空心包体应变计地应力计算方法的探讨

为进一步改进和完善空心包体应变计的地应力计算方法,基于空心包体应变计所测应变值和原岩应力分量之间的关系,采用曲线拟合的最小二乘法,建立求解应力分量的正规方程组,推导出原岩应力分量的表达式;利用盛金公式求解应力状态方程,得到判断测点处地应力状态的总判别式及不同情况下主应力的计算公式;根据主应力方向余弦之间的几何关系,给出确定主应力所在卦限的方法,推导出主应力方位角和倾角的计算公式。据此利用LabVIEW编制地应力计算程序,对新城金矿三维地应力状态进行分析。结果显示:新城金矿地应力场以水平构造应力为主,最大水平主应力总体上为南东–北西向到近东西向。     

基于钻孔局部壁面应力解除法的深部页岩三维地应力计算方法

页岩气储层的地应力状态是评价页岩气可采性的重要指标之一。为了满足页岩气勘察的实际需要,在钻孔局部壁面应力解除法(BWSRM)的基础上,充分考虑各向异性、孔壁温度变化以及孔壁压力的影响,推导出适用于深部页岩的三维地应力计算方法,并通过算例分析上述因素对孔壁附近应力分布的影响。得到如下结论:(1)孔壁处应变和远场地应力之间的关系与多个力学参数以及热学参数有关,理论上需要得到不少于9个不同方向上的正应变数据并结合室内试验来确定测点附近的三维地应力状态;(2)孔壁压力以及孔壁温度改变会影响孔壁附近应力分布,影响范围为3~5倍钻孔半径。深部岩体力学以及热学上的各向异性也会影响深部地应力分布;(3)在使用BWSRM方法测量并计算深部岩体三维地应力过程中,必须考虑测试环境以及岩性条件的特点,否则无法得到正确的三维地应力场状态。     

孔内立体像对成像技术在孔壁崩落法地应力测量中的应用探讨

深钻孔中的孔壁崩落现象普遍存在,其崩落方向与最小水平主应力方向一致,形成了孔壁崩落法地应力测量的理论基础。讨论孔壁崩落法地应力测量原理,提出利用双锥面镜成像测量孔壁崩落形态的方法,通过孔内立体像对成像原理和像对图像解算方法研究,推导孔壁上任一点到钻孔中心轴的距离解算公式,为计算钻孔形态奠定了基础;研发以组合式双锥面镜为核心部件的立体像对成像装置,介绍孔内测试流程和数据分析流程,并结合具体算例,利用获取到的孔壁崩落数据计算深孔地应力;最后,针对孔内立体像对成像技术在孔壁崩落测量中可能遇到的问题进行讨论,给出孔壁上任一点与钻孔中心点的实际距离修正公式。研究结果表明:孔内立体像对成像技术突破了常规孔内摄像系统仅能获得二维孔壁图像的局限,利用获取到的钻孔任一深度孔形数据,实现了360°壁面形态的三维测量,包括孔壁崩落块体的三维形态测量,为孔壁崩落法地应力测量提供了新的技术手段。     

工作应力状态下岩体变形模量的研究

工程岩体力学参数的大小与围压有着密切的关系。对于工程实践而言,用于工程设计的岩体参数值,应该反映该岩体工程在工作应力状态下的性状。以原位载荷试验结果推测拱坝工作状态下受力岩体的变形模量为例,推导了以初始地应力表达的原位试验试样的围压公式和受力岩体在工作应力状态下的围压公式,建立了原位试验结果与围压之间的关系。并将这种根据原位试验结果推求受力岩体在工作应力状态下的变形模量的方法用于计算黄河2号水电站高拱坝坝基(肩)岩体的变形模量,其结果是合理的,可以用于工程设计实践中。     

应力解除时岩芯中的应力状态及饼状岩芯破裂成因分析

本文按空间问题模拟了钻孔、岩芯和钻孔周围的地应力,计算了五种不同水平地应力组合情况下应力解除后,岩芯中的应力状态和应力相对系数;分析了饼状岩芯破裂的成因;找出了容易使岩芯形成饼状破裂的地应力组合情况;推导出了各种组合情况饼状岩芯破裂的始点地应力和临界地应力公式,并与实测结果进行了比较。提出了划分高地应力界线的建议。     

三维地应力BWSRM测量新方法及其测井机器人在重大工程中的应用

地壳上层岩体的应力状态是地壳最重要的性质之一,获取岩体应力状态最直接、可靠的手段是原位地应力测量.首先简要回顾地应力测量的研究历程及其发展现状,分析岩石力学与工程中常用的几种地应力测量方法和技术.重点介绍钻孔局部壁面应力解除法(BWSRM)这一新的三维地应力测量方法的原理,以及基于BWSRM的地应力测井机器人研制过程和...     

应力空间内主应力和主方向的解析表达式的探讨

在塑性力学中,主应力和主方向是表征材料应力状态的量。在应力张量主值三角函数解的基础上,推导了应力空间内主应力和主方向的通用解析式公式。通过算例的计算结果表明,所推导的公式是正确的,为研究材料的应力状态提供一定的参考。     

基于声弹理论的地应力超声测量方法

首先描述岩石的声弹理论,给出岩石的应力与弹性波波速之间的理论关系;其次利用岩石应力与弹性波波速之间的理论关系提出地应力超声测量方法,即通过测量套孔应力解除前后的孔壁超声波波速的变化,利用声弹理论反演出地应力。通过数值算例讨论地应力对孔壁超声波速的影响,其结果表明,该方法可以有效地确定地应力的大小和方向。     

基于三向应力监测装置的地应力测量方法研究

地应力的大小和方向决定着地下煤岩体的形变及稳定性,研究地应力实时测量技术对于煤岩动力灾害监测具有重要意义。基于此,研发基于静水压原理的三向应力传感装置,对该装置的应力传感性能进行测试分析,并分析了三维地应力解算公式;在平顶山首山煤矿安装两套应力传感器,测量并求解测点的三维地应力大小及方向。研究结果表明:装置感应应力与实际加载应力呈线性对应关系,相关系数R=0.989 57,并且三向应力感应相互独立;首山一矿最大主应力为22.86 MPa,方位角为140°,倾角2°,地应力以水平应力为主,侧压系数为1.22,属于典型的构造应力场,实测结果与前人研究结果相吻合。研究表明该装置和方法能够较为准确的测量地应力大小及方向,测量方法简单便捷,具有工程应用前景。     

基于非线性有限元的膜结构初始形态设计

阐明了膜结构初始形态设计的内涵，论述了形和态之间的关系。根据非线性大位移理论，推导了膜结构的几何非线性有限元方程，在此基础上，给出了基于非线性有限元法的两种初始形态设计方法。数值算例表明，初始形态设计方法是有效、正确的。     

倾斜地层中斜井井孔的应力分析

井孔周边应力状态的确定是井孔稳定性分析的基础。基于横观各向同性介质的弹性理论,研究了计算层状地质材料中倾斜井孔周边应力分布的解析方法。考虑到地质材料中井孔的真实状态,井孔倾斜度、原地应力的方向和岩层平面倾斜度三者相互之间是任意的。采用广义平面应变假定,建立了斜井孔应力分析的力学模型。利用复变量应力函数的表示方法和井壁边界条件的Fourier变换,得到了斜井孔周围应力分布计算的解析公式。通过若干算例,计算分析了不同井孔倾斜角、不同地层各向同性面倾斜角对井孔周围应力分布的影响。     

基于有限变形理论的ANSYS几何非线性算法缺陷分析

基于有限变形理论对ANSYS定义的应变、应力与物体真实应力之间的关系、位形、不平衡力的几何非线性计算等方面进行了详细分析,并针对ANSYS中的杆件单元Link8和平面单元Plane42,通过算例计算结果与理论解的对比,指出了ANSYS几何非线性算法的不足,即在计算过程中没有考虑到应变、应力的共轭关系,只是一种近似的非线性计算.     

基坑开挖引起邻近管线变形的理论解析

基坑开挖将造成邻近地下预埋管线向基坑方向变形,针对此问题,采用弹性地基梁推导了管线的变形和内力解析式。传统的弹性地基梁模型中,在基坑开挖面施加卸载释放荷载,然后通过Mindlin解获取管线上的附加应力,详细分析了该法的不足,提出采用基坑开挖引起的土体附加变形作为弹性地基梁模型中的外部作用。分析了基坑一侧土体纵向变形适用的经验公式,并以此建立了弹性地基梁微分方程,给出了管线变形和内力的解析解,针对解析解的计算困难,进一步给出了加权残值解。考虑到实际工程为三维问题,推导了管线的扭矩求解公式,完善了弹性地基梁解答。     

考虑稠度状态时饱和粘性土自重应力计算方法

以自重应力作用下土的线弹性变形计算理论为基础，对3种不同状态土所涉及的2种变化过程中的应力、应变间关系作比较，推导出液性指数与有效重度间的关系式，并对公式进行分析、说明。     

高地应力软岩隧道围岩压力研究和围岩与支护结构相互作用机制分析

岩体开挖后受扰动而产生应力重分布过程极其复杂,尤其是在不良地质环境下更甚。对于地质条件差、地应力为高~极高的软弱围岩,其结构受力大小与受力特征对隧道结构安全尤为重要。针对目前研究中存在的问题,结合工程中出现的问题和实际需求,以高地应力软弱围岩条件下的关角隧道、木寨岭隧道等工程为背景,通过地应力现场实测、理论研究与数值分析,对高地应力软岩隧道围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制进行研究。主要进行以下几方面的研究工作:(1)在中国地应力场分布规律统计分析基础上,统计得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。(2)采用水压致裂法进行兰渝线天池坪隧道和两水隧道地应力现场实测。在此基础上,分析隧道所处的原始高地应力水平及隧道开挖后的地应力分布规律;采用改进的BP神经网络进行了木寨岭、天池坪等隧道的宏观地应力场拓展分析,获得地应力的宏观分布形态与特点。(3)针对现有本构关系,对高地应力软岩尚不具有广泛代表性和卡斯特耐尔公式无法直接计算出在塑性区范围不同发展过程对应的塑性形变压力的问题,以原岩应力和隧道容许位移(或支护后实际量测位移)为出发点,采用岩体软化"直–曲–直"模型,推导了隧道形变压力计算公式。(4)利用台阶法开挖中存在的空间效应和改进的BP人工神经网络模型预测位移以及多项式拟合预测方法,提出两类在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。通过在关角隧道和木寨岭隧道大战沟斜井高地应力软岩地段的应用,探讨其结构荷载与应力释放规律,其结果得到三维数值分析的验证。(5)为验证卡斯特耐尔扩展公式合理性,基于参数全过程变化的应变软化FLAC3D三维数值模型,模拟木寨岭隧道正洞高地应力软岩地段隧道开挖支护过程。三维数值结果与卡斯特耐尔扩展公式计算结果吻合,进一步证明该公式在高地应力软弱围岩条件下应用的可靠性、适用性。在统计青藏地区地应力分布规律基础上,结合现场实测和拓展分析,准确获得高地应力软岩隧道位置原始地应力,为研究围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制提供依据。在原始地应力基础上,结合理论分析和数值仿真,获得高地应力软岩隧道的围岩压力计算方法和围岩与支护结构相互作用机制。主要创新点体现以下4个方面:(1)统计分析得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。总结出青藏地区地应力分布规律与特点,为判别该区域地应力测试结果的合理性提供依据。(2)针对高地应力条件下软岩隧道大变形问题,引入岩体软化"直–曲–直"模型,推导出适用于高地应力软岩隧道基于原岩应力和隧道位移的隧道形变压力计算公式。(3)提出2种在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。(4)为在三维数值分析中反映软弱围岩参数随坑道变形而不断变化的特性,引入参数全过程变化的应变软化模型,利用FLAC3D软件验证卡斯特耐尔扩展公式应用于高地应力软岩隧道的可靠性和适用性。     

单榀张弦梁结构找形的简便算法

张弦梁结构(简称BSS)具有体系简单、充分发挥刚柔两种材料的优势等特点,在大跨度结构中得到了越来越广泛的应用。下弦索预应力值的确定和张弦梁零状态几何形态的解析解是求解常温荷载态下,以及高温荷载态下结构力学特征量解析解的基础。目前主要采用的做法是先行给定下弦索预应力值,然后通过数值模拟得到张弦梁零状态几何形态,但是,这种方法对结构设计人员可操作性不强。针对工程中常用的抛物线形张弦梁,通过对其预应力态下梁单元及索单元的微分平衡方程进行求解,以预应力态下张弦梁的几何形态为目标态,建立下弦索的预应力值与结构零状态几何函数间的关系,得出单榀张弦梁结构找形的简便计算方法。并将该方法的计算结果与基于有限元ANSYS软件模拟结果进行对比,误差不超过3%。结构工程师可以用这种简便计算方法设计零状态下张弦梁几何形态,从而得到满足建筑要求的抛物线形张弦梁几何形态。该方法的求解思路,也可为其它形状函数的张弦梁找形与分析提供参考。     

基于湿变量的膨胀土初始裂隙模型及影响因素分析

含水率变化时膨胀土湿胀干缩引起裂隙开展,裂隙的形态特征影响着膨胀土强度、渗透及变形性能。基于弹性力学理论,采用湿变量代替基质吸力来研究膨胀土的应力和变形特性,推导考虑湿变量的膨胀土湿变应力解析解;结合静力平衡条件和饱和土抗剪强度理论,建立基于湿变量的膨胀土初始裂隙模型,获得脱湿条件下膨胀土初始裂隙深度、间距和宽度的定量表达式;通过裂隙开展试验结果与模型计算结果对比分析,验证模型的合理性;最后对裂隙间距和宽度与土体弹性模量、收缩系数、湿变分布系数和凝聚力的关系进行了敏感性分析。     

不同变形状态下Euler梁温度应力

基于平面热弹性力学基本方程,引入位移势函数,分析了不同变形状态下Euler梁温度应力解析解,考察了不同类型变温函数对应力分布的影响。数值算例结果表明:当梁自由变形时,温度应力最小;当梁伸长、弯曲受限时,温度应力最大,且为负值。此结果为结构的设计提供了参考依据。     

一种岩体工程黏性流动变形预测的新方法

 为了对岩体工程的黏性流动变形进行预测,依据弹性问题位移分量的古萨(Goursat)表达式和弹–黏弹性比拟原理推导相对位移矢量增量公式,并建立变形预报模型,给出变形预报的方法步骤。该方法不是直接求出真实的时间、介质物性参数以及边界条件的值,而是求出一组组合值,通过相对位移矢量增量公式进行预测。无需复杂的应力边界和位移边界条件,能够考虑岩体介质的本构特征,实现长期的两维变形预报。然后将其应用到具有黏弹性解析解的边坡算例中,结果表明：短期预报的精度较高,误差小于10%,长期预报时误差约为23%。最后,结合边坡开挖讨论这一方法的工程适用性,为岩体工程黏性流动的长期两维变形预报提供理论基础和实用方法。     

基于挠度的体外预应力梁应力增量统一算法

体外预应力筋应力增量的计算,是体外预应力结构在两种极限状态设计中的关键问题之一.由结构变形前后的几何关系,推导弹性阶段体外预应力筋应力增量的计算公式,并以此建立力筋应力增量与梁体跨中挠度的关系,进一步延伸到承载力极限状态力筋应力增量的计算,使体内、体外无黏结预应力筋在两种极限状态下应力增量的计算得到统一.公式考虑组合荷载作用的情况,并反映二次效应的影响.在以上推导的基础上,建立极限状态下应力增量计算的实用方法,方便工程应用;对美国学者Naaman所提出的黏结折减系数法进行改进,从理论上推导极限状态下的黏结折减系数;从减小二次效应的角度,对转向块的布置位置进行优化.最后,应用该方法与围内外3批试验进行对比,计算结果与试验结果吻合良好.