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基于能量机制的Drucker-Prager强度准则研究及其应用

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基于能量机制的Drucker-Prager强度准则研究及其应用

作者：伍安杰贵州大学

学位级别：硕士

隧道、岩质边坡和水利水电等大型工程中岩体通常为具有节理、裂隙及软弱结构面等缺陷的地质体,为确保岩体工程的稳定性,建立岩体的强度准则具有一定的工程意义。在常用强度准则中,D-P强度准则表达形式简单,在π平面的屈服轨迹为圆,但存... 详细信息

隧道、岩质边坡和水利水电等大型工程中岩体通常为具有节理、裂隙及软弱结构面等缺陷的地质体,为确保岩体工程的稳定性,建立岩体的强度准则具有一定的工程意义。在常用强度准则中,D-P强度准则表达形式简单,在π平面的屈服轨迹为圆,但存在计算精度和适用性不高等问题。基于能量转化是物质物理过程的本质属性,以D-P强度准则为基础,从能量的角度出发,引入岩体质量评价指标建立广义D-P岩体强度准则。主要结论如下:(1)广义D-P岩体准则的建立。为了将D-P强度准则推广到岩体,借鉴H-B准则岩体参数的取值经验,引入地质强度因子GSI、完整性系数KV、扰动系数D和层状倾角θ,建立岩体参数的取值公式,基于弹性应变能建立广义D-P岩体强度准则。(2)广义D-P岩体准则的理论分析。广义D-P岩体准则引入了岩体评价指标,在π平面的屈服面半径变小,能够有效反映岩体在低应力状态下就可能发生破坏的实质。当材料为完整岩石时,即GSI=100、KV=1、D=0,不考虑层状倾角,岩体参数等于岩石参数,广义D-P岩体准则蜕化为广义D-P准则。广义D-P岩体准则是一簇以岩体变形参数为参数的强度准则的集合,在π平面的屈服破坏轨迹为一簇同心圆,广义D-P岩体准则是广义D-P准则的继承和发展。(3)广义D-P岩体准则的数据验证。引用文献中柱状节理玄武岩、层状页岩和破碎岩体的现场三轴试验数据,分别带入到D-P准则、广义D-P岩体准则和广义三维H-B准则计算岩体的峰值强度。广义D-P岩体准则计算值与试验数据误差分别为柱状节理玄武岩(4.7%)、层状页岩(16.3%)和破碎小岩体(11.6%),而广义三维H-B准则计算误差为柱状节理玄武岩(7.6%)和层状页岩23.2%。计算结果表明,广义D-P岩体准则计算岩体的精度满足误差要求,广义D-P岩体强度准则成功推广到岩体。(4)广义D-P岩体本构模型的二次开发。基于有限元软件内置的D-P本构模型,引入岩体参数,修正并嵌入广义D-P岩体本构模型,以简单隧道开挖模型进行验证。结果表明基于广义D-P岩体准则计算隧道围岩的应力和位移较大,有两方面原因,一方面,广义D-P岩体准则引入了岩体变形参数,考虑了岩体质量评价指标(GSI和KV等),隧道围岩位移偏大;另一方面,本文拟合的岩体黏聚力较大,赋值到广义D-P岩体本构模型,导致计算的隧道围岩应力较大。(5)广义D-P岩体准则可靠度分析。基于一次二阶距法建立广义D-P岩体准则的极限状态方程,以岩体变形参数为单一变量,分析岩体变形参数均值和方差(变异系数)对广义D-P岩体准则可靠度的影响。当岩体变形参数均值变大时,岩体越破碎,广义D-P岩体准则可靠度变高,而岩体变形参数的变异系数对广义D-P岩体准则可靠概率影响较小;结果表明广义D-P岩体准则计算破碎岩体的可靠度相对较高,具有一定的工程意义。

关键词：岩体准则弹性应变能广义D-P岩体准则岩体变形参数可靠度指标

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基于弹性应变能岩石强度准则的建立及验证

岩石力学与工程学报 2021年第S02期40卷 3147-3155页

作者：郭建强卢雪峰杨前冬蒋建国陈建行蒋磊伍安杰贵州大学土木工程学院贵州贵阳550003

为提高强度准则计算精度与适用性,基于能量守恒与弹性应变能释放是岩石破坏的内在机制,采用理论研究与试验验证相结合的方法,阐明已有强度准则是能量型强度准则,并考虑变形对材料强度的影响,据此指出已有强度准则的计算精度与适用性较... 详细信息

为提高强度准则计算精度与适用性,基于能量守恒与弹性应变能释放是岩石破坏的内在机制,采用理论研究与试验验证相结合的方法,阐明已有强度准则是能量型强度准则,并考虑变形对材料强度的影响,据此指出已有强度准则的计算精度与适用性较差根本原因;以弹性应变能表示的经典强度准则为基础,借鉴经验强度准则的研究方法,建立广义强度准则。研究结果表明:广义强度准则体现了弹性应变能是岩石破坏的内在机制,且是对已有强度准则的继承和发展;是一簇以引入材料参数为基础的强度准则集合,而非单一的强度准则,且参数等于0.5时广义强度准则蜕化为已有强度准则;真三轴试验验证表明,广义强度准则计算精度更高,且符合岩石的破坏机制,但经典强度准则对相应的广义强度准则计算精度有影响;进一步分析表明,广义强度准则能够定量计算岩体弹性模量、地震释放应变能及支护体系等因素对岩体稳定性影响。

关键词：岩石力学强度准则能量守恒弹性应变能泊松比

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岩石(体)破坏广义统一强度理论

煤炭学报 2021年第12期46卷 3869-3882页

作者：郭建强杨前冬卢雪峰陈建行蒋建国蒋磊伍安杰贵州大学土木工程学院贵州贵阳550025 贵州地矿基础工程有限公司贵州贵阳550081

强度理论是深部空间利用及灾害防控的基础,鉴于深地空间的"三高"赋存环境及传统强度理论在深部岩体稳定性适用性方面存在着较大不足,迫切需要建立适应于深部岩体的强度理论。基于能量转化是物质物理过程的本质属性,从可释放应变能角度... 详细信息

强度理论是深部空间利用及灾害防控的基础,鉴于深地空间的"三高"赋存环境及传统强度理论在深部岩体稳定性适用性方面存在着较大不足,迫切需要建立适应于深部岩体的强度理论。基于能量转化是物质物理过程的本质属性,从可释放应变能角度分析了已有扩容准则、强度准则及岩爆判据的物理涵义及其不足之处,借鉴由强度数据最佳拟合得到的经验性强度准则,通过引入变形参数建立了能体现深部岩体应变能高度积聚、岩体完整性、岩体弹性模量、震源释放应变能及支护结构抵抗能的半理论半经验的广义统一强度理论,针对深部岩体中扩容、屈服或破坏、弱岩爆、中等岩爆及高岩爆活动5个级别,提出4个分级界限值(0.9,1.0,1.2和1.9)。广义统一强度理论首次实现了以下3个方面统一:广义统一强度理论所表征物理涵义与岩体扩容、屈服或破坏及岩爆发生的内在机理的统一;实现了扩容准则、强度准则与岩爆判据表达式的统一,便于深部岩体数值模拟计算;将震源释放应变能与支护结构抵抗能统一于同一个表达式,实现了地震与非地震条件下深部岩体稳定性计算公式的统一,并从理论上得出地下工程震害较小的内在原因。利用已有的岩爆经典模型与广义统一强度理论,对国内外经典扩容应力、真三轴强度及一些重大深部岩石工程岩爆情况进行了预测,结果表明广义统一强度理论与实际情况吻合得较好。

关键词：深部岩体可释放应变能抵抗能统一强度理论

基于弹性应变能三维Hoek⁃Brown准则修正

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同济大学学报（自然科学版） 2022年第2期50卷 204-211页

作者：郭建强卢雪峰陈建行蒋建国杨前冬蒋磊伍安杰贵州大学土木工程学院贵州贵阳550025

基于能量转化是物质物理过程本质属性,从能量角度对H-B准则进行了研究。首先阐明了H-B准则在判断材料破坏时的能量机制,揭示其既是经验型强度准则,更是弹性应变能表示的能量型强度准则,据此得出提高H-B强度准则计算精度的关键所在;然后... 详细信息

基于能量转化是物质物理过程本质属性,从能量角度对H-B准则进行了研究。首先阐明了H-B准则在判断材料破坏时的能量机制,揭示其既是经验型强度准则,更是弹性应变能表示的能量型强度准则,据此得出提高H-B强度准则计算精度的关键所在;然后根据三维H-B准则与弹性应变能数学表达式之间关系,引入材料变形参数,建立仅有3个参数的修正后三维H-B准则;进一步理论分析表明该准则是一族以变形参数为参数的强度准则集合,变形参数等于0.5时蜕化为三维H-B准则;最后的真三轴试验计算表明,修正后三维H-B准则可较好地描述岩石的破坏特性,计算结果较为精确。

关键词：岩石力学三维H-B强度准则弹性应变能泊松比

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多地层垂直边坡桩锚支护施工数值模拟分析

中国水运（下半月） 2022年第3期22卷 27-28,31页

作者：侯太平卢雪峰杨前冬蒋磊伍安杰黄秀银中铁城建集团第一工程有限公司山西太原030051 贵州大学贵州贵阳550025 贵州联建土木工程质量检测监控中心有限公司贵州贵阳550025

对贵阳市某多地层垂直开挖边坡施工过程进行数值模拟,分析研究边坡开挖时桩锚支护结构变形及受力情况。结果表明:抗滑桩向临空面变形,桩顶位移为最大值;边坡开挖后,桩后岩土作用力呈现先增大后逐渐减小的趋势,各工况下桩后岩土最大作用... 详细信息

对贵阳市某多地层垂直开挖边坡施工过程进行数值模拟,分析研究边坡开挖时桩锚支护结构变形及受力情况。结果表明:抗滑桩向临空面变形,桩顶位移为最大值;边坡开挖后,桩后岩土作用力呈现先增大后逐渐减小的趋势,各工况下桩后岩土最大作用力的位置基本接近,表明边坡最可能从最大作用力的位置滑动。

关键词：边坡数值分析 FLAC3D 支护结构

基于修正后M-C强度准则岩石损伤统计本构模型

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中国水运(下半月) 2021年第8期21卷 57-59+93页

作者：张建元卢雪峰蒋建国蒋磊伍安杰中铁城建集团第一工程有限公司贵州大学土木工程学院

统计损伤本构是依据岩石全过程应力-应变曲线的几何特性,从统计学角度反推出岩石本构关系数学表达式的有效手段。M-C强度准则表达式简单,广泛应用于岩土工程数值计算,本文根据Lemaitre应变假说,以修正后M-C强度准则为统计分布变量,基于W... 详细信息

统计损伤本构是依据岩石全过程应力-应变曲线的几何特性,从统计学角度反推出岩石本构关系数学表达式的有效手段。M-C强度准则表达式简单,广泛应用于岩土工程数值计算,本文根据Lemaitre应变假说,以修正后M-C强度准则为统计分布变量,基于Weibull分布经过严格数学推导,得出岩石在三维条件下的损伤统计本构模型,并利用试验资料对模型进行验证对比。结果表明本文提出的模型计算的理论曲线与试验曲线有很好的吻合度,峰值前的吻合度最佳,证明了所建立模型的可行性。

关键词：损伤 Weibull分布 M-C强度准则本构模型

微型涡喷发动机阶梯型螺旋槽动压径向气体轴承气动力学研究

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微型涡喷发动机阶梯型螺旋槽动压径向气体轴承气动力学研究

作者：安杰太原科技大学

学位级别：硕士

高速长航时的微型涡喷发动机是未来航天航空产业和未来透平技术发展的重要方向,但是机械轴承在高速运转情况下的发热问题和磨损问题,是限制高速长航时的重要因素。气体轴承相较于普通油润滑轴承具有转速高、摩擦损耗小、运动精度高、污... 详细信息

高速长航时的微型涡喷发动机是未来航天航空产业和未来透平技术发展的重要方向,但是机械轴承在高速运转情况下的发热问题和磨损问题,是限制高速长航时的重要因素。气体轴承相较于普通油润滑轴承具有转速高、摩擦损耗小、运动精度高、污染少、耐高温等优势,使其在高速旋转机械领域有着巨大发展前景,但是承载力低、稳定性差的问题局限了气体轴承广泛应用。改良气体轴承参数从而提高气体动压轴承承载力和稳定性是轴承设计的主流思路,考虑气动力学影响来改进轴承几何构型也是动压气体轴承有积极意义的研发思路。将前台阶流的激波效应合理引入动压轴承的构型设计,本文提出一种阶梯型螺旋槽动压径向气体轴承,通过气动力学来分析普通型螺旋槽和阶梯型螺旋槽的对承载力影响。本文基于气体润滑理论,对Reynolds方程进行求解,确定了承载力表达式和气体轴承参数,通过建立普通型螺旋槽和阶梯型螺旋槽动压气体轴承的三维模型,运用CFD技术对Navier-Stokes方程进行求解,得到不同条件不同参数下的压力云图,详细分析了槽长、槽宽、槽数、螺旋角变化对承载特性的影响,还研究了阶梯型螺旋槽的一阶二阶槽长占比以及内凹和外凸的槽端台阶迎风角对承载力的影响,结果表明新的阶梯槽结构更有利于提高螺旋槽轴承的承载性能。针对气体轴承运行过程中,气体燃烧产生的烟气和启停阶段的磨损微粒以及气体介质中的固体细微颗粒会在螺旋槽中的沉积现象,进行气固两相流分析。使用Fluent中的DPM模型研究固体微粒在阶梯型螺旋槽中的运动轨迹,然后改进槽端的台阶迎风角,通过研究三个角度槽端台阶迎风角的固体微粒沉积规律,以及阶梯型螺旋槽槽型参数对沉积率的影响,此外还对固体微粒参数对沉积率的影响进行研究,结果表面内凹型的台阶迎风角在不同参数下的综合沉积率比其他两种台阶迎风角要低。本次研究引入阶梯型螺旋槽可有效改善气体轴承承载力低的问题,同时研究一阶和二阶槽端台阶迎风角变化的沉积规律,提高气体轴承的承载力和稳定性,对气体轴承的设计提供了一定的参考。

关键词：阶梯型螺旋槽动压气体轴承构型改进承载特性固体微粒沉积

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基于广义M-C强度准则的修正

水利规划与设计 2022年第10期 117-119页

作者：蒋磊冉启来杨前冬卢雪峰伍安杰贵州大学土木工程学院贵州贵阳550025 中天环宇建筑设计有限公司遵义分公司贵州遵义563000

随着信息工程和岩土工程的发展,诸多准则的弊端逐渐显露,如理论计算偏安全或危险、π平面屈服轨迹不能保持非凸性、均存在奇异点,导致屈服轨迹函数在奇异点处的导数无连续性,使得准则无法直接嵌入数值软件。基于此,文章将对广义M-C强度... 详细信息

随着信息工程和岩土工程的发展,诸多准则的弊端逐渐显露,如理论计算偏安全或危险、π平面屈服轨迹不能保持非凸性、均存在奇异点,导致屈服轨迹函数在奇异点处的导数无连续性,使得准则无法直接嵌入数值软件。基于此,文章将对广义M-C强度准则的π平面屈服函数进行修正,利用Willian-Warnke椭圆角隅模型消除M-C强度准则平面上屈服轨迹的奇异点。修正后的广义M-C强度准则的π平面屈服轨迹明显光滑且无尖点,能够直接嵌入数值软件,并且提高了其计算精度。

关键词： M-C强度准则屈服轨迹形状函数数值软件

基于弹性应变能的Drucker-Prager强度准则可靠度分析

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水利技术监督 2023年第3期 241-244,252页

作者：伍安杰蒋磊张钦榕刘继王姣姣黄秀银贵州大学土木工程学院贵州贵阳550003 贵州联建土木工程质量监控中心有限公司贵州贵阳550003

目前岩土材料的强度理论或是屈服判据所得的结论为安全或失稳两种结果,由于岩土材料与金属材料并不同,具有各向异性、不均匀性等性质,因此考虑将强度准则概率化。Drucker-Prager强度准则不仅表达形式简单,同时考虑了岩石静水压力和中间... 详细信息

目前岩土材料的强度理论或是屈服判据所得的结论为安全或失稳两种结果,由于岩土材料与金属材料并不同,具有各向异性、不均匀性等性质,因此考虑将强度准则概率化。Drucker-Prager强度准则不仅表达形式简单,同时考虑了岩石静水压力和中间主应力的影响而广泛应用,关于该准则的可靠度研究前人已经积累了一定的基础,文章采用一次二阶距法从弹性应变能的角度求解广义D-P强度准则的可靠度指标,并对岩石参数的均值、变形系数对可靠度的影响进行了研究,结果表明通过可靠度判据对岩体的稳定性判断一定程度上消除了岩石力学参数的随机性,具有一定的工程意义。

关键词： D-P强度准则可靠度弹性应变能变异系数