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。     

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。     

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。     

基于Lade-Duncan准则的巷道围岩抗力系数

基于Lade-Duncan屈服准则,合理考虑中主应力、剪胀特性以及塑性区真实弹性应变的综合影响,推导出巷道围岩抗力系数表达式。结果表明：与Mohr-Coulomb强度准则下的围岩抗力系数计算值对比,考虑中主应力影响的Lade-Duncan准则能充分发挥围岩的强度潜能,提高围岩抗力系数;剪胀特性对围岩抗力系数影响不可忽视,不考虑围岩剪胀特性,将高估巷道围岩抗力系数,设计偏危险;另外,假定塑性区的弹性应变为常数将高估围岩抗力系数,在围岩剪胀性较强时误差更明显,实际工程中应考虑围岩塑性区真实弹性应变。     

考虑应变软化及剪胀的井壁稳定统一解

基于统一强度理论和弹脆塑性软化模型,考虑岩石应变软化和剪胀特性,对井壁围岩进行弹塑性应力和位移分析,推导出井壁围岩缩径问题的弹性极限荷载、井眼压力和井壁位移统一解,并给出了井眼压力、井壁位移与塑性软化区半径之间的关系.进一步分析统一强度理论参数、应变软化特性参数和剪胀特性参数对统一解的影响,克服了以往基于Mohr-Coulomb强度准则或双剪强度理论的理想弹塑性解的不足,所得统一解可适用于不同强度理论的各类岩石材料的弹塑性分析.以井壁位移或变形作为控制条件的工程,不能不考虑剪胀的影响.     

基于三剪能量理论的巷道围岩弹塑性分析

针对弹塑性圆形巷道,应用三剪能量屈服准则,理论推导了塑性区半径、应力及径向位移公式,在塑性区半径公式的基础上,应用Mohr-Coulomb准则,进一步推导了破裂区应力及位移公式;通过具体算例,分析了不同影响因素对塑性区半径的影响。实例表明：原岩应力、黏聚力、支护反力、围岩应力对塑性区半径有一定影响。原岩应力及支护反力均随塑性区半径的增大而增大,但支护反力对塑性区半径的影响变化不大,当增大到一定程度时,半径将保持不变;黏聚力随塑性区半径的增大而降低;围岩应力随塑性区半径的增大而增大,当半径达到塑性区半径时,切向应力将保持不变,其值为原岩应力值,而径向应力在一定范围内仍将保持递增,但递增率减小,一直到原岩应力值;对比于单剪条件（Mohr-Coulomb准则）,得出了三剪能量准则条件下的巷道围岩弹塑性公式比Mohr-Coulomb准则条件更为准确的结论。     

硐室围岩塑性区的位移分析

为了进一步研究硐室受开挖影响围岩的力学性质对塑性区位移的影响,考虑岩体剪胀特性和塑性区的弹性变形,基于SMP屈服准则得到的塑性区位移的解析公式。探讨了硐室受开挖影响下内摩擦角的变化以及岩体的剪胀对塑性区位移的影响。     

考虑剪胀与中间主应力的被锚巷道围岩稳定性分析

为研究被锚巷道围岩稳定性,将锚杆的支护作用考虑成作用于锚固体两侧的一组夹紧力与强化了锚固体强度参数,综合考虑围岩剪胀特性与中间主应力效应,建立被锚圆巷弹塑性力学模型,推导出围岩的应力场与位移场解析解,求得围岩塑性区半径表达式。算例研究表明:随着中间主应力系数增大,塑性区半径、洞壁位移与锚杆轴力均减小,最大主应力峰值增大;随着剪胀角增大,塑性区半径稍有减小,最大主应力峰值稍有增大,洞壁位移与锚杆轴力急剧增大;影响因素最不利组合(b=0,ψ=30°)与影响因素最有利组合(b=1,ψ=0°)相比,塑性区半径增大了23.49%,最大主应力峰值变化很小,洞壁位移增大了76.20%,锚杆轴力增大了1.94倍。该结果在围岩稳定分析方面具有一定工程实用价值,也可为锚杆支护设计和优化提供一定理论基础。     

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。     

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。     

基于Drucker-Prager准则下的深部软岩巷道粘弹塑性分析

通过建立深部巷道的力学模型,针对深部软岩巷道的流变问题,利用德鲁克-普拉格强度准则作为岩石塑性屈服条件进行粘弹塑性解析,避免了以往使用库仑强度准则没有考虑中间主应力影响的缺点,用于更全面描述巷道围岩的屈服和塑性破坏.结合粘弹塑性流变模型进行粘弹性区和粘塑性区的应力、位移分析,并且考虑塑性区扩容效应,最终得出结论:粘塑性区的应力解比经典解大,巷道周边位移是一个随时间变化的量,若不及时支护,巷道将破坏.     

基于Drucker-Prager系列准则的矩形巷道塑性区宽度计算方法

基于不同屈服准则和应力平衡原理,运用DP系列屈服准则作为巷道围岩的塑性条件,推算出矩形巷道边帮的塑性区宽度的解析解,并分析了不同巷道宽度和屈服准则下的塑性区宽度的变形趋势,进一步分析了岩体内摩擦角与粘聚力对塑性区宽度的影响。结果表明,屈服准则的选取对于矩形巷道的塑性区宽度具有重要影响;相同巷道宽度下,DP1准则解最危险,DP4准则解最保守,DP3准则解DP2解准则解DP5准则解MC准则解,其中DP5准则解接近MC准则解,为巷道围岩塑性区提供了一种新算法。     

基于MC准则的DP系列准则的巷道围岩塑性分析

考虑不同屈服准则对塑性区的影响,以Mohr-Coulomb屈服准则和Drucker-Prager屈服准则作为巷道围岩的塑性条件,推算出巷道围岩塑性区半径和位移的解析解。研究表明,不同屈服准则对塑性区半径和位移的大小的分布均有重要影响;同时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Mohr-Coulomb准则解和Drucker-Prager系列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DP3准则解最大,DP1准则解最小,DP2准则解接近于Mohr-Coulomb准则解。     

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。     

软岩扩容性对巷道围岩特性曲线的影响

放弃了传统的围岩体积不变假设，采用非相关联塑性流动法则模拟软岩的塑性扩容特性，推导了一个新的塑性区位移理论解，并以该位移理论解为基础，分析了软岩巷道围岩的膨胀特性与扩容现象，详细讨论了软岩塑性膨胀对巷道围岩的位移分布规律和特性曲线的影响，得出软岩的膨胀性只对塑性区位移分布规律有影响，而与弹性区位移分布无关；巷道位移随膨胀角的增大而增大等重要结论．     

非均匀地应力场中巷道围岩塑性区分布的工程地质分析

考虑岩体的地质强度和受工程扰动程度,应用广义Hoek-Brown强度准则和弹塑性力学方法,对非均匀地应力场中的圆形巷道围岩塑性区进行分析,建立了与岩体地质强度指标(GSI)和开挖扰动程度(D)有关的塑性区边界线方程式。通过实例,分析了不同地质强度指标和工程扰动程度下的塑性区分布的形态,得出当岩石地质强度指标GSI值一定时,巷道围岩的塑性区范围随着工程扰动程度D的增大而增大;当扰动系统D的值一定时,巷道围岩的塑性区范围随着地质强度指标GIS的减小而增大。