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郑颖人 院士 演讲PPT茅以升与国际会议 有限元极限分析法在隧道稳定分析中的应用

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青树---郑颖人院士

青树---郑颖人院士

岩土领域的常青树---郑颖人院士（全文转载）记著名岩土工程专家、中国工程院院士、解放军后勤工程学院郑颖人教授内容摘要: 郑颖人，我国著名岩土工程专家、中国工程院院士、解放军后勤工程学院教授。

2004年，郑颖人和他的学生首创性地应用有限元强度折减法革新了隧洞设计计算方法，有力地推动隧洞设计水平再上新台阶。

以郑颖人为带头人的“岩土本构关系和军事地下工程稳定性”学术团队郑颖人院士在兰成渝输油管道重庆末站现场指导地基处理（左三为郑颖人）指导学生做实验人物小传郑颖人，浙江镇海人，1933年1月出生，1951年入伍，岩土工程与地下工程专家，现为解放军后勤工程学院专业技术1级教授、博士生导师，中国工程院院士，重庆市地质灾害防治工程技术研究中心主任，兼任空军工程技术顾问，中国岩石力学与工程学会、中国土木工程学会隧道与地下工程分会及防护工程分会、中国力学学会岩土力学专业委员会等顾问，重庆市科协副主席、重庆市土木工程学会名誉理事长等多种学术职务。

主编与参编国标、军标与地方标准10部，发表论文400余篇，出版专著10部。

先后获国家科技进步二、三等奖各1项，国家科技大会奖1项，军队和部委级科技进步一、二等奖9项。

培养博士、硕士研究生近百名。

3次被评为全军优秀教师，获总后勤部“一代名师”“重庆直辖十年建设功臣”“新中国成立60周年重庆杰出贡献英模”等荣誉称号，并获国土资源部全国地质灾害防治科技进步特别贡献奖。

郑颖人，我国著名岩土工程专家、中国工程院院士、解放军后勤工程学院教授。

曾经一度有些专家断言：“岩土是门经验科学，没有多少理论。

”但郑颖人不信邪。

他一生孜孜不倦、执着追求、大胆探索、严谨治学，为发展和完善岩土力学理论，辛勤耕耘半个多世纪，在岩土塑性力学基础理论、岩土数值极限分析方法与地下工程弹塑性与粘弹塑性理论方面硕果累累，为军内外解决了军事与城市地下工程、地质灾害防治工程、特殊土及其地基处理等军民两用工程一些重大技术难题！如今，年近八旬的郑老依然在岩土工程领域奋斗不息，他对记者说：“兴趣支撑着我走过这么多年，人老了，志趣不减，很多年轻人还叫我…长青树‟。

有限元重度增加法与刚体极限平衡法在边坡稳定分析中的对比研究_王静

有限元重度增加法与刚体极限平衡法在边坡稳定分析中的对比研究_王静

Comparison and Study on Finite Element Gravity Increase Method and Ｒigid Limit Equilibrium Method in Slope Stability Analysis
WANG Jing1 ，YAO Feng1 ，LIU Peng1，2 ，LYU Qi1 （ 1． POWEＲCHINA Xibei Engineering Corporation Ltd． ，Xi＇an 710065 ， China； 2． High Slope and Geological Hazard Ｒesearch Treatment Division of China Hydropower Technology Ｒesearch and Development Center，Xi＇an 710065 ， China） Abstract： Based on the introduction of the basic principle and the comparison of their advantages / disadvantages of finite element gravity increase method and rigid limit equilibrium method in slope stability analysis， the stability of the overburden slope in one dam abutment is analyzed by finite element gravity increase method and rigid limit equilibrium method respectively． The safety factor of stability and the possible location of the most dangerous sliding plane are compared． The calculation results show that the shape and the safety factor of stability of the possibly most dangerous sliding plane by two methods are basically the same． Simultaneously，it demonstrates that it is suitable to utilize the non － convergence calculated by application of finite element static balance as the failure criteria for the integrated instability of the slope． It primarily verifies that it is feasible to analyze the slope stability by finite element gravity increase method． Key words： slope stability； gravity increase method； limit equilibrium method； safety factor

郑颖人院士讲座学习体会--岩土类材料的空间莫尔圆理论及其屈服准则

郑颖人院士讲座学习体会--岩土类材料的空间莫尔圆理论及其屈服准则
仿效岩土直剪试验，混凝土强度极限曲
线不是条直线，求无围压时的c、φ 值，
试验方法：做无法向力的直剪试验，得 到c值，按单轴抗压强度做莫尔圆，
从c点出发做莫尔圆
切线得到φ 角，
以C25砼为例得 c=3.2MPa, φ=61.3°
用数值极限分析法，验证抗剪强度的准确性。
混凝土物理力学参数
围岩类别
C25 C30 C35 C40
国内主要有姚仰平提出的基于 SMP准则的统一强度准则，俞茂宏[56]提出的基于双剪应力的统一强度准 则，以及高红-郑颖人提出的，基于传 统空间Mohr应力圆三剪能量强度准则。
σc =σcc 时，公式（5）、（6）、（7）给出了 以拉为正的等强度三剪能量屈服准则：
psinq(
3
3cosσ sinσsin)
3.89
C40 41.68 40.00
4.20
表明围压为零时c、φ值准确
三、传统的空间莫尔应力圆理论
软钢
σc= σcc
单向受拉(压)与双向受拉(压)强度相等 Tresca不考虑中主应力,Mises考虑中主应力
τ
σ 2
M ises
σ 3 O
σ 2
σ 1 σ
internal Tresca
σ 3
σ 1
空间Mohr应力圆 内接Tresca六边形
大(/)max的作用面（＝45+/2）
岩土材料破坏面 子午面上 能量屈服曲线
偏平面上 能量屈服曲线
岩土类材料一般以压为正
psinq(
3
3cosσ sinσsin)
2ccos 12 1 3
1 3tanσsin 33tan2σ 4 3tanσsin
，
c 256

隧道稳定性分析与设计方法讲座之三_隧道设计理念与方法_郑颖人

隧道稳定性分析与设计方法讲座之三_隧道设计理念与方法_郑颖人
2）荷载 － 结构法。隧道围岩稳定分析方法经历 了“经验判断—散体理论分析—弹塑性数值分析—数 值极限分析”的发展过程，基于散体力学理论，将围岩 视为外荷载，采用荷载 － 结构分析模式进行设计计算。
对深埋隧道，按照散体力学压力拱理论，给出隧道 围岩的松散压力，并以结构力学计算方法计算衬砌的 安全系数，作为设计依据。但这种算法与深埋隧道实 际受力情况相差较远，也与当前隧道及时支护的施工 方法不相适应。拱形深埋隧道并不存在压力拱，其破 坏主要来 自 隧 道 两 侧，围 岩 主 要 承 受 形 变 压 力。对 于 施 工 中 ，隧 道 围 岩 块 体 脱 落 和 局 部 失 稳 ，也 应 按 块 体理论计算松散压力。浅埋隧道一般按松散压力计 算 ，采 用 浅 埋 隧 道 相 应 的 计 算 公 式 ，通 常 实 测 压 力 会 远小于计 算 压 力，计 算 偏 于 保 守。但 浅 埋 隧 道 还 应 考 虑 雨 水 、环 境 等 对 围 岩 强 度 降 低 的 影 响 ，尤 其 是 土 体隧道和具 有 不 良 裂 隙 的 岩 体 隧 道，浅 埋 隧 道 计 算 公式还有待改进。
现行的隧道深、浅埋分界是基于散体理论，以隧道 顶部上方能否形成压力拱为原则，按压力拱原理，深埋 隧道能形成压力拱可以自稳，因而深埋隧道一定是稳 定的；浅埋隧道按理是不稳定的，但按浅埋围岩压力公 式计算，围岩可能稳定，也可能不稳定。至于隧道深、 浅埋分界线的确定原则上是基于压力拱高度，而目前 并没有从理论上导出压力拱高度，因而一般采用经验 值。如普氏压力拱拱高按岩石坚硬系数确定，而国内 规范采用经验统计值，所以至今仍是人为经验值。按 这种分法深、浅埋分界高度不仅与洞形、洞跨有关，还 与围岩的强度有关。
Tunnel Design Idea and Tunnel Design Method

路堑边坡稳定分析(郑颖人)

路堑边坡稳定分析(郑颖人)

条分法分类： 条分法分类： 严格条分法—力全部平衡（4个未知数 （ β , h , F ,N ）和三个方程， 假设 β 或 h 非严格条分法—力部分平衡 （3个未 知数（ β , F,N ）和二个方程）, 假设 β
整体力及力矩平衡方程 (包含各种方法的假设条件 包含各种方法的假设条件) 包含各种方法的假设条件 条底法向力方程 条间力及条间力矩逆推方程 安全系数统一求解格式
路堑边坡稳定分析
郑颖人
院 士 博士生导师
中国人民解放军后勤工程学院
1、前言 2、用极限平衡法求边坡稳定安全系数的 统一求解格式 3、边(滑)坡稳定安全系数的分析 4、不平衡推力法的稳定安全系数分析 、 5、不平衡推力法中的推力分析 、
1、前言
• 边坡危害： 边坡危害： 2002年 月武隆，边坡坍塌死79人 2002年5月武隆，边坡坍塌死79人 79 1972年 月香港，边坡坍塌死138人 1972年6月香港，边坡坍塌死138人 138 • 滑坡危害： 滑坡危害： 1963年意大利，瓦依昂水库死2600人 1963年意大利，瓦依昂水库死2600人 年意大利 2600 1983年中国，东乡县洒勒黄土滑坡死227人 1983年中国，东乡县洒勒黄土滑坡死227人 年中国 227
算例边坡2 图2.3 算例边坡
算例边坡2 表2.6 算例边坡2中土的材料参数
土层 上土层 软弱夹层 下土层
rd容重 rd容重g (kN/m3) 18.84 18.84 18.84
粘结力c (kPa) 28.45 0.0 28.45
内摩擦角j ( °) 20.0 10.0 20.0
表2.7 安全系数迭代计算过程
8
Spencer 法
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

岩土材料基本力学特性与屈服准则体系

岩土材料基本力学特性与屈服准则体系
Abstract : After co mparing t he difference of material p roperties and t he induced difference of mechanics characteristics bet ween metal s and geo materials , it was co ncluded t hat geo material s were f rictio nal material s wit h multip hase and had f rictio nal p roperties. The f rictio nal characteristics of geo material s in elastic state and limit state were analyzed respectively. The t riple shear energy yield criterio ns of geo material s of Gao Ho ng and Zheng Ying2ren were int roduced in detail , and t he formulatio ns in so me special co nditio ns were p resented and co mpared wit h t he Mo hr2Co ulo mb criterio n , t hen t he t riple shear energy and t he t riple shear Drucker2 Prager criterio n were p ut forward. At last , t he co mmo nly used st ress and st rain yield criterio ns as well as energy yield criterio n were summarized and co mpared in every co unt ry. Key words : f rictio nal characteristic ; t riple shear ; energy ; yield criterio n ; geo material

重庆主城排水工程 过江隧道弹塑性有限元数值分析报告

1/6 0.5 1/3 1.0
、
1/2 1.5
折减
c
FLAC 1.71 1.67 1.64
折减 两种软件的
c 差值（%）
ANSYS
1.69
1.18
1.65
1.21
1.62
1.23
开挖后的塑性区
破坏时的塑性区
拱高0.5米
等效塑性应变和潜在破裂面
五、隧洞设计新理念
１、按照隧洞实际受力状况确定设计计算 模型
深埋隧洞不存在普氏压力拱， 承受围岩形变压力， 应当采用基于弹塑性理论的岩土与结构
共同作用计算模型
２、按新奥法观点，围岩也是承载 体，应充分发挥围深15cm
隧洞模型
试验方案
方案 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五
隧洞跨度/cm
8 8 8 8 8
侧墙高/cm 拱高/cm
8
2
8
3
8
4
6
4
4
4
模型试验与数值模拟结果对比分析
(a)方案一
(b)方案二
模型试验与数值模拟结果
方 案
侧拱 墙高
模型 试验 极限
数值 模型试验 数值模拟 模拟
（2）拱形洞室 埋深０~9m, 浅埋阶段 浅埋压力拱形成
埋深9米，安全系数0.82 拱顶破坏
埋深9m后,侧向破坏 不存在普氏拱，安全 埋深30米，安全系数0.77 系数随深度而降低
侧向破坏后 形成塌落平衡拱
三、隧洞设计存在问题与稳定分析
1、设计方法不符合实际，采用松散压 力，荷载-结构法。
2、采用形变压力,但没有客观破坏标准
均质隧洞破坏状态
土质深埋隧洞侧向破坏的工程监测
（1）隧洞拱顶锚杆受力小，两侧受力大。

初二上册语文第三单元中国石拱桥PPT课件


1、桥洞不是普通半圆形，而是像一张弓。（打比方）
2、桥长265米，由11个半圆形的石拱组成，
每个石拱长度不一，自16米到21.6米。（列数字）
3、永定河发水时，来势很猛，以前两岸河堤
常被冲毁，但是这座桥从未出过事。（作比）较
4、这些石刻狮子，有的母子相抱，有的交头 接耳，有的像倾听水声，千态万状，惟妙惟肖。
（摹状貌） 5、唐朝的张鷟说，远望这座桥就像“初月出 云，长虹饮涧”。（引用、打）比方
为了准确说明事物，说明文用语很讲究分 寸。如果把括号中的词语去掉，表达的意思 有什么变化？ 1、石拱桥在世界桥梁史上出现得（比较）早。
2、《水经注》里提到的“旅人桥”，（大约） 建成于公元282年，（可能是有记载的）最 早的石拱桥了。
指出下列各句的说明方法：
1、桥洞不是普通半圆形，而是像一张弓。（打比方）
2、桥长265米，由11个半圆形的石拱组成，
每个石拱长度不一，自16米到21.6米。（列数字）
3、永定河发水时，来势很猛，以前两岸河堤
常被冲毁，但是这座桥从未出过事。（ 作比）较
4、这些石刻狮子，有的母子相抱，有的交头
接耳，有的像倾听水声，千态万状，惟（妙摹惟状肖貌）。
3、我国的石拱桥（几乎）到处都有。
4、全桥只有一个大拱，长达37.4米，在 （当时可算是）世界上最长的石拱桥。
仿照下列句式的特点进行仿句练习。
1、这些石刻狮子，有的母子相抱，有的交头 接耳，有的像倾听水声，有的像注视行人， 千态万状，惟妙惟肖。（说明+描写）
2、全桥只有一个大拱，长达37.4米，在当时 可算是世界上最大的石拱。（说明+评价）
给黄字注音：
匀称 chèn 推崇 chóng 巧妙绝伦 lún

郑教授北京演讲稿


插图4：等高齿与收缩齿的产形面
两轴不平行不相交的齿轮副（插图5）要 实现理论上的线接触传动，其一对齿面之 间的相对运动必须是螺旋运动。因此，这 种传动副的节曲面应该是双曲面（插图 6）。 一对传动副中必须有一个齿轮的齿面是螺 旋面。如蜗轮蜗杆传动（插图７），锥蜗杆 传（插图 ８）。

插图5：两轴线不平行不相交的旋转体之间的相对 运动合成

d) 考虑磨齿的未来远景
考虑到磨齿的未来远景,Gleason公 司的前研究主任威尔德哈伯先生，放弃过 延伸摆线锥齿轮而专注于发展弧齿锥齿轮， 原苏联和中国也都接受了Gleason公司的 威尔德哈伯先生的观点.
另一方面，Gleason公司出产的机床的 精度和质量水平明显比当时的Oerlikon公 司的产品高。Gleason公司创造研发新技 术新加方法的速度更远比Oerlikon公司的 速度高而完善。所有这些，都促成中国主 管这门技术的机械工业部，曾经确定只发 展弧齿锥齿轮加工装备技术。

e) 齿轮传动的优势
低能耗低成本，构结简单，高 可靠性的瞬时同步响应，和大范 围的等功率传动效果，是齿轮传 动相对于其它任何机械，电器， 液压和气动传动所不能取代的优 势；

f) 螺旋锥齿轮和准双曲面齿 轮技术发展目标：
高精度，高使用寿命，低噪音， 高效率的加工生产；

g) 齿轮技术产业的组织发展特点：
此外，当时任中国四大齿轮厂之列的 南昌齿轮厂总工程师曹存昌和北京齿轮厂 的张学孟，石凤山等老螺旋锥齿轮专家们 对中国螺旋锥齿轮技术的进步也有很好的 贡献。哈工大的袁哲俊老教授和西安交大 的乐兑谦老教授都在他们编写的“齿轮刀 具设计”一书中详尽地 讲解了弧齿锥齿 轮刀盘的设计制造原理。

c) 美国的禁运

岩土塑性力学原理—广义塑性力学(郑颖人)




2 zx

I
3


x
y
z

2
xy
yz zx

x
2 yz

2
y zx

2
z xy
II121(12
3 2
2
3

3
1
)
I31 2 3
应力张量第一 不变量 I1 ，是平均应力p的三倍。
26
应力张量分解及其不变量
应力张量
岩土材料的稳定性、应变软化、损伤、应变局部化
（应力集中)与剪切带等问题
11
岩土材料的试验结果
土的单向或三向固结压缩试验：土有塑性体变
初始加载：
卸载与再加载：
e e0 ln p
e ek k ln p
12
岩土材料的试验结果
土的三轴剪切试验结果：
（1）常规三轴
土有剪胀（缩）性； 土有应变软化现象；
3
第1章 概 论
岩土塑性力学的提出 岩土塑性力学及其本构模型发展方向 岩土材料的试验结果 岩土材料的基本力学特点 岩土塑性力学与传统塑性力学不同点 岩土本构模型的建立
4
岩土塑性力学的提出
材料受力三个阶段： 弹性 → 塑性 → 破坏
弹性力学 塑性力学 破坏力学 断裂力学等
19世纪40年代末，提出Drucker塑性公论，经典塑性 力学完善；
1773年Coulomb提出的土质破坏条件，其后推广为 莫尔—库仑准则；
1957年Drucker提出考虑岩土体积屈服的帽子屈服面；
1958年Roscoe等人提出临界状态土力学，1963年提出 剑桥模型。岩土塑性力学建立。
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method of slope（条分法）
1975, Zienkiewicz put forward FEM strength reduction. Through reducing c and of the rock and soil until failure happens, calculations show that the safety factor is the multiple of reducing the strength.
Pressure arch of deep-buried tunnel （普氏压力拱）
Shallow-buried theory by Terzaghi（太沙基）
Modern failure mechanism of tunnels
（现代的隧洞破坏机理）
► Based on elastic-plastic theories ► Rabcewicz crack wedge
（深埋隧洞破坏的现场监测）
（1）The anchor on the arch top bear small force, while that in the two sides bear large force. 顶部锚杆受力小 侧面锚杆受力大 侧向位移大 垂直位移小
（2）The average horizontal displacement of steel frame is 19mm .The average difference of settlement between arch top and arch foot is 9.8mm.
Buried depth:12m safety factor:0.7
When the buried depth is between 10m and 18m, the safety factor keeps constant basically and two crack surfaces appear respectively on the arch top and side wall.
有限元极限分析法适用性广，又能计算安全系数
Principles of FEM limit analysis
有限元极限分析法原理（用数值计算求极限分析）
Definition of safety factor Fs anti slide force
slide force
Anti-slide force is related to soil strength.
Buried depth:30m safety factor:0.67
Failure mechanism of rectangle tunnel
（矩形隧洞的破坏机理）
► Shallow-buried pressure arch forms gradually and the
maximum height of arch is 9m-10m.（逐渐形成浅埋压 力拱，最大拱高9m~10m ）
► When the buried depth is between 10m and 18m, pressure
（深埋隧洞破裂面位置的确定方法）
► Crack happens where the displacement or plastic strain mutates.（破裂面位置在应变突变处）
Failure state of homogeneous tunnels
（均质隧洞的破坏状态）
Monitoring of failure of deep-buried tunnels
Crack surface of shallow-buried tunnels
Failure process and divide between shallow- and deepbury of different buried depth
（不同埋深隧洞的破坏过程与深浅埋分界线）
The tunnel span is 12m and the height is 5m.
The application of FEM limit analysis in the stability analysis of tunnels
有限元极限分析法在隧道稳定分析中的应用
By Professor Zheng Yingren
郑颖人
Chongqing Engineering Engineering and Technology Research Center of Goelogicial Harzard Provention and Treatment
埋深1m（浅埋状态）
When the buried depth is 3m,failure happens on the shoulder of tunnel and safety factor increases with the increase of buried depth.
Buried depth:3m safety factor:0.52
Schemes Tunnel span/cm Height of sidewall/cm Height of arch/cm
1
2 3 4 5
8
8 8 8 8
8
8 8 6 4
2
3 4 4 4
Analysis on the comparison of model tests and numerical simulation
埋深9m （浅埋状态）
Buried depth:9m safety factor:0.66 Pressure arch of shallow-bury disappears gradually and arch of deep-bury forms when the buried depth is 10m. 埋深10m So, the buried depth of 9-10m is the dividing line between deep- and shallow-bury. Buried depth:10m safety factor:0.69（形成深埋压力拱）
（1）rectangle cavern
c 40kPa
22
跨度12m，高度5m
Buried depth:1m safety factor:0.3 The buried depth is 1m and failure happens in the middle of tunnel top.
（模型试验和数值模拟的对比分析）
Scheme 1
Scheme 2
Results of model tests and numerical simulations （模型试验的数值模拟和试验结果的对比分析） 极限荷载 最大距离
Limit Limit load Maximum distance of load crack surface and wall of of Height numerical Model model Numerical test /kN tests/kN
FEM limit analysis
Traditional method of limit analysis is suitable to engineering design. But the suitability is low that the failure surface should be obtained beforehand.
拉布希维兹破坏楔体理论
► 2004, Zheng Yingren calculate the safety factor of surrounding rock of tunnels by FEM limit analysis （破裂面）
Crack surface of deep-buried tunnels
通过不断折减强度，使其自动达到破坏，折减 的倍数等于安全系数
1 c' c Ftrial
1 ' arctan( tan ) Ftrial
Zheng Yingren developed FEM limit analysis where failure surface can be formed automatically and both safety factor and failure surface can be worked out.
传统极限方法要事先知道滑面，适用性差
While FEM can not work out the safety factor in spite of its wide use.
有限元数值方法无法计算安全系数
FEM limit analysis can be widely used in engineering design, especially in the design of geotechnical engineering (slopes, foundations and tunnels).
埋深3m （浅埋状态）
With the increase of buried depth, Pressure arch of shallow-bury forms gradually.（形成浅埋压力拱）
埋深7m （浅埋状态）
Buried depth:7m safety factor:0.65
Pressure arch of shallow-bury forms when the buried depth is 9m.
自动生成破坏面，并能求出破坏面形态
Traditional failure mechanism of tunnels
（传统的隧道破坏机理）
► Based on loose soil theories（松散体理论） ► Failure mechanism of deep-buried tunnels Theory of pressure arch of ·М·Протодьяконов. ► Failure mechanism of shallow-buried tunnels The soil above the tunnel collapses and stress transfer exists.