非线性弹性弱化脆性材料井孔周围的应力

假设材料为非线性弹性弱化脆性材料,采用幂率形式的强度准则,使用逐步递进的计算方法,得到了井孔周围的应力分布。     

巷道围岩顶板掘巷应力转移理论的研究

针对有关巷道围岩顶板掘巷应力转移理论,在理论上提出了用椭圆孔的应力计算来近似.并对椭圆孔的平面问题,通过复变函数计算,给出了卸压孔周围较大范围围岩应力分布的理论计算公式,通过这些公式可以比较方便的进行围岩应力分布的计算.结合数值模拟对比发现椭圆孔口模型假设合理,其理论解析计算所给出围岩应力理论计算公式较为可信.卸压孔对侧向压力的降低效果不太明显;而对垂直压力的降低效果显著,可根据实际需要改变卸压孔的尺寸来控制对垂直应力降低的效果.结合工程地质条件,运用大型数值模拟软件ABAQUS建立计算模型对顶板掘巷的卸压过程进行模拟.     

单箱多室预应力连续梁桥横梁人孔的受力分析

单箱多室截面的预应力混凝土连续梁桥,由于多道腹板的影响,横梁的剪力分布范围较大,在横梁上设置人孔将对梁体形成削弱,引起明显的应力集中,影响结构安全,故一般须对人孔周围进行加强配筋设计。鉴于预应力混凝土横梁开洞的复杂应力状态,通过对一座单箱双室截面的预应力混凝土连续梁桥设置人孔的中横梁的分析,运用空间有限元模型计算了预应力横梁孔洞周边的应力情况,为人孔的配筋设计提供依据。     

采动底板横观各向同性岩体应力解析解

针对采动煤层底板应力计算中将底板层状岩体视为各向同性介质这一问题,通过把横观各向同性弹性理论引入到采动煤层底板应力解析解中,根据开采煤层上覆载荷分布特点,利用半无限横观各向同性弹性体表面受垂直集中力作用的应力分量计算公式,推导出采动横观各向同性底板中的附加应力解析解,并与FLAC^3D数值解进行对比验证。在此基础上,分析了横观各向同性底板与各向同性底板中的附加应力在水平方向上的变化规律。算例显示,在煤层底板同深度下,横观各向同性底板垂直附加应力在采空区的卸载程度要小于各向同性底板,而水平附加应力则与之相反;在工作面两侧的底板中的垂直附加应力与水平附加应力的集中程度横观各向同性底板皆小于各向同性底板;横观各向同性底板的附加剪应力要小于各向同性底板。当底板为横观各向同性岩体,按各向同性岩体计算其应力分布是不合理的,需作必要的修正。     

考虑土体各向异性的沉桩数值模拟

根据已有的平面应变试验数据,拟合得到了内摩擦角的各向异性变化曲线以及剪胀角与围压、相对密度的关系,并基于此来模拟在各向异性土中的沉桩过程。分析了沉桩过程中桩周土体的位移、应力、主应力及塑性区分布情况,并和土体各向同性条件下的模拟结果进行了比较。结果表明:沉桩结束后,桩身周围土体处于屈服状态,远离桩身的土体处于弹性状态;桩身周围土体位移向上,具有明显的挤土效应;只有小部分土体的滑动摩擦角达到了峰值内摩擦角,绝大部分土体的滑动摩擦角都小于峰值内摩擦角;土各向异性条件下的模拟结果与各向同性条件下具有一定差异,土各向异性条件下得到的竖直位移、竖直应力和水平应力相对于各向同性整体上较小。     

考虑中间主应力的横观各向同性深埋圆隧弹塑性解

平面应变条件下的深埋圆形交通隧道问题一般忽略中间主应力影响,但塑性区围岩的变形与实际情况会产生较大差异。岩土与地下工程中多遇到层状岩体,常将其处理为横观各向同性固体材料。充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,基于平面应变假设得出了与横观各向同性材料相适应的Drucker-Prager准则并将其与Mohr-Coulomb准则精确匹配,在此基础上推导了考虑剪胀特性的横观各向同性理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式;根据所得的中间主应力表达式,推导出横观各向同性深埋圆形隧道围岩塑性区应力位移解析式;结合实际算例,分析了横观各向同性参数与围岩剪胀角对横观各向同性深埋圆形公路隧道围岩塑性区位移的影响规律。为深埋圆形交通隧道的计算和设计提供更为合理的理论基础。     

考虑孔隙流体压缩性的土体平面应变固结 半解析数值分析

针对 Biot 固结基本方程的特点,在构建满足边界条件的位移和超静孔压试探函数的基础上,由 Galerkin 法 建立了考虑孔隙流体可压缩性渗透 各向异性 层状 土体中平面应变固结问题的半解析数值求解格式,并利用三角函数系的正交性实现了加权余量方程按不同级数项的解耦。在此基础上,编制相应计算程序实现了半解析数值方程的求解。通过算例对比分析验证了半解析数值方法的正确性,并说明了其处理渗透各向同性、孔隙流体可压缩性和土体层状的能力。     

基于ANSYS的带孔钢板应力分析

对带孔钢板进行了有限元分析。通过ANSYS路径操作,分析了小孔周边应力、变形沿路径分布状态及变化规律,得出小孔周边应力集中的情况,为钢板的加工制作、质量控制及工程应用提供了可借鉴的方法。     

基于ANSYS的带孔钢板应力分析

对带孔钢板进行了有限元分析。通过ANSYS路径操作,分析了小孔周边应力、变形沿路径分布状态及变化规律,得出小孔周边应力集中的情况,为钢板的加工制作、质量控制及工程应用提供了可借鉴的方法。     

陇东非饱和黄土扩孔问题的排水弹塑性大变形解析

将孔周围的土体应力分布分为两个区域,结合陇东非饱和黄土黏聚力与基质吸力的关系,在弹性区采用小变形理论,在塑性区采用大变形理论和一般强度准则。考虑大变形与排水条件,根据应力平衡方程、应力-应变连续边界条件推导出非饱和黄土扩孔问题的塑性区半径、极限扩孔压力的理论解及孔周围土体的应力-应变分布规律,并采用MATLAB对理论解进行参数分析,最后结合Vesic解析解及工程算例进行论证。结果表明:排水条件下,不同屈服准则对应的计算值均不同,现场实测值在计算范围之内。其中以SMP准则计算的理论值与实测值较为接近,采用Lade-Duncan准则计算的理论值偏大,采用Mohr-Coulomb准则计算的理论值偏小。     

基于围岩本体Mogi-Coulomb强度准则的层理性岩层斜井井壁稳定模型

 层理性地层中进行大斜度井施工的井壁失稳问题较为突出,在传统井壁稳定模型基础上,以弱面对岩石强度的弱化作用实验为依据,引入欧拉变换充分考虑三维地应力方向的任意性,利用Mogi-Coulomb准则强化中主应力对围岩本体强度的影响,结合单弱面强度准则建立分析层理性地层斜井井壁稳定问题的模型,并进一步给出计算斜井坍塌压力与破裂压力的方法与公式。实验与计算结果表明：当加载方向与弱面夹角为30°时岩石强度最低;Mogi-Coulomb准则因考虑了中主应力的影响而对围岩本体强度的估计更为有效;考虑层理弱面影响的井壁坍塌破坏区域明显增大,破坏位置也发生改变;取得最小坍塌压力值的钻井方向在空间中与层理面并非简单的垂直关系;空间中关于地应力主平面对称的井孔破裂压力相同。利用所建模型进行安全泥浆压力窗口的计算可为安全钻井以及斜井轨迹设计提供理论依据。     

Spannungsermittlung punktgelagerter Verglasungen unter Beanspruchung in Scheibenebene

Determination of the stress distribution of point supported glass structures under in‐plane loads. In this article a method for the determination of the stress distribution of point supported glass structures under the application of in‐plane loads is presented. To specify and calculate the load bearing of bolted connections in glass panels exact knowledge of the contact mechanisms and the parameters which influence the stress distribution around the hole is necessary. Due to the complex determination of the stress distribution mostly the structural safety is verified by full‐scale tests so far. An alternative is the numerical verification by finite element analysis (FEA). But therefore adequate program verifications are necessary. At first an approach for verifying the numerical model with an analytical solution is developed. To determine relevant results for design the verified FE‐model is used to examine the influences of different parameters on the stress distribution around the hole.     

单轴受压煤岩声发射特征的层理效应试验研究

层理对煤岩体宏、细观力学性质都有重要影响。为探究不同层理方向煤岩体的损伤演化规律及变形破坏中的声发射特征,分轴向平行层理和轴向垂直层理2种情况进行煤岩制样,采用MTS815岩石力学试验系统和PAC声发射仪,开展单轴加载条件下破坏全过程的声发射(AE)试验研究,揭示煤岩AE时序参数、能量释放规律、空间演化特征和AE振幅分布的层理效应。研究表明:相对于轴向垂直层理煤岩,轴向平行层理煤岩在整个受力过程中AE振铃计数和能量释放更强,但单位时间的AE振铃数和能量释放更平缓,轴向垂直层理煤岩呈现急剧猛烈的能量释放特征;轴向平行层理煤岩中,一定规模的AE事件在更低应力水平就会产生,其AE空间分布更加均匀,无轴向垂直层理煤岩的成核现象;在变形破坏全过程中,轴向平行层理煤岩AE振幅分布变化幅度较小,其b值更大,大尺度AE事件比例更低。研究成果在一定程度上反映了煤矿开采过程中工作面和上覆煤岩的层理方向对其声发射特征的影响,可对现场声发射监测围岩破坏情况提供借鉴和参考。     

抽采长度对煤层气开采效果的影响分析

 运用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展三维应力状态下煤层气开采物理模拟试验,分析不同抽采长度条件下煤储层内气体压力参数的动态演化规律。研究表明：不同抽采长度条件下,气体压力都是从钻孔中心周围开始下降的;抽采前期气体压力下降显著,随着抽采时间的延伸,各测点气体压力值变化速率减小;随着抽采长度的增加,气体压力梯度较大的区域明显扩大,同时会提高瓦斯的解吸速率,抽采效率提高。抽采断面上的等压线则以钻孔为中心,呈圆环状分布,气体主要是汇流至抽采钻孔,层面流场中等压线则以钻孔为对称轴呈漏斗形分布。抽采长度对突出危险消除区域出现时间影响不大,但随抽采长度增加,消除突出危险性所需时间减少;由于应力集中区应力大、解吸速率慢,消除突出危险性抽采所需时间较其他区长。研究成果可为现场合理布置抽采钻孔,提高抽采效率以及确定合理的抽采时间提供一定的理论依据。     

中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性影响的试验研究

 为探讨中间主应力与层理方向对页岩力学和渗透特性的影响,运用自主研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,以含气页岩为研究对象,进行真三轴应力条件下不同中间主应力加卸载试验。研究结果表明：中间主应力对页岩渗透率的影响在中间主应力垂直于层理面时最大,最小主应力垂直于层理面时次之,最大主应力垂直于层理面时最小;当中间主应力垂直于层理面或平行于层理面时,中间主应力与渗透率呈负相关。中间主应力垂直于层理面时渗透率对中间主应力的敏感性明显大于中间主应力平行于层理面时的敏感性,二者相差1～2个数量级;此外,定义损伤变量D表达式,发现加载过程中损伤变量–中间主应力曲线斜率变化不大,而在卸载过程中斜率变化明显,中间主应力垂直于层理面时损伤变量全程大于中间主应力平行于层理面时的损伤变量。     

Hydraulic conductivity changes and influencing factors in longwall overburden determined by slug tests in gob gas ventholes

This study presents the results of core-log analyses from the exploration boreholes, the analyses of face advance rates, and the results of downhole monitoring studies performed in gob gas ventholes for calculation of changes in hydraulic properties in the longwall overburden at a mine site in southwestern (SW) Pennsylvania section of Northern Appalachian Basin. In the first part of the study, coal measure rocks in overburden strata were analyzed and the locations where possible fractures and bedding plane separations would occur were evaluated. In the second part, the hydraulic conductivities were computed by two different slug test analyses methods using the water level changes measured in gob gas ventholes as longwall face approached. Hydraulic conductivities were analyzed with respect to the changes in overburden depth, the locations of the borehole, and mine face advance rates. These data were used to interpret the potential productivities of the gob gas ventholes as a result of fracturing and changes in hydraulic conductivities.The general results showed that the probability of fracturing and bedding plane separations in the overburden increase between strong and weak rock interfaces. Also, the probability of bedding plane separations increases as the interface is close to the extracted coal seam. Evaluation of slug tests showed that the hydraulic conductivity developments in the boreholes and their potential production performances are affected by the underground strata and the roof materials. In situations where the roof material is stiff and thick, the development of high permeability fractures around the borehole will be less. Results also indicated that borehole location with respect to face position affects the fracturing time and permeability evolution as well. Greater overburden depths generally cause earlier fracturing as longwall face approaches, but eventually result in lower hydraulic conductivities and potentially less effective boreholes. Increasing mining rates also resulted in generally lower hydraulic conductivities in the overburden. The results of this study were intended to improve the interpretation of gob gas venthole performance and to provide better siting of these boreholes.     

Finite element formulation and application of poroelastic generalized plane strain problems

A generalized plane strain finite element is developed for the analysis of poroelasticity problems. The validity and accuracy of the special element is demonstrated by analyzing inclined borehole problems in isotropic and transversely isotropic poroelastic materials. For the former, comparison is made with an analytical solution and the latter, with a three-dimensional finite element solution. A substantial reduction in computational effort is realized for the generalized plane strain finite element, as compared to the three-dimensional finite element. This is achieved without sacrificing the accuracy and the ability to account for the three-dimensional material anisotropy and far field stress components.     

基于特征滑动面的横观各向同性土强度特性研究

滑动面的概念旨在基于材料内摩擦,从几何与物理机制的角度来理解土体破坏的机理。基于特征应力的概念,提出了二维应力条件下特征滑动面,并推导得出特征滑动面与应力Mohr圆相对应的破坏应力条件。基于现有对横观各向同性土体强度特性的认识,并结合大主应力、沉积面法线以及特征滑动面法线之间的相对位置关系,将微观结构张量投影到特征滑动面与沉积面的相对位置向量上,推导得出横观各向同性土体的特征强度参数及其破坏条件。利用所提破坏条件对横观各向同性土体的强度方向性效应进行分析,并对照分析了沉积面法线与滑动面法线夹角ζ和沉积面法线与大主应力夹角δ对破坏条件的影响规律。更进一步利用开发的真三轴仪器的制样模具,并结合冷冻法,制作不同沉积面角度的试样并进行了真三轴试验。利用试验结果与文献中试验数据对所提破坏条件进行对比分析,验证了文中对横观各向同性土体强度特性的新认识。     

采用孔隙热弹性模型分析页岩井眼失稳规律

基于多孔介质连续力学,考虑各向异性页岩的热流固耦合作用,建立了各向异性多孔介质孔隙热弹性力学基本方程和页岩地层井眼稳定分析数学模型,采用MATLAB软件编制了数值求解程序,分析了流固耦合、热固耦合、热流固耦合三种不同耦合模式下井周孔隙压力、地层温度、应力分布和井眼稳定性随时间变化的特征。结果表明:数值解与解析解计算结果吻合较好(误差仅0.028%),实例井井眼扩径率计算结果与实际情况基本吻合,验证了本文模型和方法的正确性;温度和孔隙压力的改变对井周应力分布影响较大,地层温度降低、井内压力增加有利于井眼稳定,孔隙压力升高不利于井眼稳定;页岩地层井眼稳定性具有显著的时变效应,随着钻开地层时间的增加,井眼不稳定区域和井眼扩径率逐级变大。孔隙热弹性力学分析方法可用于分析不同时间的井眼失稳规律,可为解决页岩井眼失稳问题提供更加科学的计算手段和方法。     

中部“砥柱”锁固平面旋转切向层状岩质滑坡启动力学机理与稳定性判据

中部“砥柱”锁固平面旋转滑坡,是切向层状岩质斜坡在特殊的边界条件控制下,发生渐进性变形而形成的。其主要特征是：在平面上,滑体中部的潜在滑床面部位,岩层抗剪强度较高,出现坡体变形的相对锁固段：而由滑体中部向周围边界,坡体变形逐渐增大。且变形岩体围绕着滑体的中部呈现出平面旋转变形之趋势。引起滑坡平面旋转的根本原因是滑体在变形时,其所受诸力的合力不通过滑体重心,从而产生了使滑体发生旋转的力矩。其变形与破坏模式可以概化为：在自重力、滑床摩擦力、滑床锁固段阻力和滑体周围边界处围岩切层阻力的共同作用下,圆环状岩块(岩板)所发生的平面旋转变形以及临界状态下“锁固段”的旋转破坏问题。基于弹性力学的平面应力问题,分析了圆环状岩块的旋转应力场：并应用极限平衡方法,分析了旋转滑坡下滑失稳的启动条件和旋转滑动的力学机理,建立了滑坡稳定性的判据。