三心圆拱断面隧道围岩黏弹性位移解及应用

基于弹性力学的复变函数方法和弹性-粘弹性对应原理,将物理平面(z平面)上三心圆拱断面隧道围岩区域映射到计算平面(ζ平面)上单位圆外域,并用2个应力函数表示围岩的应力、位移及其对应边界条件。考虑临近开挖面的空间影响效应,将其以应力释放率表示,运用幂级数解法、Laplace变换等手段给出了三心圆拱断面隧道围岩的粘弹性位移解析解,并与数值解对比验证了理论解的正确性。将该方法应用于杨林隧道,分析了围岩粘弹性变形规律,揭示了隧道开挖面推进速度、空间影响效应、侧压力系数对隧道围岩粘弹性位移的影响规律,对类似断面隧道围岩粘弹性变形分析具有普遍应用价值。     

基于应变非线性软化的圆形硐室围岩弹塑性分析

依据塑性力学全量理论,将岩体单轴压缩的非线性软化本构关系推广,得到复杂应力状态下圆形硐室围岩塑性区的等效应力与等效应变关系;籍以求得应变非线性软化的圆形硐室围岩塑性区半径、弹塑性区应力、应变和位移;进而求得相应情况下的硐室围岩平衡方程、地应力与硐室周边位移关系以及围岩压力方程。首次给出围岩弹性区承载力、塑性区承载力的表达式。     

考虑松动圈影响的引水隧洞应力及位移弹性分析

采用弹性力学理论,推导出圆形隧洞衬砌和围岩松动圈的应力及位移解析解,并以新疆某引水隧洞工程为背景,分析了平面应变、弹性情况下,衬砌及松动圈支护体内应力之差与位移分布规律,最终得出了一些有价值的结论。     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩三剪应力统一强度理论解

为了研究渗流、应变软化和扩容对巷道围岩稳定性的影响,首先根据三剪应力统一强度理论建立了平面应变状态下的屈服方程,将巷道围岩从外往内依次划分为弹性区、塑性软化区、破碎区,然后综合考虑渗流影响、应变软化、扩容以及塑性软化区和破碎区内弹性应变的2种情况,推导了各个区应力、位移以及塑性软化区和破碎区半径的三剪应力统一强度理论解...     

对轴对称荷载作用圆巷围岩理想弹塑性分析解的讨论

对轴对称荷载作用圆巷围岩理想弹塑性分析解——Kastner解适用于软岩和小变形情况,若用于非软岩和大变形情况,从Kastner方程会导得:不论巷道围岩塑性变形多大,巷道周边切应力恒等于岩体峰值强度;围岩所承受的地应力可以随围岩塑性区半径增大而持续增大,随巷道周边位移增大而持续增大;此外,Kastner解中切应力分布曲线在围岩弹、塑性区交界处有尖峰向上的应力集中.采用符合岩石实际的弹性、非线性硬化和软化光滑连接的应力-应变关系得到的巷道围岩分析解,可以弥补以上三点不足,恰当地反映巷道临界深度和巷道围岩自承地应力极限问题;所绘出的切应力分布曲线在围岩弹、塑性区交界处光滑连接,因而有更广的适用性和精确性,对巷、隧道围岩大变形支护设计有参考作用.     

压气储能内衬洞室的空气泄漏率及围岩力学响应估算方法

 为评价压气储能内衬洞室的密封性及围岩稳定性,提出一种估算洞室空气泄漏率和围岩应力、位移的方法。该方法以一种计算压气储能洞室温度和压力的简化解为基础,结合高分子材料气体渗透方程和多孔介质径向流方程,还采用无限大平板孔口问题的弹性力学解,通过迭代计算的方式求解出洞室空气泄漏率和围岩应力、位移。通过5个算例对迭代计算方法进行验证,结果表明：该方法可以较为准确地估算压气储能内衬洞室的空气泄漏率以及洞室围岩的应力、位移,并且便于在计算机中编程实现,计算速度优于数值模拟,可以直接应用在压气储能内衬洞室研究的初始阶段(如选址、初设阶段),也可与精细数值模拟的结果相互印证,为后续研究提供指导。     

基于广义kelvin模型的围岩粘弹性位移分析

假设围岩的流变性符合广义Kelvin粘弹性模型。已知轴对称圆形巷道围岩应力场和位移场的弹性理论解,利用准静态粘弹性-弹性理论之间的对应性原理分析了轴对称圆巷的粘弹性模型,从而得出了该模型的位移粘弹性解,并将该理论解应用到工程中,通过理论位移和实测位移的比较,发现该模型能很好地反映围岩的蠕变性质。     

圆巷开挖围岩偏应力应变能生成的分析解与图解

巷道开挖在围岩中产生偏应力,围岩应力是原岩应力与偏应力的叠加,偏应力或偏应力能控制岩体破坏。在假设静水压力和体积应变等于零条件下,利用文献[1]在弹性、非线性硬化和软化光滑连接的本构模型导得的圆巷围岩弹性、硬化和软化区光滑连接的应力分布表达式,用重积分计算了圆巷围岩弹性、硬化和软化区中的偏应力应变能U d,证明了Ud可以简捷地用地应力关于巷壁位移做一次积分再乘以巷壁周长得到。由此,可通过地应力–巷壁位移关系曲线及其所围面积的几何形式表示围岩偏应力能随巷壁位移变化的情况,此研究结果可以深化由于巷道开挖围岩的力学响应及挖成后巷道围岩工况规律的认识。     

基于应变非线性软化的衬砌压力隧洞弹塑性解析解

基于岩体应变非线性软化本构模型,考虑中间主应力的影响,对等压荷载作用下的衬砌压力隧洞进行弹塑性分析。将围岩划分为裂缝区、塑性区、弹性区,推导出了围岩裂缝区、塑性区、弹性区及衬砌内任一点的应力和位移解析计算公式,并得到了使衬砌边缘岩体开始产生塑性变形的临界内压力。所得到的解与基于理想弹塑性体的Kaster’s解相比,更接近实际隧洞围岩受力变形情况。     

非线性硬化与软化的巷道围岩应力分布与工况研究

采用摄动法得到接近岩体实际的弹性、应变非线性硬化和软化3段光滑连接的本构模型，求得静水压力下圆形巷（隧）道围岩塑性硬化区和软化区的应力分布规律。给出围岩平衡方程、地应力-硐室位移关系和围岩特征方程。分析中可自然导出围岩自承地应力上限概念。根据围岩平衡方程写出围岩弹性区、硬化区和软化区分担地应力的表达式。计算表明，围岩硬化区承载力ph大于弹性区承载力pe，软化区也有相当的承载能力。特别是所求得的切向应力σθ/p0-r/α曲线光滑连接，没有尖峰向上的应力集中，此结果与其他学者在巷（隧）道模拟试验中测得的σθ-r曲线形状一致，从理论上证明基于理想弹塑性本构模型的Kastener解在围岩软化区半径处的σθ-r曲线有尖峰向上的应力集中与实际不符。     

岩石在冲击载荷下的过应力本构模型研究

 采用分离式霍布金森压杆(SHPB)试验系统对深井软岩材料进行动态力学性能测试,测试的应力–应变曲线表现出显著的塑性变形特性。基于修正的过应力模型本构方程,根据 的变化量与应变率和应变之间的函数关系,采用量纲一化分析法对修正的过应力模型本构方程进行简化,得到简化的过应力模型本构方程;考虑动载作用下损伤对岩石动载强度的影响,将连续损伤理论和统计强度理论引入到简化的过应力模型本构方程,建立简化的损伤型过应力模型本构方程,使得本构模型方程适用于动态全程应力–应变曲线。采用简化的损伤型过应力模型本构方程对实测曲线进行曲线拟合,实测曲线和拟合曲线两者具有很好的一致性。     

岩石热黏弹塑性模型研究

 温度作用下岩石的本构行为研究对于深部资源开采、核废料地下处置、地热资源开发以及地下军事防护设施建设等岩石工程问题具有重要意义。以西原体模型为基础,引入热膨胀系数、黏性衰减系数和损伤变量,综合考虑温度对岩石弹性变形、黏性流动以及结构损伤的共同影响,建立岩石热黏弹塑性本构模型,推导考虑温度效应的岩石蠕变方程和卸载方程。研究结果表明,在应力低于屈服极限的情况下,模型初始变形较快,然后趋于稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度引起的黏性流动;在应力高于屈服极限的情况下,变形逐渐转化为不稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度和应力共同引起的黏性流动。该模型较全面反映了岩石在温度作用下的黏弹塑性和损伤性质,适用于温度和载荷作用下岩石流变与稳定性分析。     

基于损伤理论的隧道围岩松动圈确定方法

针对岩体的应变软化特性,基于双线性损伤模型和应力等效原理,推导了卸荷围岩应力状态的损伤理论解析解,进而分析了隧道开挖后围岩应力随径向距离的分布特点,从而将卸荷后的围岩分为四个区域,即完全损伤区、非完全损伤区、弹性区和原岩应力区.根据围岩的实际破坏特点,采用两种不同的方法对完全损伤区的应力解进行了修正.通过对隧道围岩应力...     

高应力软岩近距离巷道工程的掘进扰动与稳定性

针对高应力近距离巷道工程的开挖掘进及稳定性问题,进行了理论分析、数值计算及现场监测等一系列研究。首先,在某矿山深部巷道工程的地质与施工条件基础上,采用理论方法分析了掘进爆破扰动应力传播规律及其对邻近巷道或硐室围岩稳定性的影响,并给出了扰动波在岩体中的衰减方程。然后,根据相关理论,采用FLAC软件进行了一次爆破掘进长度和开挖工序等掘进方案的数值分析,结果表明：在动荷载（爆破掘进）作用下,由施工巷道开挖时所产生的变形会直接影响到邻近硐室或巷道周边岩体,应力释放区域较大；当一次爆破掘进长度较小时,由于整段巷道的扰动次数较多而会引起变形增大,但初始速度较小,则反之。最后,采用监测的方式,对施工巷道进行了开挖扰动分析,结果表明：相距为20 m左右的两条巷道,开挖爆破扰动程度较大区域在后掘巷道掘进工作面的前后10～20 m范围之内,而对本条巷道扰动程度较大范围一般距掘进工作面25 m左右；并按照扰动程度大小可分为破坏区、影响程度较大区和影响程度较小区,破坏区和影响区一般位于掘进面30 m以内。     

预应力锚索的非线性分析

首先，将预应力锚索锚固段离散化，并将预应力锚索体系分解成承受侧阻力荷载作用的岩土体部分及锚固段部分并分别加以研究：然后，基于Mindlin应力解及应力叠加原理计算岩土体内任意点处的应力分布，根据修正分层总和法计算预应力荷载下锚固段稳定岩土体内任意点处的变形值，根据锚索锚固段荷载传递特性来计算其变形量：最后，根据两者荷载、变形协调关系建立联立方程组，采用迭代法求解，可以获得各锚索锚固段的侧阻力分布及荷载、变形特性。     

基于隧道断面相对变形率判定围岩稳定性的研究

目前常用的判定围岩稳定性手段主要是监测隧道特征点或测线位移,但这种监测方法评价围岩稳定性存在诸多弊端。为此,本文从应变能角度对隧道围岩系统势函数进行理论分析。首先推导了围岩4个分区的应力、应变及位移表达式,进而分析各个分区的应变能,据此建立了隧道围岩系统势函数,并根据软岩破坏时的全应力应变曲线特征,确立隧道围岩系统势函数尖点突变模型,提出了定量评价围岩稳定性的理论依据。利用数值模拟手段,分析了不同荷载释放系数下隧道围岩特征点或测线位移、隧道围岩系统势能、隧道断面相对变形率3类指标变化规律。根据尖点突变模型,利用3类指标对围岩稳定性做出定量评价,并对3类指标下围岩破坏时的荷载释放系数进行对比分析,探讨了利用断面面积相对变形率指标判定围岩稳定性的可靠性。     

Rosenblueth方法在软破围岩锚喷支护系统评价中的应用

软破岩的特点是成分复杂 ,裂隙发育 ,含有膨胀性矿物。在软破岩中的巷道围岩的地压是变形压力 ,它首先表现为侧壁岩体鼓胀成楔形被挤出。这种现象与Rabcewicz提出的软岩剪切滑移理论基本吻合。对这类围岩最为有效的支护形式是锚喷支护 ,由于软破岩的特点和复杂性 ,其本身和锚喷支护结构的力学参数和失效机理存在不确定性。对这类地下结构的稳定性分析时最为合适的是采用能考虑不确定性的可靠度方法。在建立可靠度方程时 ,按照该类岩体的地压特点 ,将承载结构分成两个子结构 ,根据子结构变形特点和受力条件建立结构总体极限状态方程。由于总体极限状态方程是在圆形巷道的基础上建立的 ,因此在文中还给出了一般形状巷道转化为等代圆形巷道时其半径的四种计算方法。最后给出了一个工程算例。     

矩形巷道围岩应力分布及其破坏机理研究

将煤矿矩形巷道围岩的应力求解简化为弹性力学中的求解矩形孔口区域的应力问题.首先利用复变函数理论中的保角变换,求得矩形孔口向单位圆的映射函数,然后将其应用到弹性力学中的孔口应力问题的求解中,最终求得了方形孔口区域及矩形巷道围岩的弹性解析解.通过弹塑型理论提出矩形巷道围岩具有塑性滑动区、裂隙扩展区及围岩稳定区的“三区”理论...     

基于连续损伤理论的巷道围岩弹脆性损伤分析

考虑岩石的脆性损伤特性,引入非线性的岩石脆性损伤本构模型,将损伤演化方程从一维推广到三维,建立岩石损伤变量与脆性参数的关系。将圆形巷道围岩划分为损伤残余区、渐进损伤区和弹性区,采用弹脆性连续损伤理论,对巷道围岩损伤范围及应力进行求解。当巷道周边围岩只出现渐进损伤区时,推导出巷道围岩发生不同程度损伤的极限地应力及损伤半径;当巷道出现损伤残余区时,考虑围岩破坏后仍然具有残余承载能力的特点,推导出巷道围岩损伤区半径及围岩应力的表达式。通过算例分析了岩石损伤程度和脆性强弱对巷道围岩损伤半径及围岩应力场分布的影响,研究结果表明:岩石的脆性对损伤半径的影响跟损伤程度有关,岩石脆性越强,围岩切向应力的峰值越大;岩石损伤程度越大、损伤半径越大,切向应力峰值离巷道壁面越远。     

岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制研究

针对岩浆岩侵入区采掘期间冲击地压频繁发生的实际问题,运用理论分析、数值模拟以及工程实践等研究方法,研究岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制。主要结论如下:基于弹塑性理论推导出巨厚煤层巷道围岩应力分布计算公式,由此绘制应力分布等值线图,结果表明最大主应力方向、最大剪应力集中区位置均与煤层倾向相垂直,煤层倾角不能改变最大主应力和剪应力的集中程度,而侧压系数对最大主应力集中程度的影响较大。坚硬岩浆岩顶板在采空区上大面积悬顶导致其附近大面积煤体应力的整体升高,为冲击地压发生提供了静载荷;掘进施工诱发岩浆岩局部侵入带能量的瞬时释放,为冲击地压发生提供了动载荷;综上分析,建立岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压的力学模型,得出冲击发生判据,进而获得冲击地压发生机制。应用研究成果,较好地分析了矿井实际掘进巷道冲击地压的发生机制,并有效地指导了冲击地压防治实践。