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。     

基于最大周向应变的岩石复合型断裂准则解析与验证

为提高对线弹性材料复合型裂纹扩展预测的精确性,弥补常用的最大周向应力准则未考虑材料泊松比且无法区分平面应力与平面应变的缺陷,从应变角度出发,并考虑了非奇异应力项(T应力)在脆性断裂中的作用,建立了基于最大拉应变准则的线弹性材料裂纹扩展判别准则,研究T应力和泊松比对岩石裂纹扩展的影响。结果表明:裂纹倾角β45°时,裂纹起裂角预测结果随无量纲特征距离α的增大而增大;裂纹倾角β45°时,裂纹起裂角预测结果随α的增大而减小;考虑T应力的最大周向应变准则起裂角预测值与试验数据更加吻合,裂纹扩展受T应力和应力强度因子的共同作用,T应力和无量纲特征参数均对岩石裂纹断裂特性具有很大影响,采用考虑T应力的最大周向应变准则判断岩石裂纹的断裂特征能够弥补基于应力的裂纹扩展判别准则的不足。     

岩石(体)破坏广义统一强度理论

强度理论是深部空间利用及灾害防控的基础,鉴于深地空间的"三高"赋存环境及传统强度理论在深部岩体稳定性适用性方面存在着较大不足,迫切需要建立适应于深部岩体的强度理论。基于能量转化是物质物理过程的本质属性,从可释放应变能角度分析了已有扩容准则、强度准则及岩爆判据的物理涵义及其不足之处,借鉴由强度数据最佳拟合得到的经验性强度准则,通过引入变形参数建立了能体现深部岩体应变能高度积聚、岩体完整性、岩体弹性模量、震源释放应变能及支护结构抵抗能的半理论半经验的广义统一强度理论,针对深部岩体中扩容、屈服或破坏、弱岩爆、中等岩爆及高岩爆活动5个级别,提出4个分级界限值(0.9,1.0,1.2和1.9)。广义统一强度理论首次实现了以下3个方面统一:广义统一强度理论所表征物理涵义与岩体扩容、屈服或破坏及岩爆发生的内在机理的统一;实现了扩容准则、强度准则与岩爆判据表达式的统一,便于深部岩体数值模拟计算;将震源释放应变能与支护结构抵抗能统一于同一个表达式,实现了地震与非地震条件下深部岩体稳定性计算公式的统一,并从理论上得出地下工程震害较小的内在原因。利用已有的岩爆经典模型与广义统一强度理论,对国内外经典扩容应力...     

应变能学说的应变常数Oy探讨

在重载冲击频可逆转、受力复杂、难以计算确定的大型零件，采用静配合时，运用应变能学说的应变常数Oy，计算求得的过盈量比常规的要大，才能保证其可靠性。     

静动态加载下岩石结构破坏时的能量分析

设计了岩石孔洞结构试件，对其分别进行静态加载和动态冲击实验，对试件的破坏模式进行理论上的预估计，观察了破坏现象的差异.分别实测了结构的输入能与储存的可释放应变能，利用表面能的概念分析并计算了破坏过程中的耗散能；通过能量守恒原理对破碎后岩石颗粒的飞溅速度进行了初步估计，理论估计值与实验中通过高速摄像机所捕捉到的速度值基本吻合.     

裂纹顶端的扩展准则

在过去几十年里,断裂力学处理纯I型或Ⅱ型或Ⅲ型裂纹问题取得了巨大的成功。然而由于裂纹的方位不对称、荷载分布不对称等原凶,存工程结构分析中经常遇到的是复合形式。凶此,对复合型裂纹研究具有更为重要的理论意义和实用价值。预测和模拟复合型裂纹扩展行为时,必须确定一个描述裂纹扩展方向角及裂纹扩展的临界条件的有效的裂纹扩展准则,结合理论分析和实验观察,人们建立了几种复合型扩展准则,如最大周向正应力准则、能量释放准则、应变能密度准则、等应变能密度线上最大周向正应力准则和塑性区最小半径准则等。从裂纹扩展时能量的守恒和转换中知道,裂纹尖端塑性区的存在是材料抵抗断裂的重要因素,裂纹扩展所用的塑性功与材料的断裂韧性有密切的关系。已经知道,平面应变的塑性区远比平面应力条件下的塑性区要小,因而平面应变远较平面应力容易发生脆断。应变能密度表征着材料构件受力变形过程中贮存的能量。塑性区内及其方向的应变能在一定程度上反映了材料的抗断裂能力。基于这种情况和想法并结合屈服条件进行研究,本文在应用断裂理论和塑性力学理论对裂纹顶端分析的基础上,提出了塑性区内方向应变能裂纹的概念,并建立了基于此概念的裂纹扩展准则。     

一种基于应变能理论的加速蠕变本构模型

采用连续介质应变能理论分析蠕变宏观力学行为突变的过程,定义临界应变能密度值作为预测加速蠕变发生时刻的控制参数,采用西原正夫元件模型与Perzyna黏塑性理论相结合,考虑应力状态对加速蠕变的影响,用过屈服应力比函数反映加速阶段蠕变应变速率变化,建立了一种能描述蠕变3个阶段全过程的加速蠕变本构模型。该方法确定的加速蠕变时刻不仅能反映累积蠕变应变量的影响,而且能有效反映应力状态对加速蠕变的影响,为实现预测加速蠕变提供了可能,并且确定本构模型参数所需试验数量大大减少,为实际运用提供了方便。最后结合三轴蠕变试验,采用D-P屈服准则结合塑性流动法则,分析了不同流动法则对预测加速蠕变发生时刻的影响规律,数值模拟结果与试验数据基本吻合。     

双向加压下岩石能量规律的实验研究

在保持侧向压力基本稳定的条件下,对岩石试件进行了竖向反复加卸载直至破坏的双向压缩实验,得到了不同侧压及不同竖向压力下卸载的等效卸载弹性模量;对岩石试件还进行了双向同步加卸载直至破坏实验,得到了不同加载速度及不同双向压力下卸载的等效卸载弹性模量;两种实验都得到了破坏时的总吸收能、总耗散能和总可释放应变能。同时完成了方板中心圆孔岩石试件在不同加载速度下的双向压缩红外热成像实验。实验结果表明,加载速度越高,则试件表面平均温度越低;反之,亦然。     

岩石加荷破坏弹性能和耗散能演化特性

开展大理岩、灰岩和砂岩的常规三轴试验,研究岩石变形过程的能量非线性演化特征。结果表明:岩样屈服前外力功大部分转化为弹性应变能存储于岩样内部,耗散能增加的很少,屈服点后耗散能快速增加,弹性能增速变缓。岩石的极限存储能具有围压效应,随着围压增加,岩石破坏时的极限存储能逐渐增加。极限存储能还与岩石本身的性质有关,岩石的强度越高,脆性越强,极限存储能愈大。灰岩极限存储能最大,大理岩极限存储能次之,砂岩极限存储能最小。根据弹性能和耗散能的演化规律,构建了岩石变形破坏过程中弹性应变能的非线性演化模型,理论模型与3种岩石的试验结果吻合较好。     

煤层释放瓦斯膨胀能研究

针对煤与瓦斯突出危险性预测问题,对煤层释放瓦斯膨胀能进行了深入研究。根据瓦斯膨胀能基本计算方法,以煤层瓦斯流动压力场分布规律为基础,分别建立了煤壁释放瓦斯膨胀能和钻孔释放瓦斯膨胀能理论方程式;并应用 MATLAB 数值模拟软件,进一步对钻孔释放瓦斯膨胀能进行了分析计算。结果表明：钻孔释放瓦斯膨胀能在释放时间前3s内下降急聚,且该能量大小受煤层瓦斯压力影响最大,受透气性系数影响次之,受瓦斯含量系数影响最小。钻孔释放瓦斯膨胀能真实反映了实际煤层瞬间释放瓦斯的能力,矿井在煤层瓦斯压力测定时,通过实测钻孔释放瓦斯膨胀能,可以准确预测煤层突出危险性。     

基于多种判据和能量聚集的岩爆倾向性研究

岩石具有存储高应变能的能力、围岩具有聚集高应变能的环境是岩爆发生的两个必要条件。论文以三山岛金矿深部开采为研究背景,基于室内物理力学试验,采用脆性系数、线弹性能及冲击性能评价等三种判据指标对三山岛金矿深部赋存的主要岩石的岩爆冲击倾向性进行定性分析;然后依据FLAC3D数值模拟计算深部采场围岩的弹性应变能积聚与分布特征,以及采场围岩最大线弹性能圈定范围内的总能量;并依据地震学理论,对岩爆的地震级别进行定量预测。研究成果对深部开采设计优化,控制岩爆发生、保证高效安全开采具有重要的指导意义。     

基于应变能的岩石黏弹塑性损伤耦合蠕变本构模型及应用

在Perzyna黏弹塑性理论的基础上,引入基于应变能理论的岩石细观单元强度损伤模型,同时考虑岩石蠕变过程中蠕变速率随时间变化的特性,构建了能描述岩石从初始蠕变、稳定蠕变到非线性加速蠕变整个蠕变过程的细观黏弹塑性损伤耦合蠕变本构模型,并将该模型嵌入到三维弹塑性细胞自动机模拟系统(EPCA3D)中,通过实验数据验证该模型的正确性。应用该模型进行不同轴向应力、不同围压和不同均质度系数条件下的单、三轴压缩蠕变过程数值实验,结果表明:① 轴向应力提高增加了蠕变速率,因此减少了蠕变失效时间;② 围压和均质度系数的增加降低了蠕变速率并增加了蠕变失效时间,较好的再现了典型的实验现象。将该模型用于解释煤矿中“蠕变型”冲击地压的力学机理,较好的反映了煤矿巷道开挖后弹性应变能累积,围岩经历稳定蠕变和加速蠕变的损伤破坏过程,可为岩体工程的长期稳定性研究提供分析工具。     

应变速率和尺寸效应对岩石能量积聚与耗散影响的试验研究

岩石的变形破坏过程是能量积聚与耗散的过程,岩石变形破坏是能量驱动的结果。基于不同尺寸与应变速率下的岩石单轴压缩试验,计算了不同尺寸与应变速率下岩样吸收的总能量、弹性应变能及耗散能,研究了能量积聚与耗散的演化规律,分析了在岩样变形破坏不同阶段的能量分配规律,并从能量角度分析了岩样破裂失稳的原因。研究表明：在单轴压缩试验时,岩样变形各阶段的能量特征有所差异,岩样吸收的总能量U0与耗散能Ud曲线呈非线性增加趋势,弹性应变能Ue曲线呈先增加后减小的趋势。岩样的能量与其高径比呈负相关的关系,两者呈幂函数关系;而与应变速率呈正相关,两者呈对数关系。岩石高径比越小或应变速率越大,岩石强度越高,单位体积岩样所吸收的能量也越高,造成岩样的破碎程度越大。在压密与弹性阶段,基本上将吸收的能量全部转化为弹性应变能储存于岩样内,弹性应变能是能量分配的主体。在塑性阶段,虽然弹性应变能的数值增大,但其所占比率有所下降;而耗散能比率有所增加,耗散能逐渐成为能量分配的主体。在峰后破坏阶段,弹性应变能瞬间释放,岩样吸收的能量几乎全部转化为耗散能,被裂隙面滑移摩擦而耗散掉,在峰后破坏阶段耗散能是能量分配的主体。     

液体表面张力对混凝土断裂能及其应变软化的影响

为研究混凝土中水分含量及浸泡混凝土液体表面张力对混凝土断裂能的影响,通过切口梁三点弯曲试验测定混凝土的断裂能的方法对全干燥、半干燥、水浸泡和海水浸泡四组混凝土试件进行了测试,并用CONSOFT软件对试验曲线进行了拟合。试验表明混凝土随着所含水分的增加其断裂能减小;浸泡混凝土液体的表面张力越大,混凝土的表面能越小,其断裂能也越小。海水对混凝土断裂能的影响是最显著的。     

液体表面张力对混凝土断裂能及其应变软化的影响

为研究混凝土中水分含量及浸泡混凝土液体表面张力对混凝土断裂能的影响，通过切口梁三点弯曲试验测定混凝土的断裂能的方法对全干燥、半干燥、水浸泡和海水浸泡四组混凝土试件进行了测试，并用CONSOFT软件对试验曲线进行了拟合。试验表明混凝土随着所含水分的增加其断裂能减小；浸泡混凝土液体的表面张力越大，混凝土的表面能越小，其断裂能也越小。海水对混凝土断裂能的影响是最显著的。     

基于创新设计的液压系统节能探讨

应用创新设计理论 ,提出了液压系统节能的创新设计方法 ,并用来探讨液压系统的节能问题。     

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。