基于临界状态动态移动的材料破坏预测预报法

摘要

本发明提供一种基于临界状态动态移动的材料破坏预测预报法，包括以下步骤：步骤1.以理论研究、数值分析和现场判定为基础，决定现状材料破坏的临界状态点或线，并确定破坏区和非破坏区，通过测量研究，建立几何描述方程；步骤2.分析研究对象的比重分布特征，建立比重方程；步骤3.分析破坏区和非破坏区的边界条件应力特征，建立边界条件应力方程；步骤4.将研究对象划分成规则的不同区域加以研究，并分析连续和不连续物理力学量，建立相应的物理力学量求解方法；步骤5.选取应力表示方程，并计算出各常系数；步骤6.结合材料峰值强度准则、本构方程、和现场监测情况，根据临界状态动态移动规律，实施材料破坏的预测预报。

说明书

技术领域

本发明属于力学、土木工程和地质工程等与力和变形相关计算方法的技术领域，具体涉及一种基于临界状态动态移动的材料破坏预测预报法。

技术背景

自然灾害、人类营建构筑物破坏等均不同程度造成财产和生命损失，因而对自然灾害等破坏的发生，从力和变形的基础上实施预测预报是非常必要的。现行应力和变形求解往往建立在有限单元等数值计算方法上，有限单元法对于二维结构采用以点带面的计算方式，对三维结构采用以点代体的计算方式，因此对于不同大小的单元，计算结果往往是不相同的；在进行数值计算时，通常采用线性方法求解非线性问题，即初应力法，由于采用不同的收敛标准，导致计算的结果也会不一样。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于临界状态动态移动的材料破坏预测预报法，能够基于力边界条件、力平衡条件和临界状态破坏点应力条件等，实施材料破坏的预测预报。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种基于临界状态动态移动的材料破坏预测预报法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.以理论研究、数值分析和现场判定为基础，决定现状材料破坏的临界状态点或线(分别针对二维或三维)，并确定破坏区和非破坏区，同时测量研究对象(含破坏区和非破坏区)的宏观几何特征，建立与宏观几何特征相对应的几何描述方程；步骤2.分析研究对象的比重分布特征，建立研究对象在研究区域的比重方程；步骤3.分析研究对象破坏区和非破坏区的边界条件应力特征，建立与边界条件应力特征相对应的边界条件应力方程；步骤4.根据研究对象的特征，将研究对象划分成规则的不同区域加以研究(如：针对二维：三角形、四边形等，针对三维：四面体、六面体等)，特别是将破坏区和非破坏区加以分开，并分析连续和不连续物理力学量(如：针对以压剪破坏为主的推移式滑坡破坏后区，其抗剪应力与驱动下滑应力两者不连续等，但垂直滑面的压应力和反压应力是连续的)，建立不连续物理力学量求解方法(如：针对滑坡，由于抗剪应力与驱动下滑应力两者不连续，则抗剪应力可以按照专利：一种边坡渐进破坏潜在滑动面的计算方法，专利号：201510658880.6求解)；在物理力学量连续区域，相对应的应力等必须连续；步骤5.选取应力表示方程，应力表示方程满足研究对象破坏区和非破坏区相对应的力、应力和(或)弯矩平衡方程(见：一种基于力边界和平衡条件的应力求解法，专利号：201611034900.3)；在临界状态点或线(分别针对二维或三维)，满足材料相应的峰值强度准则，并计算出各常系数；步骤6.结合材料峰值强度准则(如：摩尔库伦准则、Griffth准则等)，可以决定研究对象后续的破坏路径，亦即决定潜在破坏面；在对受力特性详细分析的基础上，结合本构方程，对研究对象的变形特征进行研究，结合现场监测，计算变形与现场监测进行对比分析，确定研究对象的行为特征，根据临界状态动态移动规律，实施材料破坏的预测预报。本发明是在假设研究对象应力满足边界和平衡条件，破坏点满足强度准则，从而针对研究对象的破坏过程实施预测预报，可以预报研究对象在任意几何形状中的应力、变形和破坏分布特征。该方法的提出将对大坝、桥梁、边坡、路基、房屋、隧道、夹杂、巷道、涵洞等各种营建构筑物的动静态加卸载破坏过程实施预测预报。

本发明提供的基于临界状态动态移动的材料破坏预测预报法，还可以具有这样的特征：在步骤1中，在研究对象为二维几何构型的情况下，以二维理论研究、数值分析和现场判定为基础，决定现状材料破坏的临界状态点，并确定破坏区和非破坏区，同时测量研究对象的宏观几何特征，建立与宏观几何特征相对应的几何描述方程。

本发明提供的基于临界状态动态移动的材料破坏预测预报法，还可以具有这样的特征：在步骤2中，在研究对象为二维几何构型的情况下，研究区域的比重包括X轴方向的比重γ_w,x和Y轴方向的比重γ_w,y；在研究对象为三维几何构型的情况下，研究区域的比重包括X轴方向的比重γ_w,x、Y轴方向的比重γ_w,y和Z轴方向的比重γ_w,z。

本发明提供的基于临界状态动态移动的材料破坏预测预报法，还可以具有这样的特征：在步骤3中，如果破坏区破碎，则按照破碎的边界条件；否则破坏区和非破坏区全部遵照边界条件特征。

本发明提供的基于临界状态动态移动的材料破坏预测预报法，还可以具有这样的特征：在步骤4中，针对以压剪破坏为主的推移式滑坡破坏后区，其抗剪应力与驱动下滑应力两者不连续，但垂直滑面的压应力和反压应力是连续的。

发明的作用与效果

1、本发明的动态移动预测预报方法，其应力表示方程满足研究对象破坏区和非破坏区相对应的力、应力和(或)弯矩平衡方程；在临界状态点或线，满足材料相应的峰值强度准则；

2、本发明的预测预报方法：主要解决了破坏区应力等不连续问题的应力、应变理论解，并根据临界状态动态移动实施材料破坏的预测预报；

3、本发明的预测预报法对大坝、桥梁、边坡、路基、房屋、隧道、夹杂、巷道、涵洞等各种营建构筑物的动静态破坏过程实施预测预报，对相关研究和应用具有推动作用。

附图说明

图1为本发明实施例所涉及的材料破坏的临界状态移动动态预测预报示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的基于临界状态动态移动的材料破坏预测预报法的具体实施方案进行详细地说明。

本实施例以二维滑坡为例，公开了一种基于临界状态动态移动的材料破坏预测预报法，具体包括如下步骤：

步骤1.以二维理论研究(见中国发明专利：一种基于力边界和平衡条件的应力求解法，专利号：201611034900.3)、数值分析(如：现行有限单元法、离散单元法等)和现场判定为基础，决定现状材料破坏的临界状态点(如图1中D点)，并确定破坏区(如图1中ABDE区)和非破坏区(如图1中BCD区)，同时测量研究对象(含破坏区和非破坏区)的宏观几何特征，建立与宏观几何特征相对应的几何描述方程(如：图1中：AB、BC、EA为直线方程(如：针对直线BC：y＝K_BCx+b_BC，K_BC,b_BC分别为斜率和截距)，DE为曲线方程)；

步骤2.研究对象为二维几何构型，则研究区域的比重包括X轴方向的比重γ_w,x和Y轴方向的比重γ_w,y的方程如下(注：也可以取其它表示形式)为：

γ_w,x＝γ_0,x+a_4,1x+a_4,2y+a_4,3x²+a_4,4xy+a_4,5y²+a_4,6x³+a_4,7x²y+a_4,8xy²+…(1)

γ_w,y＝γ_0,y+a_5,1x+a_5,2y+a_5,3x²+a_5,4xy+a_5,5y²+a_5,6x³+a_5,7x²y+a_5,8xy²+…(2)

步骤3.根据权利要求3，分析研究对象破坏区和非破坏区的特征，如果破坏区破碎，则按照破碎的边界条件；否则破坏区和非破坏区全部遵照边界条件特征，如：满足圣文南原理，并建立与边界条件应力特征相对应的边界条件应力方程。

如果破坏区(如图1中的ABDE)破碎，则：AB边界条件应力可以表示为：

σ_xx|^AB＝0,σ_yy|^AB＝0,τ_xy|^AB＝0(3)

如果破坏区(如图1中的ABDE)完整，则：

AB边界条件应力可能为：

σ_xx|^AB＝0,σ_yy|^AB＝0,τ_xy|^AB＝0(4)

或

或

AE边界条件应力可能为：

σ_xx|^AE＝0,σ_yy|^AE＝0,τ_xy|^AE＝0(7)

或

或

而非破坏区(如图1中BCD)，则：

BC边界条件应力可能为：

其中：

σ_N^BC＝l²σ_xx^BC+m²σ_yy^BC+2lmτ_xy^BC(11)

式中：l,m为BC面外法向方向余弦，σ_xx^BC,σ_yy^BC,τ_xy^BC为BC边的边界应力，

σ_xx,σ_yy,τ_xy：分别为X、Y方向的正应力和剪应力；η：沿直线BC的单位长度，即

步骤4.探讨ABCDE的特征，将ABCDE划分为ABDE和BCD两个研究对象，其中ABDE为沿滑面破坏区，BCD为非破坏区，在破坏区，沿DE滑面的剪应力和抗滑摩阻应力两者不连续，当然位移也不连续，其它物理力学量是连续的。

在分析连续和不连续物理力学量(如：针对以压剪破坏为主的推移式滑坡破坏后区，其抗剪应力与驱动下滑应力两者不连续等，但垂直滑面的压应力和反压应力是连续的)的基础上，不连续的摩阻剪应力按照中国发明专利----((专利申请号：201610860012.0，发明专利申请名称：一种边坡渐进破坏全过程计算新方法或专利申请号：2014100250810，发明专利申请名称：一种边坡稳定性计算的滑面边界法)加以计算。

步骤5.选取应力表示方程，该应力表示方程满足研究对象破坏区和非破坏区相对应的力、应力和(或)弯矩平衡方程(见：一种基于力边界和平衡条件的应力求解法，专利号：201611034900.3)；在临界状态点或线(分别针对二维或三维)，满足材料相应的峰值强度准则，并计算出各常系数；其步骤如下：

针对ABDE研究对象，按图1中坐标XOY，选取应力3次方表达式：

σ_xx＝a_1,0+a_1,1x+a_1,2y+a_1,3x²+a_1,4xy+a_1,5y²+a_1,6x³+a_1,7x²y+a_1,8xy²+a_1,9y³(13)

σ_yy＝a_2,0+a_2,1x+a_2,2y+a_2,3x²+a_2,4xy+a_2,5y²+a_2,6x³+a_2,7x²y+a_2,8xy²+a_2,9y³(14)

τ_xy＝a_3,0+a_3,1x+a_3,2y+a_3,3x²+a_3,4xy+a_3,5y²+a_3,6x³+a_3,7x²y+a_3,8xy²+a_3,9y³(15)

上述应力必须满足平衡方程，在比重为常数的情况(即：γ_w,x＝0，γ_w,y＝γ)下，从而消除了15个常系数。剩余15个常数未决定。

利用方程(3)，可以消除9个常系数，剩余6个常系数。

利用和研究对象ABDE在X和Y轴方向力平衡，以及在D点的应力满足现行的峰值应力准则(如：摩尔库伦准则，Griffth准则)，则可以获得研究对象ABDE的应力和应变解，当然，针对研究对象ABDE，其力矩也应该平衡。

针对研究对象BCD，按图1中X'O'Y'坐标，选取应力3次方表达式：

σ_xx'＝b_1,0+b_1,1x'+b_1,2y'+b_1,3x'²+b_1,4x'y'+b_1,5y'²+b_1,6x'³+b_1,7x'²y'+b_1,8x'y'²+b_1,9y'³>

σ_yy'＝b_2,0+b_2,1x'+b_2,2y'+b_2,3x'²+b_2,4x'y'+b_2,5y'²+b_2,6x'³+b_2,7x'²y'+b_2,8x'y'²+b_2,9y'³>

τ_xy'＝b_3,0+b_3,1x'+b_3,2y'+b_3,3x'²+b_3,4x'y'+b_3,5y'²+b_3,6x'³+b_3,7x'²y'+b_3,8x'y'²+b_3,9y'³>

利用在BD边上研究对象ABDE和BCD的应力相等，可以决定12个常系数，剩余6个未知常系数。利用y'＝0,σ'_y＝0或y'＝0,σ'_x＝0可以决定3个常系数，利用D点满足现行的峰值应力准则(如：摩尔库伦准则，Griffth准则)，同时利用公式(10)中：

中的两个，可以获得研究对象BCD应力解。

从上述求解过程可知，其解具有多解特征。

步骤6.结合材料峰值强度准则(如：摩尔库伦准则、Griffth准则等)，可以决定研究对象后续的破坏角度，结合位移监测，可以决定后续破坏路径，亦即决定潜在破坏面；在对受力特性详细分析的基础上，结合本构方程，能够对研究对象的变形特征进行研究，结合现场监测，计算变形与现场监测进行对比分析，确定研究对象的行为特征，根据临界状态动态移动规律，实施材料破坏的预测预报。

以上实施例仅为举证，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。