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文檔簡介
1、<p> 附錄A 英文翻譯原文</p><p> 附錄B 英文翻譯譯文</p><p> 國際巖石力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)</p><p> 期刊主頁:www.elsevier.com/locate/ijrmms</p><p><b> 技術(shù)說明</b></p><p> 兩
2、個(gè)真三軸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的比較</p><p> 作者:Mingqing You *</p><p> 河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作454010</p><p><b> 文 章 信 息</b></p><p><b> 文章歷史:</b></p><p> 收
3、稿日期2011年9月11日</p><p> 修訂后于2012年6月3日</p><p> 接受于2012年6月7日</p><p> 2012年6月30日刊登</p><p><b> 1.引言</b></p><p> 許多真三軸或多軸的準(zhǔn)則已經(jīng)被研究和提出,以描述中間主應(yīng)力對(duì)巖石強(qiáng)
4、度的影響[1-9]。以為標(biāo)準(zhǔn)形式,可以通過假三軸實(shí)驗(yàn)獲得被證明,然而,一般不能表達(dá)各種應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度??此葡嚓P(guān)性良好的主要原因是由占主導(dǎo)地位的最大主應(yīng)力和的量度影響而導(dǎo)致的,其中一些物理概念已經(jīng)給出了字,如最大剪應(yīng)力,八面體剪應(yīng)力,正應(yīng)力或有效平均正應(yīng)力,應(yīng)力張量不變量[6]。</p><p> 對(duì)于真三軸強(qiáng)度準(zhǔn)則,YOU[6]提出了一個(gè)明確的形式,</p><p><b>
5、 ?。?)</b></p><p> 式中是在常規(guī)三軸圍壓的強(qiáng)度(CP);H是一個(gè)用來來描述中間主應(yīng)力的函數(shù)。顯式方程的主應(yīng)力與應(yīng)力張量不變量的標(biāo)準(zhǔn)[1、4、5、7、8]比Rafiai最近提出[9]的這方面方程(1)是更簡單和清晰。</p><p> YOU [10] 總共評(píng)估了16個(gè)常規(guī)三軸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),其中三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)參數(shù),六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)參數(shù)、七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有三個(gè)參數(shù)。一般來說
6、,多個(gè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)不適合用于測試獲得的數(shù)據(jù)。因此,Rafiai標(biāo)準(zhǔn)是用三個(gè)參數(shù)來描述傳統(tǒng)的三軸強(qiáng)度,這樣需要比較的標(biāo)準(zhǔn)就有三個(gè)參數(shù),如指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[6], 廣義的Hoke-Brown準(zhǔn)則[11]和[12]Sheorey準(zhǔn)則,而不是庫侖準(zhǔn)則和有兩個(gè)參數(shù)的Hoek-Brown準(zhǔn)則。</p><p> 有5個(gè)參數(shù)的真三軸強(qiáng)度Rafiai準(zhǔn)則[9]被認(rèn)為是最好的一個(gè),在比較了修改后的Wiebols-Cook準(zhǔn)則[13]和
7、指數(shù)準(zhǔn)則[6]使用測試數(shù)據(jù)的六個(gè)巖石均有方根誤差(RMSE)。然而,最小的均方根誤差不能完全確認(rèn)準(zhǔn)則的有效性,如在[10]中所示。Rafiai準(zhǔn)則需要數(shù)學(xué)和數(shù)量分析。</p><p><b> 2常規(guī)三軸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)</b></p><p> 指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)描述了常規(guī)三軸抗壓強(qiáng)度和低脆性巖石圍壓之間的關(guān)系,彈性巖石如下:</p><p><b&
8、gt; ?。?)</b></p><p> 式中Q0是單軸抗壓強(qiáng)度(UCS),是當(dāng)圍壓力增大到無窮大時(shí)限制差應(yīng)力的,K0是強(qiáng)度圍壓= 0時(shí)圍壓的增加速率。這三軸之間是獨(dú)立的[14]。指數(shù)準(zhǔn)則是接近于的線性關(guān)系,在該范圍內(nèi)。</p><p> 傳統(tǒng)的的三軸強(qiáng)度在Rafiai準(zhǔn)則中[9],表示為</p><p><b> (3)</b&
9、gt;</p><p> 式中Q0,A和B是相關(guān)的材料參數(shù);r是一個(gè)強(qiáng)度折減系數(shù);并且r是0時(shí)表示為完整的巖石,r為1時(shí)表示大量節(jié)理巖體。當(dāng)B= 0時(shí),指數(shù)準(zhǔn)則會(huì)降低Coulomb準(zhǔn)則。除了這種情況下,就像在指數(shù)的準(zhǔn)則中,應(yīng)力差在方程(3)中基本與CP增加加而增加。因此,式中(3)的參數(shù)A和B可以被指數(shù)準(zhǔn)則中所使用的參數(shù)替代:</p><p><b> ?。?)</b&g
10、t;</p><p><b> ?。?)</b></p><p> 因此,方程 (3)可被轉(zhuǎn)化為</p><p><b> ?。?)</b></p><p> 2.1擬合方法和解決方案</p><p> 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)(2)和(6)通過擬合確定測試數(shù)據(jù)。使用不同的方法
11、,將得到的各種解決方案。通常使用兩種方法:最小二乘法是要搜索的參數(shù)的最小</p><p><b> ?。?)</b></p><p> 并且最小絕對(duì)偏差的方法是搜索參數(shù)的最小平均失配</p><p><b> (8)</b></p><p> 式中是測試強(qiáng)度,N是的測試數(shù)據(jù)的數(shù)目。[10,15
12、]中已討論這兩種方法。</p><p> 這八個(gè)巖石的數(shù)據(jù),引自[16-21],測試數(shù)據(jù)被用來評(píng)估指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和Rafiai的準(zhǔn)則準(zhǔn)確性。這測試數(shù)據(jù)的數(shù)目,最大圍壓,UCS和擬合的解決方案已經(jīng)呈現(xiàn)在表1中,配備解決錦屏砂巖的方案最小二乘法[16],瑞穗粗面巖和Dunham白云巖[17]列于表2。</p><p> 在一個(gè)給定的數(shù)值精度的參數(shù)在一定區(qū)域內(nèi)的平均失配,以及RMSE,是一樣的。因
13、此,我們可以優(yōu)化該區(qū)域中的一個(gè)參數(shù),如山口大理石被設(shè)置為參數(shù)Q0的UCS的真實(shí)模型,如在表1中給出的。</p><p><b> 2.2測試數(shù)據(jù)異常</b></p><p> 錦屏砂巖的強(qiáng)度信封的指數(shù)準(zhǔn)則和Rafiai準(zhǔn)則與最小的絕對(duì)偏差法不同,但與最小二乘法幾乎相同,如圖1所示。通過指數(shù)準(zhǔn)則和最小均失配預(yù)測UCS為83.4兆帕,21.8兆帕的真實(shí)效果高于61.6
14、兆帕在圖1中用X標(biāo)出來了,并且有了66%的巨大貢獻(xiàn)達(dá)到了32.8兆帕在總失配中。這UCS從61.7-69.9 MPa的其他解決措施已經(jīng)列于表1和2中。</p><p> 從3圍降壓測試的破壞能力強(qiáng)度,如圖2繪制的三角形,接近使用的指數(shù)準(zhǔn)則和最小平均失配的合適結(jié)果。這Rafiai準(zhǔn)則與最小平均失配完美地預(yù)測UCS,但圍壓為5MPa,10MPa時(shí)顯示很大的誤差,并且從3圍降壓試驗(yàn)強(qiáng)度顯示很大的誤差,如圖2所示。兩個(gè)
15、標(biāo)準(zhǔn)的擬合與最小均方根誤差對(duì)于所有的測試數(shù)據(jù)呈現(xiàn)均勻的偏差,如圖1b和2。</p><p> Mizuho粗面巖的擬合的解決方案使用最小絕對(duì)偏差法,在圖3a中通過使用5個(gè)測試數(shù)據(jù),并且失配被定于顯示Y字母的一個(gè)數(shù)據(jù)。在圖3b中最小二乘法擬合解決方案不通過任何測試數(shù)據(jù),但所有的測試數(shù)據(jù)有低偏差。</p><p> 通過指數(shù)準(zhǔn)則與最小絕對(duì)偏差的方法預(yù)測的強(qiáng)度是405.7MPa在圍壓100M
16、Pa,其中貢獻(xiàn)31.3MPa或38.1MPa總失配的83%。如果測試在100MPa圍壓下不能被承受,那么其他六個(gè)測試數(shù)據(jù)平均失配應(yīng)是1.1兆帕。</p><p> 表1 8個(gè)巖石和配件使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案,用最少的絕對(duì)偏差法的參數(shù)。</p><p> 最小平均失配是3.66MPa在Q0=299.8MPa;并且最小平均失配是 3.72的優(yōu)化,在Q0=293MPa。</p>
17、<p> 這能量在圍壓的0.5MPa處,而不在UCS處。</p><p> 表2 擬合使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案與最小二乘法。</p><p> 圖1、錦屏砂巖使用Rafiai準(zhǔn)則和指數(shù)準(zhǔn)則(a)</p><p> 擬合與最小絕對(duì)對(duì)偏差法和(b)最小二乘法。 </p><p>
18、事實(shí)上,測試結(jié)果是試樣和試驗(yàn)機(jī)等的一個(gè)集成CP。不同圍壓的優(yōu)勢來自于不同的試驗(yàn)樣。有時(shí),有幾個(gè)異常的測試數(shù)據(jù),其中的誤差被平方計(jì)算放大,并且使用最小二乘法時(shí)影響擬合的解決方案[10]。</p><p> 我們刪除在錦屏砂巖中的X和Mizuho 粗面巖中的Y數(shù)據(jù),分別命名左邊數(shù)據(jù)作為JS*和 MT *。在表1和表2中給出了這擬合解決方案使用的兩種方法和兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。我們可以得出如下結(jié)論:</p><
19、;p> 平均失配,和RMSE以及使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)急劇下降后,一個(gè)數(shù)據(jù)被刪除;并且擬合結(jié)果在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)幾乎相同。因此X,即錦屏砂巖的UCS,可能是從缺陷樣本來的一個(gè)異常數(shù)據(jù);并且Y,即在CP100兆帕強(qiáng)度的Mizuho粗面巖是不與其他數(shù)據(jù)相協(xié)調(diào),并且可能提高了在試樣端部摩擦效果,如在[10]中所討論的。</p><p> ?。?)在圖1b和3b中所示,這擬合結(jié)果使用RMSE法不能解釋奇怪的數(shù)據(jù),并且通過一個(gè)異常
20、的數(shù)據(jù)對(duì)指數(shù)準(zhǔn)則和Rafiai準(zhǔn)則有很大影響如表2中所呈現(xiàn)的。強(qiáng)度信封使用兩塊巖石的Rafiai準(zhǔn)則展示在圖4中。 因此,RMSE是不是一個(gè)很好的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估指標(biāo)。 </p><p> 圖2.1、此處擬合解決方案為錦屏砂巖放大,從圍降壓測試中的三個(gè)優(yōu)勢呈現(xiàn)在三角形中。擬合的解決方法使用在虛線的最小RMSE呈現(xiàn)所有測試數(shù)據(jù)的均偏差。</p><p> 圖3、為Mizuho粗面巖的擬合的解
21、決方案以及(a)最小絕對(duì)偏差法和(b)最小二乘法。前者的失配是定位于數(shù)據(jù)Y;并且這些中的后者被分配給所有的測試數(shù)據(jù)。</p><p> 擬合解決方案,為錦屏砂巖和Mizuho粗面巖都使用指數(shù)準(zhǔn)則以及最小平均失配沒有影響的異常數(shù)據(jù),并呈現(xiàn)在表1中。此外,這標(biāo)準(zhǔn)公布了異常和巨大失配的數(shù)據(jù),如圖1a和3a所示。</p><p> (4)UCS與指數(shù)準(zhǔn)則以及最小平均失配的真實(shí)模型是相同的,除非
22、,它是像錦屏砂巖一樣是異常的UCS,如表1所示。</p><p> 圖4、(a)錦屏砂巖和使用Rafiai標(biāo)準(zhǔn)的配件解決方案(b)瑞穗粗面巖與最小二乘法。他們有很大的影響一個(gè)異常數(shù)據(jù)。</p><p> 2.3這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的擬合精度</p><p> 這指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)是差''''平均失配和RMSE錦屏砂巖和瑞穗粗面巖,如示于圖1。 1
23、和3。然而,消除了一組數(shù)據(jù),具有相同的合體性后的Rafiai標(biāo)準(zhǔn)是最有可能的異常的一個(gè),如上所述。</p><p> 嵌合的解決方案,使用指數(shù)的判據(jù)和Rafiai判據(jù)鄧納姆白云石和腥黑穗病砂巖[18]圍壓在測試范圍內(nèi)幾乎是相同的,如圖所示。 5。的意思是不稱職的微小差異不驗(yàn)證或好或壞的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。從指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中提出的表2中,RSME是小于0.1MPa時(shí),從Rafiai標(biāo)準(zhǔn)為鄧納姆白云石。</p>&l
24、t;p> Rafiai標(biāo)準(zhǔn)是輕微的比山口大理石指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[17]的觀點(diǎn),平均失配(圖5)?;鶞?zhǔn)面Z是在這兩個(gè)條件的下側(cè),并且不在其附近的數(shù)據(jù)相協(xié)調(diào)。如果數(shù)據(jù)是不考慮,使用的平均失配指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)其他10個(gè)測試數(shù)據(jù)將減少2.9兆帕至2.4兆帕,是相同從Rafiai準(zhǔn)則。山口大理石的強(qiáng)度在CP150兆帕, 200兆帕的,是從兩個(gè)測試的平均值差為1 MPa[17]。它們的可靠性是高的。該指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)通過兩個(gè)數(shù)據(jù),但在Rafiai判據(jù)失敗的一組數(shù)據(jù)
25、(圖5)。信封的指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)是完美的優(yōu)勢索倫霍芬灰?guī)r[17],印第安納石灰石[19],孚日砂巖[20],如圖所示。 6和平均格格不入也低于使用Rafiai準(zhǔn)則。</p><p> 圖5、配件解決方案,使用Rafiai標(biāo)準(zhǔn)和指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。兩標(biāo)準(zhǔn)具有低的不稱職和它們的區(qū)別是超出的測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。</p><p> 孚日砂巖中的測試數(shù)據(jù)[21]提供了Be'suelle,誰進(jìn)行測試[20]。
26、標(biāo)本潤滑cated使用凡士林和硬脂酸的混合物,以減少試樣和加載之間的界面上的摩擦頭。沒有夾持在試樣端部的影響,因此,在高CP應(yīng)力差不增加。</p><p> 當(dāng)然,Rafiai的標(biāo)準(zhǔn)低失配的測試數(shù)據(jù),但顯示小的優(yōu)勢,在指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。</p><p> 2.4一般的三軸強(qiáng)度準(zhǔn)則</p><p> [15]所示,差應(yīng)力,最大剪應(yīng)力在巖石標(biāo)本的方法為一個(gè)常數(shù)時(shí),圍壓增
27、大到無窮大。常規(guī)三軸強(qiáng)度的一般方程構(gòu)造的假設(shè)或另一種形式 </p><p><b> 式中</b></p><p> 并且f(x)是單調(diào)遞減函數(shù),滿足f(0)=1</p><p> 分別是指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和Rafiai標(biāo)準(zhǔn), </p><p> 幾個(gè)函數(shù)滿足方程(12)-(14)示意于圖7,和使用屈服強(qiáng)度一般標(biāo)準(zhǔn)的配件
28、解決方案山口大理石被示于表3。最大的的變量x的幅度,即函數(shù)f(x)的范圍內(nèi)即從2.41至3.41不等。</p><p> 顯然,這些功能有不同的信封,但他們可能適合的測試數(shù)據(jù),使用不同的參數(shù)。 QN在指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)是最低的,因?yàn)橹笖?shù)函數(shù)接近零率最高的。 Rafiai標(biāo)準(zhǔn)是相反的。的平均格格不入的六大功能為2.22兆帕3.06 MPa時(shí),在表3中給出。最好的一個(gè)是功能,其中,標(biāo)繪在圖的強(qiáng)度包絡(luò)。 8。在UCS從的標(biāo)準(zhǔn)
29、是完全一樣的真實(shí)規(guī)模,但信封不通過在測試強(qiáng)度圍壓為150MPa,這是高可靠性,如上所述。當(dāng)然,這是不容易選擇最好的</p><p> 圖6配件解決方案,使用Rafiai標(biāo)準(zhǔn)和指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。信封的指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)是相當(dāng)范圍內(nèi)的測試數(shù)據(jù)高CP。</p><p> 平均格格不入的六大性能從2.22兆帕至3.06兆帕,列于表3。</p><p> 最好的是其中的強(qiáng)度包絡(luò)函數(shù)繪于圖
30、8UCS的標(biāo)準(zhǔn)是完全一樣的真實(shí)規(guī)模,但信封不通過的測試強(qiáng)度在圍壓為150 MPa,這是高可靠性,如上文所述。當(dāng)然,這是不容易選擇最好的</p><p> 圖7函數(shù)來構(gòu)造的常規(guī)三軸強(qiáng)度準(zhǔn)則。他們的各種利率接近零,并描述相同的測試數(shù)據(jù)與不同的變量x。</p><p><b> 表3</b></p><p> 使用屈服強(qiáng)度山口大理石一般標(biāo)準(zhǔn)的配
31、件解決方案</p><p> 圖8配件解決方案的山口大理石的三個(gè)準(zhǔn)則的屈服強(qiáng)度。</p><p> 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)與形式,如廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則,無法用語言形容的巖石屈服強(qiáng)度,塑性變形。強(qiáng)度準(zhǔn)則下的測試數(shù)據(jù)。換句話說,有許多強(qiáng)度低不稱職的標(biāo)準(zhǔn)來描述的測試數(shù)據(jù)。為大理石的裝修解決方案,采用廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則為:</p><p><b> ?。?/p>
32、18)</b></p><p> 為3.52兆帕,平均失配,這是高于表3中所列的一般標(biāo)準(zhǔn)的任何形式的。無法用語言形容的標(biāo)準(zhǔn)電源形式下的強(qiáng)度高圍壓(圖8)。</p><p> 2.5估算塑性變形下的斷裂強(qiáng)度</p><p> 山口大理石的測試數(shù)據(jù)的上述屈服強(qiáng)度,即強(qiáng)調(diào)在[17]上的永久性變形為0.2%,斷裂強(qiáng)度從屈服強(qiáng)度是不同的,如示于圖。 9。在圍
33、壓為55兆帕從三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的UCS和斷裂強(qiáng)度分別為82.0 MPa和285.0 MPa時(shí),完全相同的真實(shí)程度,分別。然而,配件解決方案的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是不同的,在高圍壓。前提的指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)力的限制,Rafiai標(biāo)準(zhǔn)和廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則為338.8兆帕,483.8 MPa和無限的。</p><p> 在圍壓超過55兆帕,由于高延展性的大理石是缺乏的斷裂強(qiáng)度。在E1¼3.5%的軸向應(yīng)力被數(shù)字化,從應(yīng)力 -
34、 應(yīng)變曲線在茂木[17],并與三角形圖繪制。 9。這六個(gè)數(shù)據(jù)的擬合曲線,使用指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。試樣不斷裂,可支持更高的壓力,而不是在E1¼3.5%。另一方面,有更多或更少的夾緊作用在試樣的端部已成為韌性,因此,真正的承載力應(yīng)該比E1¼3.5%時(shí)的應(yīng)力低??傊?,指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)可能展示出一種合理的估計(jì)的斷裂強(qiáng)度,在大理石韌性變形下。</p><p> 2.6在拉壓區(qū)的強(qiáng)度準(zhǔn)則</p><
35、p> [10]所示的16項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)提供了可靠的,沒有所有巖石的拉伸強(qiáng)度。也許,這是貪婪的期望的拉伸強(qiáng)度預(yù)測通過延伸從壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)。的拉伸強(qiáng)度為獨(dú)立參數(shù)的巖石,并且必須通過試驗(yàn)確定。</p><p> 圖9山口大理石斷裂強(qiáng)度的配件解決方案。0.2%的永久變形,屈服強(qiáng)度,即軸向應(yīng)力堅(jiān)實(shí)的廣場,和軸向應(yīng)力在E1¼3.5%,毛毯三角作為參考。前提的指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)力的限制,Rafiai標(biāo)準(zhǔn)和廣
36、義Hoek-Brown準(zhǔn)則為338.8兆帕,483.8 MPa和無限制。</p><p> 圖10在的范圍內(nèi)的拉伸壓縮強(qiáng)度準(zhǔn)則。T是單軸拉伸強(qiáng)度,和TE是指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)的拉伸強(qiáng)度預(yù)測。兩個(gè)多項(xiàng)式和在單軸拉伸強(qiáng)度和UCS,分別相切。</p><p> 直接張力和巴西劈裂試驗(yàn)的結(jié)果有很大的分散性;巴西劈裂強(qiáng)度的平均幅度是對(duì)于一個(gè)給定的巖石單軸拉伸的強(qiáng)度范圍限制下的平均單軸拉伸強(qiáng)度高于巴西劈裂試
37、驗(yàn)在巖石材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)的纖芯半徑的比,反之亦然[22-24]。因此,我們不作以下兩個(gè)拉伸強(qiáng)度之間的區(qū)別。</p><p> 一個(gè)基準(zhǔn)是遠(yuǎn)小于壓縮強(qiáng)度,拉伸強(qiáng)度,不能產(chǎn)生大的失配,并顯著影響嵌合強(qiáng)度準(zhǔn)則的解決方案。當(dāng)然,我們可能需要的拉伸強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)作為Carter [25],但是,這將減少了準(zhǔn)確性和降低了壓縮強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用范圍。</p><p> 一個(gè)簡單的方法來描述的強(qiáng)度在拉伸 -
38、壓縮區(qū)域應(yīng)力變化,即,如圖。10的方法,其中T是單軸拉伸力小于TE(來自指數(shù)標(biāo)準(zhǔn))。另一種方法是構(gòu)造一個(gè)函數(shù),在切線和在單軸拉伸強(qiáng)度和UCS,分別為圖10。</p><p><b> 參考文獻(xiàn)</b></p><p> [1] Aubertin M, Li L, Simon R. A multiaxial stress criterion for short- a
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