基于非局部理论的Hoek‑Brown软化塑性模型

周鑫; 于佳佳; 吴文杰; 路德春; 杜修力

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20241104002

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基于非局部理论的Hoek‑Brown软化塑性模型

“防灾减灾工程高性能计算方法（HPC）”专题 | 更新时间：2025-03-10

- 基于非局部理论的Hoek‑Brown软化塑性模型
- Hoek‑Brown Softening Plasticity Model Based on Nonlocal Theory
- 防灾减灾工程学报 2025年45卷第1期页码：13-20
- 作者机构：
  
  1.清华大学土木系，北京 100184
  2.北京工业大学岩土与地下工程研究所，北京 100124
  3.景泰新能源（上海）有限公司，上海 200050
- 作者简介：
  
  周鑫(1994—)，男，助理研究员，博士。主要从事计算岩土力学方面的研究。E-mail:zhouxin615@126.com
  路德春(1977—)，男，教授，博士。主要从事岩土与城市地下工程方面的研究。E-mail: dechun@bjut.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金青年基金项目(52025084;52408374)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20241104002
  中图分类号： TU452
- 收稿：2024-11-04，
  
  修回：2024-12-09，
  
  纸质出版：2025-02-15
- 稿件说明：
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周鑫,于佳佳,吴文杰等.基于非局部理论的Hoek‑Brown软化塑性模型[J].防灾减灾工程学报,2025,45(01):13-20.

ZHOU Xin,YU Jiajia,WU Wenjie,et al.Hoek‑Brown Softening Plasticity Model Based on Nonlocal Theory[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(01):13-20.
周鑫,于佳佳,吴文杰等.基于非局部理论的Hoek‑Brown软化塑性模型[J].防灾减灾工程学报,2025,45(01):13-20. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20241104002.

ZHOU Xin,YU Jiajia,WU Wenjie,et al.Hoek‑Brown Softening Plasticity Model Based on Nonlocal Theory[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(01):13-20. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20241104002.

摘要

由于缺失材料特征长度，局部应变软化模型在模拟结构层面的失效破坏时，会出现网格依赖性问题，严重影响计算结果的准确性与可靠性。本研究提出了非局部的Hoek‑Brown软化塑性模型，该模型基于光滑的Hoek‑Brown强度准则构造屈服函数，并利用过非局部公式将等效塑性剪应变发展为非局部变量，有效规避了结构失效破坏模拟时的网格依赖性问题。利用隐式返回映射应力更新算法求解非局部塑性模型的微分方程组，详细介绍了该模型的有限元实现流程。最后，以经典的缺陷板受压破坏问题和条形基础承载力问题为例，对模型的有效性进行验证。结果表明，在网格细化过程中，非局部Hoek‑Brown软化塑性模型的模拟结果对网格尺寸不敏感，预测的剪切带宽度和荷载位移曲线基本不随网格尺寸变化。所提模型可为岩石工程的失效破坏分析提供具有网格客观性的计算工具。

Abstract

The absence of a material characteristic length in local strain softening models often leads to mesh dependency issues in structural failure simulations

significantly compromising the accuracy and reliability of calculation results. A nonlocal Hoek-Brown softening plasticity model was proposed in this study. This model utilized a smooth Hoek-Brown strength criterion to construct the yield function and transformed the equivalent plastic shear strain into the nonlocal variable using a nonlocal integral formulation

effectively mitigating mesh dependency issues in structural failure simulations. The implicit return mapping algorithm was adopted to solve the differential equations of the nonlocal plasticity model

and the finite element implementation process of the model was detailed. Finally

the validity of the model was verified through two classic examples: the compression failure of an imperfect plate and the bearing capacity problem of a strip foundation. The results showed that during mesh refinement

the simulation results of the nonlocal Hoek-Brown softening plasticity model were insensitive to mesh size. The predicted shear band width and load-displacement curves remained largely unaffected by changes in mesh size. The proposed model can provide a calculation tool with mesh objectivity for failure analysis in rock engineering.

关键词

Keywords

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