岩土结构的承载分析.ppt

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第十二章 岩土结构的承载分析 §1 概述和力学模型 §2 强度准则 §3 梁的弯曲 §4 轴对称圆板的弯曲 §5 厚壁圆筒分析 §1 概述和力学模型 岩土材料:结构工程中的混凝土、地质和采掘中的岩石、土壤、煤炭、工业陶瓷。 特征: 组织不均,存在固有裂隙——强度和刚度降低。(塑性变形是由微裂隙和缺陷的产生和扩展引起的。) 压硬性:抗剪强度随压应力的增加而提高。 剪胀性:在剪应力作用下产生塑性体积应变。 等压屈服:在各向相等压力下产生塑性屈服。 岩土塑性力学与金属塑性力学的区别: 屈服条件与应力球张量有关:随静水压力的增加,材料的屈服应力和破坏应力有很大的增长,且拉伸和压缩时的强度差异很大。 岩土材料具有应变软化性质:不能采用强化模型。 压硬性确定了岩土塑性屈服与破坏需考虑平均应力与材料的内摩擦性能。 材料的弹性常数与塑性变形有关:弹塑性耦合。 连续性假设:在更大范围内描述各种力学量,取统计平均值。 不计时间与温度的影响,忽略蠕变效应和松驰效应。 力学模型: §2 强度准则 强度准则:在复杂应力状态下,岩土材料出现宏观裂纹时应力之间满足的条件。 强度准则是表征材料进入临界状态(由弹性状态到非弹性状态)时所采用的力学性能参数。 1. 屈服曲线是一条封闭曲线,或成为L线上一点。 §3 梁的弯曲 1. 应力跌落模型 2. 理想弹塑性模型 §4 轴对称圆板的弯曲 §5 厚壁圆筒分析 一、内压作用 小结: 采用线性软化模型对岩土材料进行分析,所得结果能反映出结构的承载特性(渐近破坏)。 不同强度准则,对结构的最大承载能力影响较大。 同一强度准则下,内外径相同的厚壁筒,承受外压时承载能力为承受内压时的4~10倍。 材料的损伤参数和剩余强度对结构的最大承载能力 影响很大。 b =1(k=0)时:最大承载能力为弹性极限载荷。 b <1(k>0)时:最大承载能力大于弹性极限载荷小于塑性极限载荷。 边界条件: 塑性极限载荷: 2. 线性软化模型: c0、j0: 初始损伤时的性能参数。 损伤前: b: 损伤参数。 p> re 时:出现损伤域D2 。 设:st=asc (0a1) 弹性极限载荷: 损伤后: c、j: 损伤后的性能参数。 a b p D2 D1 (0b1) j=j0 r c0 c r a b r=a r=b 损伤区: 平衡方程: j=j0 弹性区: 边界条件: 3. 应力跌落模型: c0、j0: 初始损伤时的性能参数。 初始强度准则: p> re 时:出现损伤域D2 。 弹性极限载荷: 损伤(跌落)后: c、j: 跌落后的性能参数(常数)。 弹性区: 二、外压作用 (线性软化模型) * 主要假设: 岩土材料的压缩曲线: O A I II III B C D ? ? 试验机:刚性试验机,可控制加载速度。(三轴压缩) 试验曲线: I:非线性上升阶段: OA:内部裂隙压实,应力增加不大、压缩应变较大。 AB:应力应变近似线性增长,伴随有体积变化。 BC:应力应变非线性增长,微裂隙产生、发展。 C: 体积变形从收缩转为扩张,出现宏观裂纹。 II:应变软化阶段: CD:裂纹的扩展使变形不断增加而应力不断下降。 III:剩余强度阶段: DE:当达到强度极限时积累于材料内的应变能大于从裂缝到破坏过程中所消耗的能量时,材料破坏后仍剩余一部分能量,当突然释放时会伴有岩爆。 O A I II III B C D ? ? C O ? ? ?t ? t O ? ? C ?t ? t K? t 理想弹塑性模型: (应变软化不明显的材料) 2. 脆塑性模型:(应变软化剧烈的材料) K剩余强度系数:0K1 3. 线性软化模型:(可适用各种软化特性的材料) 4.组合模型:根据材料特性在不同阶段采用不同模型。 ?t O ? ? C ? t Et 初始曲服函数: 材料各向同性: 曲服面是锥面。 s1 s2 s3 L 屈服曲线的性质: s1 s2 s3 L o 1 2 3 2. 由原点O向外作的射线与屈服曲线只相交一次。 3. 屈服曲线关于1、2、3轴对称。但正负方向不对称。 屈服面随载荷的增加和塑性变形的增加变化,极限状态的屈服面为破坏面。 一、单参数准则 1. Mises : 2. Tresca : 缺点:没有反映出截面上的正应力对塑性变形的影响。 适用:静水压力不大的情况。 常用的强度准则:单参数准则、双参数准则、三参数准则 二、双参数准则 1. Mohr-Coulomb剪切破坏准则 : 优点:考虑了静水压力的影响及包辛格效应。 c :岩土材料的粘聚力(截面上的正应力为零时

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