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岩土应变局部化的有限单元理论与应用

刘金龙  
【摘要】:局部化变形分岔现象,系指存在于非均质材料在变形过程中,所产生的局部区域非连续变形而导致材料内形成与带外相比剧烈变形的一条带状区域的现象。这条带状区域则被称为局部化剪切带。局部化变形分岔现象广泛存在于自然界中的各类固体非均质材料中,如金属材料、复合材料和地质材料等。 当前国内外一般采用有限变形理论、非关联流动理论、超弹性理论及梯度理论分析岩土结构的局部化变形分岔现象。本文从数学、固体力学以及岩土类介质材料力学各方面简要阐释了前述理论,并通过分析岩土工程中的以滑动面和剪切带形式存在的局部化变形分岔现象,探讨分岔行为产生的机理,从而指出前述理论对于分析岩土失稳过程中剪切带由韧性逐渐转化为脆性直至最后发生破坏的全过程的局限性。 水利水电工程中的坝体、堤防、基础开挖以及边坡处理等岩土力学相关的问题,都需要建立数值模型以便较准确地模拟它们的破坏以及破坏后的情况。由于相关结构的破坏通常伴随着局部剧烈变形区的形成,我们知道,局部化变形是材料和结构失稳与破坏的先兆,因此对局部化带的形成过程进行数值模拟,可以了解结构中局部化的形成原因、结构的破坏过程、破坏形态和安全储备等,从而为工程师采取相应的工程设计措施提供充分的信息。 目前,对于水利水电工程中的岩土结构,常用的破坏机理与安全度评估的方法主要分为两大类: (1) 极限平衡法 该方法基于局部化思想,通过预先给定可能滑动面来检验结构的破坏机理。其优势在于使用简单,有着明确的力学假定,在几何结构和加载条件不复杂的情况下能得到合理的结果。但在应用中,必须事先定义不连续面,而且方法本身不能连续地描述结构变形过程,特别是不连续面的软化效应,同时其很难处理几何形状复杂的结构。因此,极限平衡法仅局限于简单结构的稳定分析中。 (2) 有限单元法


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