基于统一强度理论的非均匀应力场圆形巷道围岩塑性区分析

基于统一强度理论，推导出非均匀应力场的巷道围岩塑性区边界线方程式，可用于预测不同侧压系数时地下深埋隧洞的塑性区大小及形状.当不同程度地考虑中间主应力的影响时，围岩塑性区形状和大小有较大不同，且随水平应力与垂直应力差异性的增大，这种影响趋于明显.     

基于DP准则的巷道围岩塑性区影响因素分析

围岩塑性区的扩展是巷道事故频发的根本原因,确定塑性区影响因素及其发展规律对煤矿的安全生产至关重要。基于DP准则推导出非均匀场下的围岩塑性区边界方程,对非圆形截面巷道进行当量半径折算,分析不同侧压系数下塑性区形态,采用单因素法分析不同DP准则的塑性区影响因素。研究结果表明：当侧压系数在0.6～1.5范围时,塑性区呈椭圆形分布;当侧压系数小于0.6或大于1.5时,塑性区呈蝶形分布。巷道地压和围岩岩性显著影响了塑性区的形态及范围,根据工程实际合理选取巷道位置,能够有效降低巷道支护的难度及成本。中间主应力对巷道围岩塑性区范围的影响有着强烈的区间性。巷道支护可以通过注浆来改善岩体的黏聚力、内摩擦角,进而减小塑性区范围,但这一作用效果有限。塑性区半径随着支护阻力的增大而线性减小。根据不同DP准则计算出的塑性区半径有所差异,合理运用DP屈服准则既能够保证煤炭生产的安全性,又能够降低工程造价。     

非等压圆形巷道围岩塑性区边界方程及应用

由于双向非等压应力条件作用下的圆形巷道弹塑性问题求解难度较大,目前难以得到精确解析解。基于Mohr-Coulomb强度准则,将Kirsch解代入塑性条件中研究了非等压应力条件下圆形巷道围岩塑性区近似边界方程、分析了塑性区影响因素及形成力学机制。结果表明:侧压系数影响塑性区形态,原岩应力方向影响蝶形塑性区蝶叶方位,巷道半径与围岩岩性对塑性区形态均没有影响,但对塑性区的发育深度起着决定作用;侧压系数不等于1时,最大主应力方向不再平行于巷道切向,最小主应力方向不再经过巷道中心位置,引起围岩剪切破坏方向发生变化,而塑性区的扩展受控于最大剪应力的分布,此时塑性区形态偏离圆形;剪应力峰值点曲线与塑性区边界均随侧压系数变化而发生变化,但塑性区边界总是位于剪应力云图中最大剪应力峰值位置,且侧压系数越小主应力方向变化越大,塑性区不规则形态越明显;该求解方法没有考虑塑性区对弹性区应力的影响,属于近似求解法,但塑性区形态、发育规律与数值模拟结果相一致,并对解决工程问题具有指导作用,说明该塑性区边界方程近似解法是可信的。通过该近似方程能够掌握巷道围岩塑性区发育扩展规律,依此提出的可接长锚杆支护技术能够有效解决深部巷道锚杆易随顶板整体下沉、锚索破断引发的冒顶问题,较好的消除了冒顶隐患。     

考虑流变和中间主应力的巷道围岩变形分区

考虑流变特性,将巷道围岩分为弹性区、塑性硬化区、塑性软化区和塑性流动区,并考虑围岩峰前应变硬化、峰后应变软化、扩容特性及中间主应力的影响;基于Drucker-Prager准则推导了各分区应力、位移和半径的封闭解析解,然后以实例为基础分析了围岩变形的影响因素。研究结果表明:中间主应力和围岩流变特性对巷道围岩位移和塑性区的大小均具有重要影响且中间主应力表现出强烈的区间性,在一定范围内提高中间主应力能够有效的控制巷道变形和塑性区的扩展。理论研究及工程实际中,若忽视围岩流变特性则无形中"高估"了围岩岩性,不利于巷道长期稳定性评估及支护设计参数的确定;合理运用中间主应力的Drucker-Prager准则,较Mohr-Coulumb准则更能保证工程实践的安全性。研究结果可为巷道围岩相关理论研究和工程设计提供借鉴。     

基于Drucker-Prager屈服准则的圆形巷道围岩弹塑性分析

考虑不同程度的中间主应力对屈服的影响,以Drucker-Prager屈服准则作为巷道围岩的塑性条件,推算出巷道围岩弹塑性区应力、塑性区半径和位移的解析解。研究表明,中间主应力对塑性区半径和位移的大小以及围岩应力的分布均有重要影响,并且验证了中间主应力效应的区间性。用单因素分析法,分别考虑不同内聚力、内摩擦角、原岩应力和支护阻力情况下,塑性区半径和位移的Drucker-Prager准则解、Mohr-Coulomb准则解和统一强度准则解的变化规律并对其进行比较,分析表明：相同条件下,塑性区半径及位移的Drucker-Prager准则解比Mohr-Coulomb准则解和统一强度准则解大,并且在较高内聚力、较低内摩擦角或较低原岩应力情况下Drucker-Prager准则解接近于Mohr-Coulomb准则解。采用Flac3D进行数值模拟,模拟结果与理论分析结果较为吻合。因此,适当的应用 Drucker-Prager屈服准则将更能保证工程实践的安全性,更具实践价值。     

两向不等压巷道围岩塑性区影响因素研究

为探讨两向不等压巷道围岩塑性区的分布规律,以淮北许疃煤矿-500 m水平81采区南翼轨道大巷为工程背景,利用Abaqus数值模拟软件,采用控制变量法,对两向不等压巷道围岩塑性区的影响因素及其规律展开研究。结果表明:塑性区受地压大小、侧压系数及围岩岩性的影响较为显著;巷道半径及支护虽然对塑性区的大小有一定的影响,但并不明显,且对塑性区形状的影响几乎可忽略。根据影响规律的研究,提高围岩岩性和降低主应力差是控制巷道围岩塑性变形2种有效手段。     

矩形与圆形巷道塑性区相关性分析——侧压系数不大于1

基于弹塑性理论对不同侧压系数下圆形巷道围岩塑性区进行了理论分析,给出了不同侧压系数下圆形巷道塑性区范围的计算公式及轮廓图像.本文将矩形巷道对围岩的影响等价于其外接圆圆形巷道对围岩的影响,并利用FLAC3D数值模拟进一步验证了圆形巷道塑性区范围计算公式及矩形与圆形巷道塑性区的相关性,得到:(1)当侧压系数不大于1时,随着侧压系数的减小,矩形、圆形巷道塑性区均呈现圆形-椭圆形-蝶形的形态变化;(2)在相同的侧压系数下,将矩形巷道对围岩的影响等价于其外接圆圆形巷道对围岩的影响时,矩形巷道塑性区范围与圆形巷道塑性区范围存在一定关系.研究成果可作为矩形、圆形巷道支护设计及稳定性分析的理论基础.     

考虑软化和扩容的圆形巷道围岩Z-P准则弹塑性解

巷道围岩受应力作用表现出的软化、扩容行为对巷道的变形和破环有重大影响。为了研究软化、扩容特性对巷道围岩稳定性的影响,根据岩体的软化特性,建立理想的弹性软化模型,将围岩分为弹性区、塑性软化区和破裂区;基于Zienkiewicz-Pande准则和非关联流动法则,考虑围岩的软化、扩容特性,推导出含中间主应力的圆形巷道弹塑性解析解;将Z-P准则与M-C、D-P等准则进行比较,分析了软化模量、扩容等因素对巷道围岩的影响。结果表明:Z-P准则可良好地适用于发生软化、扩容的巷道;中间主应力系数为0.4时,围岩塑性区范围最小,围岩位移最小,塑性区内应力最大;软化模量越大,围岩破裂区半径越大;剪胀角越大,塑性区位移越大,破裂区半径越大;支护阻力越大,巷道塑性区范围越小,且提高支护阻力能有效控制巷道围岩的变形。     

不同侧压巷道塑性区变异性特征模拟分析

侧压系数λ对巷道围岩稳定影响较大,在不同侧压系数作用下开挖巷道围岩的破坏区形态和范围均不同。应用数值模拟方法,分析了不同侧压系数条件下埋深分别为400 m和800m圆形巷道塑性区分布特征,并提出了相应的巷道支护对策。结果表明:λ=1时,巷道围岩塑性区为圆形;λ>1时,巷道围岩塑性区为竖椭圆形;λ<1时,巷道围岩塑性区为横椭圆形;λ>1时巷道支护应以控制顶底板为主,λ<1时巷道支护应以控制两帮为主;相同侧压时埋深越大巷道围岩塑性区范围越大,但增长幅度与埋深呈非线性关系。     

考虑渗流和剪胀特性的Z-P准则及巷道稳定性分析

在地下工程结构中,渗流和剪胀特性严重影响了巷道的稳定性。为了研究渗流和剪胀特性下巷道围岩的稳定性,基于Zienkiewicz-Pande准则和弹塑性理论,分析了受渗透水压力作用下的巷道围岩弹塑性解;推导了渗透水压力作用下的巷道围岩塑性区半径、位移和应力分布的解析解;分析了中间主应力和剪胀角对巷道围岩塑性区的影响规律。结果表明:基于Z-P准则的塑性区半径、位移和围岩应力公式能够很好地反应规律;随着中间主应力的增大,塑性区半径、位移和弹性区应力先减小后增大,塑性区应力先增大后减小;渗流作用下的塑性区半径和位移显著增加;围岩的剪胀特性对巷道应力分布和塑性区半径影响较小,但对位移分布有显著影响,随着剪胀角的增加,塑性区位移逐渐提高。     

基于修正Hoek-Brown准则的巷道围岩弹塑性解分析

利用考虑中间主应力的Hoek-Brown强度准则,结合巷道围岩塑性解的推导方法,进而获得较为准确的巷道围岩塑性区的范围以及支护变形量。通过理论推导了巷道围岩塑性区的半径和位移的表达式,得出塑性解与围岩初始二向等压应力、岩体质量、地质工程参数以及支护反力有关。结论为考虑中间主应力的Hoek-Brown强度准则更加适应巷道围岩塑性区分析过程,获得的结果更加准确,对工程实践有一定的理论指导意义。     

渗流作用下深埋岩石巷道不同强度准则对比分析

强度准则的选取是否得当,会直接影响到巷道围岩的稳定性评价与控制。为了研究强度准则效应对渗流环境下深埋圆形巷道围岩稳定性的影响规律,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论(UST)和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行了归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后针对受孔隙水压力作用的深埋圆形巷道建立理想弹塑性模型,综合考虑渗流体积力、中间主应力效应、围岩的剪胀特性以及不同的塑性区弹性应变处理方式,基于弹塑性理论推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解,并通过具体算例对新解的多方面影响因素进行了对比分析。研究结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配多种常用的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的MC准则和DP系列准则的计算结果相对保守;考虑中间主应力效应时,可优先选用外接圆DP准则和权系数为0.5的统一强度理论,谨慎选用权系数为1的统一强度理论;中间主应力对围岩强度具有区间效应,不考虑中间主应力效应的强度准则普遍偏于保守;岩土材料的剪胀特性不仅与围岩剪胀角有关,而且还与建立的塑性势函数有关;剪胀不会改变围岩的塑性区半径,但会影响塑性区的位移分布,若不考虑剪胀将会低估围岩的实际变形;不建议将塑性区的弹性应变视为常数,应当考虑塑性区应力重分布的影响,采用广义胡克定律进行分析。     

基于Drucker-Prager准则的深部巷道破裂围岩弹塑性分析

基于Drucker-Prager屈服准则和非关联流动法则,考虑中间主应力、塑性区弹性应变及岩体剪胀性的影响,推导了深部圆形巷道围岩应力、变形及塑性区半径的封闭解析解。结合工程实例,对比分析了不同屈服准则和围岩参数对围岩状态变化的影响,研究结果表明：中间主应力对围岩破裂范围和表面位移均具有重要影响,且表现出明显的区间效应;剪胀角越大,扩容系数越大,围岩破裂范围与表面位移也就越大;围岩参数(残余黏聚力、残余内摩擦角、初始黏聚力)和支护阻力越大,围岩塑性区及破裂区范围均越小;D-P准则解分别与统一强度准则解、双剪强度准则解和M-C准则解相比,围岩破裂范围及表面位移均偏大,但与M-C准则解最为接近;在满足相同围岩变形条件下,D-P准则解所需支护阻力较其他3种准则解均较大,更偏向于刚性支护形式,分析结果可为巷道围岩稳定性评价与支护设计提供重要理论依据。     

非均匀应力场下巷道围岩弹塑性分析

根据岩石材料的变形特性,引入了在实际工程中对巷道围岩具有一定影响的参数,采用岩石应力-应变三线段力学模型,分析了非均匀应力场下圆形巷道围岩弹性区、塑性软化区、塑性残余区的力学形态,推导出了非均匀应力场下圆形巷道弹塑性的理论解。在此基础上给出具体算例,分析了不同的影响因素对巷道围岩的影响。通过实例表明：岩石的侧压系数、应变软化、支护压力对围岩的力学形态、塑性区大小都有很大的影响;随着侧压系数的增加,巷道两帮处的塑性区范围在减小;软化模量的降低可以减小塑性区的半径;支护压力增加也可以减小塑性区半径。了解岩石的侧压系数,控制岩体的软化模量,适时加大支护压力均能有效地控制巷道围岩的稳定性。     

深部高应力软岩巷道断面形状优化设计数值模拟研究

选取矩形、梯形、直墙拱形、马蹄形、椭圆形和圆形等共6种不同断面形状的巷道进行优化研究,基于FLAC3D模拟研究了这6种典型巷道开挖后的巷道围岩变形特征及围岩塑性区分布规律,分析了不同侧压力系数对它们的影响。数值模拟结果表明,巷道断面形状对高应力巷道围岩变形特征及围岩塑性区分布影响较大;根据侧压力系数的大小及主应力方向,圆形、椭圆形为深部高应力巷道最优断面形状,选择圆形、椭圆形巷道可改善巷道围岩应力状态,降低围岩变形量,减少围岩塑性区损伤破坏范围,有利于深部高应力软岩巷道的长期稳定。     

考虑应变软化和扩容的圆形巷道围岩强度准则效应

为了研究强度准则效应对圆形巷道围岩稳定性的影响,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后将巷道围岩划分为破碎区、塑性软化区和弹性区,同时引入强度参数软化模量和扩容系数,考虑中间主应力效应、岩石峰后应变软化和扩容特性,推导了巷道围岩应力、位移和塑性区半径统一解,并对新解的各影响因素进行了对比分析。分析结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配不同的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的强度准则相对偏于保守,考虑中间主应力效应时,MO准则和权系数<0.5的统一强度理论计算得到的塑性区半径和位移处于中间水平,而外接圆DP准则和权系数>0.5的统一强度理论对中间主应力效应考虑较多,选用时需谨慎;应变软化会使塑性区内围岩的性质得到进一步劣化,出现更大范围的破碎区,提高破碎区残余强度是一种有效的支护方法;巷道围岩的扩容特性不仅与剪胀角有关,而且还与塑性势函数有关,不考虑扩容将会低估围岩的真实变形。研究结果可为巷道围岩稳定性评价和支护设计提供重要理论参考依据。     

蠕变和中间主应力影响下围岩变形分区弹塑性分析

考虑蠕变和中间主应力的影响,基于巷道变形稳定后围岩的峰值应力应为一定围压下岩石的长期强度的观点和统一强度理论,同时考虑围岩峰后阶段的应变软化和扩容特性,求得了围岩变形分区的弹塑性解析解。最后通过实例分析了蠕变和中间主应力对围岩应力、位移和塑性区半径的影响。研究表明：当忽略蠕变的影响时,一定程度上高估了围岩岩性,塑性区半径的理论结果仅为3.05m,与现场实测结果5.5m相差较大,当考虑蠕变的影响时,塑性区半径的理论结果为5.68m,接近于实测结果|验证了围岩的位移及塑性流动区半径随中间主应力增大而减小的性质,在设计支护时可适当考虑增大中间主应力。研究结果可为软岩巷道的支护力学计算及支护方案设计提供参考。     

基于应力梯度理论的锚杆合理预紧力

巷道围岩的稳定性不仅与岩体强度有关,还与围岩应力场梯度密切相关。为研究锚杆在巷道围岩支护中合理支护强度的确定方法,在特定的地质条件中提出合理的预紧力,以连续损伤力学模型为基础并引入材料力学领域中的应力梯度理论,推导出了考虑围岩塑性区与弹性区交界面处的平衡方程和边界条件,建立了基于Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则以及Hoek-Brown准则下的围岩应力梯度求解模型;以Mohr-Coulomb准则为例,借助FLAC3D对比出模拟结果与理论计算值吻合度为93%且变化趋势一致,验证了提出的应力梯度求解方式适用性,发现随着锚杆预紧力的增加,巷道围岩的塑性区应力梯度相应增加,弹性区应力梯度不断减小,岩体劣化程度减弱。提出应力补偿系数,模拟计算出不同锚杆预紧力下巷道围岩应力梯度分布规律和支护效果,发现预紧力的变化与巷道围岩的锚固效果呈正相关趋势,塑性区范围随预紧力的增加不断减小,围岩稳定性随应力梯度的增加不断提高,并据此得出了锚杆预紧力与围岩应力梯度的对应补偿关系并提出最优补偿比。在现场实践中对巷道变形控制效果提高40%以上,并且应力梯度补偿系数高于0.65,高于该矿围岩变形安全控制要求,为确定锚杆合理支护强度提供了一种研究思路。     

软岩巷道围岩破坏特征的中间主应力效应研究

为了研究中间主应力对软岩巷道围岩变形的影响机制,以淮北矿区朱仙庄矿Ⅱ1053工作面软岩运输巷为工程背景,在地应力原位测试的基础上,采用FLAC3D软件构建了不同中间主应力条件的数值计算模型,开展了软岩巷道围岩破坏特征的中间主应力效应研究。结果表明:中间主应力的改变,使巷道开挖后的应力分布、表面位移与塑性区发育情况都呈现一定的阶段性特征,表现出明显的"区间效应"。现场监测数据及钻孔窥视表明,该模型能反映现场实际情况。