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。     

巷道围岩弹塑性解析解及工程应用

基于统一强度理论和非关联流动法则,合理考虑中间主应力、围岩塑性区弹性应变和剪胀特性等影响,建立了巷道围岩弹塑性应力和位移解析解。研究结果表明：中间主应力和围岩剪胀特性对围岩特征曲线和支护压力的影响显著,考虑中间主应力的影响能充分发挥围岩的强度潜能;不考虑塑性区体积变化所得支护压力较小,设计偏危险;巷道支护设计应考虑围岩剪胀特性的重要影响。     

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。     

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。     

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。     

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。     

岩体剪胀对巷道围岩塑性区位移的影响分析

为研究巷道围岩塑性区的力学性质,考虑岩体剪胀特性及巷道塑性区的弹性变形,采用H-B准则和非关联的流动准则对圆形巷道进行理论分析,通过在弹塑性交界处的应力连续条件,得到了塑性区半径和位移的H-B新解;结合算例分析了剪胀特性对围岩塑性区位移的影响,并与M-C准则解作对比。分析结果表明:岩体剪胀系数越小,M-C与H-B准则计算出的塑性区位移吻合度越好;随着剪胀系数的增大,吻合度下降,围岩塑性区的位移也会增大,在弹塑性交界处,文中H-B准则解在不同剪胀系数条件下塑性区位移相等,而M-C准则解不等,理论上证明了本文解的准确性。     

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。     

基于四阶段应力-应变模型的深部巷道围岩弹塑性分析

为分析巷道破裂区范围,基于统一强度准则和非关联流动法则,考虑中间主应力及扩容系数的影响,建立了深部巷道围岩弹性区-塑性区-软化区-破裂区四阶段应力-应变模型,并求得围岩应力、应变及变形的封闭解。结合工程案例,分析了不同强度参数、应力-应变模型、剪胀角、残余黏聚力等对围岩状态变化的影响。研究结果表明：强度参数对围岩应力、应变及峰后破坏范围均具有重要影响。随着强度参数的不断增加,围岩环向应力峰值及峰后破坏范围均不同程度增大,应力曲线左移;扩容系数与强度参数和剪胀角均成正相关关系;随着残余黏聚力的不断增加,围岩峰后破坏范围及表面位移均呈现出非线性减小特征,其减小速率不断降低;与其他应力-应变模型相比,围岩峰后破坏区位移呈现出EBM>EPBM>ESM>本文模型>EPM的变化特征。此外,随着峰后破坏区剪胀角的不断增加,其围岩表面位移也不同程度增加：破裂区剪胀角对其影响最为显著,软化区剪胀角次之,塑性区剪胀角影响最小。这些分析结果可为围岩稳定性分析及支护参数设计提供重要理论依据。     

考虑刚度和强度劣化时弱胶结软岩巷道围岩的弹塑性损伤分析

岩体内部微裂纹的存在及其扩展,会导致岩体产生刚度和强度劣化,使巷道围岩松动范围扩大。通过定义刚度劣化系数和强度劣化系数,考虑弱胶结软岩峰后应变软化和塑性扩容特性,采用损伤理论和三直线应变软化模型,建立了弱胶结软岩巷道围岩弹塑性流动损伤模型,推导了非均匀应力场下围岩分别产生弹性损伤区、塑性软化损伤区和塑性流动损伤区时的应力、位移解析解;探讨了鲁新煤矿弱胶结砂质泥岩巷道的原岩应力水平、刚度劣化、扩容梯度等对围岩的损伤演化及位移场、塑性圈的影响规律。结果表明,剪胀效应对围岩塑性圈的大小及应力响应影响不大,但对塑性区的损伤速度及位移影响很大;原岩应力水平对巷道塑性圈的分布具有显著影响;刚度和强度劣化系数的增大会加快围岩的劣化速度。这些因素在围岩稳定性分析及巷道支护设计中均应引起足够重视。     

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。     

考虑围岩峰后破坏的全锚锚杆受力特性

基于中性点理论,考虑围岩峰后剪胀效应及破坏形式,推导了瞬时稳态下全长锚固锚杆轴向正应力和剪应力表达式,系统性地分析了孔口处锚杆端头轴力和残余黏聚力、剪胀系数和应变软化系数对锚杆杆体轴向正应力、剪应力以及中性点位置的影响。研究结果表明:锚杆轴向正应力沿杆体内端点至外端点呈现出先增大后减小的变化特征,且应力曲线在弹性区与峰后破坏区呈现出明显的差异性;锚杆剪应力沿杆体内端点至外端点呈现先减小后增大的变化特征,且在弹塑性交界处的连续与否与围岩剪胀系数和剪切刚度密切相关;锚杆轴向正应力和剪应力均随着残余黏聚力的增大而减小,随着剪胀系数与应变软化系数的增大而增大;同时,锚杆杆体轴向正应力和外端点侧剪应力均随着孔口处锚杆端头轴力的增大而增大,内端点侧剪应力随着端头轴力的增大而减小。中性点位置随着残余黏聚力的增大呈现出先增大后减小的变化特征,当残余黏聚力大于某一临界值时中性点位于弹性区,反之,位于峰后破坏区;此外,中性点位置也随着剪胀系数、应变软化系数的增大而减小。     

考虑非线性脆性损伤和中间主应力影响的圆形巷道围岩分析

针对岩石的脆性破坏特征及峰后力学性能的劣化损伤,引入非线性脆性损伤本构模型,得到三维连续损伤演化方程。将圆形巷道围岩划分为松动破裂区、脆性损伤区、弹性区,考虑中间主应力的作用,采用统一强度准则和连续损伤力学方法,对巷道围岩力学状态进行极限平衡分析,推导出围岩损伤破裂半径及应力场分布的解析表达式。通过算例,分析了中间主应力、围岩脆性特征和损伤程度对理论解的影响。分析表明:中间主应力作用越大,围岩的损伤破裂半径越小,切向应力峰值距离巷道越近;脆性强弱对围岩应力分布的影响只局限在脆性损伤区内,围岩的脆性越强,损伤破裂半径越大,脆性损伤区内的切向应力随深度的增大而增大;围岩的残余强度越小,松动破裂程度越大,损伤破裂半径越大,切向应力峰值向围岩深部转移。     

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。     

考虑空间和锚固效应的硐室围岩弹塑性分析

为研究圆形硐室围岩在开挖-支护过程中的力学机制,根据围岩力学特征将围岩划分为弹性区、软化区及残余区,考虑围岩软化、扩容和空间、锚固效应,引入软化模量、扩容系数和剪胀角,推出了围岩弹塑性区应力、位移和范围的解析表达式。通过算例分析了不同因素对塑性区范围、应力和硐室周边位移的影响。结果表明:对于软化模量较大的围岩,锚固效应可有效地减小塑性区半径和位移;而考虑空间效应时,当开挖面到计算面的距离x值越小,围岩应力、位移越大,当x值大于10 m时,空间效应基本失效;锚固残余区扩容系数h3对硐室周边位移的影响大于锚固软化区扩容系数h2;根据不同长度锚杆支护下的硐室周边位移为支护结构围岩预留变形量设计提供了参考。