弹性应变的微分依赖于应力的微分及弹性模量。塑性应变的微分与应力的微分、试样高度、软化模量及局部化带的厚度有关,局部化带的厚度由梯度塑性理论确定。根据总应变的微分等于弹性及塑性应变的微分之和这一假设,在峰后线性应变软化本构关系的情形下,得到全程应力–应变曲线的解析解。通过与De Borst及Muhlhaus基于梯度塑性理论得到的数值解对比,分别验证局部化带内部塑性应变分布解析解及内部长度对全程应力–应变曲线的影响。研究有关的本构参数(弹性模量及软化模量)及试样高度对全程应力–应变曲线的影响。     

圆形巷道围岩变形压力新解法

将巷道围岩塑性区内的岩体视为塑性软化介质，以岩体的全应力─应变曲线后破坏段的应力值作为岩体的塑性软化强度，得到了关于巷道围岩塑性区半径和应力的一般解，适用于具有理想弹塑性、应变软化和应变硬化特征岩体中巷道变形压力的分析计算。由于本文力学模型中引入了岩体的全应力─应变曲线，很好地反映了岩体出现塑性变形后强度降低的特点，所以计算结果对工程实践具有指导价值。著名的Ｈ．Ｋａｓｔｎｅｒ公式可以看成是本文公式在岩体出现塑性变形后强度不变的条件下的一个特解。     

采动卸荷岩石破坏的理论模型与实验验证

基于采动卸荷岩体破坏实验,提出了采用三段模型来近似描述采动卸荷岩石应力-应变关系模型。从经典的应变梯度塑性出发,建立了弹塑性局部化应变单元模型,推导出应变局部变形带与内禀材料尺寸的关系,用简单的线性关系描述了宏观局部变形带与材料内部参数—内禀材料尺寸的关系,建立的本构关系将采动卸荷应力-应变曲线分成弹性阶段、采动卸荷弹塑性阶段和采动卸荷破坏软化阶段。讨论了孔隙度、比例系数和材料内禀尺寸对采动塑性屈服面的影响。在采动卸荷弹塑性阶段, 本文假设塑性变形主要产生在局部变形带中。岩石处于高度压密状态,此时孔隙度基本不变,亚临界微裂纹也主要产生于局部变形带中。通过选择合适的内禀尺寸和其他参数代入构建的本构模型中,证实了理论结果与实验结果较为吻合。     

土体介质强度尺度效应的理论与试验研究

为考虑土体微细观结构特征对其宏观强度特性的影响,根据土颗粒的大小及其连结性状,以一定的尺寸界限将土体分成基体和加强颗粒2种介质,基于应变梯度理论,引入适应基体与加强颗粒变形相容性要求的几何协调微裂纹概念,建立可描述土体强度尺度效应并具有多尺度理论框架的基体–加强颗粒模型。该模型揭示土体的强度与内禀尺度、应变梯度、基体性质以及加强颗粒的粒径和级配有关。设计一系列非饱和重塑土的三轴固结不排水剪切试验以研究土体的强度尺度效应并定量计算反映土体强度尺度效应的内禀尺度参量。试验结果表明：土体的屈服应力随加强颗粒粒径的减小而增加且与加强颗粒含量之间呈线性关系,与内禀尺度之间呈抛物线关系;内禀尺度随加强颗粒的粒径和含量以及基体液性指数的增加而增加且与加强颗粒含量之间呈抛物线关系;土体屈服应力的试验结果与基体–加强颗粒模型的预测结果一致。研究成果对土体的强度理论发展有一定的参考价值。     

K0固结软黏土的应变率效应研究

在已建立的K0固结软土弹黏塑性本构模型基础上,推导了一维先期固结压力和三轴不排水抗剪强度的计算式,并着重分析了应变率对两者的影响,分别用各自的应变率参数表征。强度应变率参数ρ仅取决于次固结系数与压缩指数的比值,与土体固结应力、固结历史及试验类型均无关;先期固结压力应变率参数ρn则与该比值及压缩参数Λ都有关,且一般有ρn>ρ。对于无机质软黏土,应变率增大10倍时,先期固结压力增长8%～21.2%,不排水强度增长7.2%～12.2%,与试验结果较吻合。考虑到室内试验与原位的应变率差异,建议先将试验所得先期固结压力及不排水抗剪强度按本文规律进行应变率修正,再应用于原位情况。OCR越大,不排水强度比随应变率增长越快。     

海洋平台阻尼隔振减振原理及振动控制效果分析

导管架式海洋平台是海洋钻采应用较为广泛的一种平台结构形式,笔者研究了导管架式 海洋平台结构阻尼隔振原理及振动控制效果.分析和研究了导管架式海洋平台结构采用阻尼隔振 技术的基本原理,建立了导管架式海洋平台结构阻尼隔振体系简化计算模型,推导了简化模型结 构第一振型阻尼比的计算公式.研究了隔振层参数当结构阻尼比的关系以及它们对结构整体和隔 振层层间相对位移的控制效果,进行了在波浪力工况和地震工况下的数值模拟.结果表明,阻尼隔 振方案是导管架式海洋平台的一种有意义的减振措施,当阻尼隔振层刚度较大时,可以有效控制 平台结构的振动.     

Thermal buckling analysis of rectangular microplates using higher continuity p-version finite element method

In this article, thermal buckling characteristics of rectangular flexural microplates (FMP) subjected to uniform temperature are investigated using higher continuity p-version finite element framework. Invariant form of the governing equation for a microplate with non-local effects based on “modified couple stress theory” is extended for thermal buckling analysis of FMP by considering the strain gradient effects. In this case, the constitutive equation for strain gradient model is based on one constant. Galerkin weak form of the governing equation is derived and subsequently solved for a variety of boundary conditions using higher continuity p-version finite elements to extract critical thermal buckling loads. The computational procedure is verified by comparing its predictions to those of the classical theory and analytic microplate studies that are based on the same strain gradient model. Investigations indicate that length scale parameter affects the computed flexural stiffness of a plate, and the effect is directly proportional to the value of gradient coefficient considered for that plate. Hence, there is a strong influence of length scale parameter on value of the thermal buckling load. Depending on boundary conditions and value of length scale parameter used in numerical experiments, the classical plate model severely underestimates (up to 90%) the thermal buckling load for microplates. Therefore, it is concluded and strongly suggested that the classical plate theory should not be used to predict structural response of microplates.     

Thermal buckling analysis of rectangular microplates using higher continuity p-version finite element method

In this article, thermal buckling characteristics of rectangular flexural microplates (FMP) subjected to uniform temperature are investigated using higher continuity p-version finite element framework. Invariant form of the governing equation for a microplate with non-local effects based on “modified couple stress theory” is extended for thermal buckling analysis of FMP by considering the strain gradient effects. In this case, the constitutive equation for strain gradient model is based on one constant. Galerkin weak form of the governing equation is derived and subsequently solved for a variety of boundary conditions using higher continuity p-version finite elements to extract critical thermal buckling loads. The computational procedure is verified by comparing its predictions to those of the classical theory and analytic microplate studies that are based on the same strain gradient model. Investigations indicate that length scale parameter affects the computed flexural stiffness of a plate, and the effect is directly proportional to the value of gradient coefficient considered for that plate. Hence, there is a strong influence of length scale parameter on value of the thermal buckling load. Depending on boundary conditions and value of length scale parameter used in numerical experiments, the classical plate model severely underestimates (up to 90%) the thermal buckling load for microplates. Therefore, it is concluded and strongly suggested that the classical plate theory should not be used to predict structural response of microplates.     

Numerical simulation of flow past a square cylinder using Partially-Averaged Navier-Stokes model

In this study, we carry out a two-stage partially averaged Navier-Stokes (PANS) simulation past a square cylinder to examine the effect of a grid system on the predicted results. The important focus in PANS is how the control parameter which is the ratio of unresolved-to-total turbulent kinetic energy is determined in the flow field. In this work, the parameter is evaluated by using an equation that we propose. The model equation utilizes the turbulent length scale, the Kolmogorov length scale and the cut-off grid length. We first perform RANS simulation to approximately evaluate the turbulent length scale and the Kolmogorov length scale. Then we construct five different grid systems based on these length scales and perform PANS simulation in which the length scales to determine control parameter are also updated as the simulation proceeds. Simulation results are compared with experimental data and the other LES and DES results. The comparison suggests that PANS approach is very effective in simulating separated turbulent flows in the sense that accurate predictions can be obtained by using a much coarser grid system than is required for LES. We then suggest the grid spacing requirements for a proper PANS simulation.     

围压对土动剪模量和阻尼比影响的简化计算方法

围压对土的初始动剪模量、阻尼比、动剪模量比和阻尼比随剪应变的变化关系（G/Gmax-λ 和h-λ等性质产生明显的影响.通过总结分析已有研究和经验模型,确认围压对初始动剪模量和阻尼比的影响.以M.B.Darendeli的研究为基础,得出了由常规围压状态下土动剪模量和阻尼比与剪应变的关系曲线来分析任意围压状态下其关系曲线的简化计算方法,在不考虑围压引起G/Gmax-λ 和h-λ 曲线形状变化的条件下,直接由剪应变值计算动剪模量和阻尼比.通过试验结果的统计回归分析,提出了砂土和黏性土的主要参数建议值.与已有经验模型和试验结果的分析对比表明,所获得的围压状态下的土性质曲线具有足够的工程精度.将该方法与等效线性化方法结合可方便地进行考虑围压影响的一维场地地震反应分析.上海地区典型深厚场地的地震反应分析表明,由基岩反应谱计算地表反应谱时,在大震作用下宜考虑围压对土性质的影响.     

梯度塑性理论的计算方法与应用

基于有限元自动生成系统 (FEPG) ,开发使用梯度塑性理论的有限元程序,用于解决应变软化后的网格依赖性问题。提出带阻尼因子的 算法,联立求解位移方程和屈服面方程,既可同时解得位移和塑性乘子,又避免了广泛使用的应力返回算法中的应力拉回运算。在 D-P 准则中引入软化模量和材料内部特征长度,使本构模型能够考虑软化和梯度效应。在软化问题求解上使用阻尼牛顿法,算例结果表明,带阻尼因子的算法能够计算应变软化问题,以有限元弱形式表达的梯度塑性理论,使用一阶单元就能够得到合理的结果,在一定网格范围能够得到稳定的应力应变曲线。     

Physical Phenomena and Length Scales Governing the Behaviour of Wildfires: A Case for Physical Modelling

This paper is an overview of the physical mechanisms and length scales governing the propagation of wildfires. One of the objectives is to identify the physical and mathematical constraints in the modelling of wildfires when using a ??fully?? physical approach. The literature highlights two regimes in the propagation of surface fires, i.e. wind-driven fires and plume-dominated fires, which are governed by radiation and convective heat transfer, respectively. This division leads to the identification of two governing length scales: the extinction length characterising the absorption of radiation by vegetation, and the integral turbulent length scale characterising the interaction between wind and canopy. Some numerical results published during the last decade using a fully physical approach are presented and discussed with a focus on the models FIRESTAR, FIRELES, FIRETEC and WFDS. Numerical simulations were compared with experimental data obtained at various scales, from laboratory to field fires in grassland and in Mediterranean shrubland. Some perspectives are presented concerning the potential coupling between physical fire models with mesoscale atmospheric models to study the impacts of wildfires at larger scale. Some of the topics on wildfire physical modelling that need further research are identified in the conclusions.