圆形巷道围岩变形压力新解法

将巷道围岩塑性区内的岩体视为塑性软化介质，以岩体的全应力─应变曲线后破坏段的应力值作为岩体的塑性软化强度，得到了关于巷道围岩塑性区半径和应力的一般解，适用于具有理想弹塑性、应变软化和应变硬化特征岩体中巷道变形压力的分析计算。由于本文力学模型中引入了岩体的全应力─应变曲线，很好地反映了岩体出现塑性变形后强度降低的特点，所以计算结果对工程实践具有指导价值。著名的Ｈ．Ｋａｓｔｎｅｒ公式可以看成是本文公式在岩体出现塑性变形后强度不变的条件下的一个特解。     

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.     

逆断层附近非均匀应力场声发射测试与巷道稳定性数值分析

由于断层带附近应力集中和围岩破碎严重给巷道断面布设和维护带来巨大安全隐患,需及时掌握断层附近地应力分布和围岩破裂形式及其对周边巷道稳定性影响。选取淮南某矿逆断层上、下盘进行试验,利用MTS试验系统配合声发射测试初始地应力场和岩石破裂方式,经ANSYS对比分析不同应力条件下逆断层附近巷道稳定性。经岩石力学试验发现,砂岩破坏后尺度较小、AE事件数较多,泥岩破坏后尺度较大、AE事件数较少。由地应力实测可知,逆断层附近以构造应力为主,上盘岩层挤压使得下盘总体受力偏大。开挖后巷道周边次生应力在一定范围内出现了应力跌落区,跌落区范围和围岩裂隙发育范围接近。同时,伴随着应力跌落的范围扩大、初始应力减小,岩层开始移动剧烈和围岩破裂范围扩大。由围岩塑性分布和岩层移动可知,调整后主应力有助于提高巷道稳定性。以上研究结果,以期为复杂埋藏环境下矿山巷道的布设和支护问题,提供一定的施工技术依据。     

非静水压巷道塑性区半径的复变函数实用解答与应用扩展

针对非静水压力作用下圆形巷道的非圆塑性区边界线求解,首先通过类比提出围岩弹性区应力的简洁复变函数,基于理想弹-塑性模型和Mohr-Coulomb准则并利用围岩弹塑性交界线处的应力连续条件,建立了巷道塑性区半径的复变函数实用解答,其次采用弹-脆-塑性模型和统一强度理论以考虑围岩强度的峰后脆性下降与中间主应力效应,推导了巷道塑性区半径的复变函数扩展解答,最后给出所得解答的适用条件,并与文献理论解答和实测结果进行对比。研究结果表明:所得复变函数实用解答具有显式解析表达和易于计算分析等优点,其正确性与精度得到文献摄动解和高精度复变函数解的充分性验证;所得扩展解答保留了原实用解答的所有优点,能合理描述围岩强度的峰后脆性下降与中间主应力效应而工程应用前景广阔,与深埋巷道实测松动圈吻合良好。     

不同水平应力下深部回采巷道围岩变形破坏特征

采用UDEC离散元程序,对不同水平应力埋深下的深部回采巷道围岩变形特征进行了分析。结果表明:侧向系数相同时,随巷道埋深逐渐增大,围岩塑性区范围及变形量都逐渐增大,但围岩塑性区在增长过程中存在突增现象,而巷道围岩变形量基本呈线性增长;当水平应力较大时,巷道围岩塑性区在垂直方向的发育范围较水平方向的范围大,需加强巷道顶板及底板的支护;当水平应力较小时,巷道围岩塑性区在水平方向的发育范围较垂直方向的范围大,需加强巷道两帮支护。     

不同水平应力下深部回采巷道围岩变形破坏特征

采用UDEC离散元程序,对不同水平应力埋深下的深部回采巷道围岩变形特征进行了分析。结果表明:侧向系数相同时,随巷道埋深逐渐增大,围岩塑性区范围及变形量都逐渐增大,但围岩塑性区在增长过程中存在突增现象,而巷道围岩变形量基本呈线性增长;当水平应力较大时,巷道围岩塑性区在垂直方向的发育范围较水平方向的范围大,需加强巷道顶板及底板的支护;当水平应力较小时,巷道围岩塑性区在水平方向的发育范围较垂直方向的范围大,需加强巷道两帮支护。     

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...     

考虑剪胀和软化的巷道围岩弹塑性分析

在应力跌落模型的基础上引进软化阈值,建立了弹塑脆性模型,模拟岩土材料的脆性软化性质。基于Mohr-Coulomb准则,考虑了岩土材料屈服后的塑性软化和体积膨胀,推导了圆形巷道围岩的软化区半径、塑性区半径、洞周位移及围岩内应力表达式,最后通过算例分析了剪胀、软化程度和弹模劣化对破裂区范围的影响,为巷道的稳定分析以及支护设计提供理论依据。     

FLAC3D应变软化与摩尔库伦模型工程应用对比

为探索能合理反映围岩应变软化特征的数值分析方法,设计了2组单轴数值实验,对摩尔库伦模型与应变软化模型进行对比分析,以得到不同本构条件下岩石的应力应变规律的差异;选取小官庄铁矿一段深埋巷道进行了数值模拟,分析了围岩在不同本构下的位移、塑性区的分布规律;基于FLAC3D内嵌的fish语言,编制了计算围岩点安全系数的程序,对不同本构模型下围岩的稳定性进行了评价。分析结果表明:应变软化模型得到的围岩竖向与水平位移均大于摩尔库伦模型下的对应结果,塑性区向直墙两侧与拱顶扩展更深。应变软化模型计算得到的围岩不稳定区域增大,表明巷道开挖对围岩扰动范围更大。应变软化模型的结果更接近于工程实际,更合适反映深埋工程的应力变形特性。     

巷道围岩失稳类型及失稳机理分析

巷道开挖后围岩应力重分布,极易发生失稳破坏。为保证井下生产安全、提高劳动生产效率,本文从工程的观点出发,基于巷道围岩失稳类型分析了影响围岩稳定性的主要因素,通过对巷道围岩应力的弹塑性分析推导出巷道开挖后围岩塑性区半径的表达式,并分析了各因素对塑性区范围的影响趋势和程度,为巷道支护设计提供参考。     

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。     

二向不等围压条件下考虑软化及剪胀的圆形隧洞弹塑性解

 基于弹塑性软化模型和非关联流动法则,考虑侧压力系数、极轴夹角和不同工况主应力对应关系,同时结合屈服后岩体的软化和剪胀特性,推导出圆形隧洞在二向不等压受力条件下洞周围岩的弹塑性应力、位移和塑性半径的解析解。实例分析表明,侧压力系数和主应力对应关系决定洞周塑性区的分布形状。剪胀对洞周位移的影响远大于对塑性半径的影响;剪胀程度的变化对洞周变形的影响随着围岩软化性质的增强而增大。在以洞周变形为控制的工程项目中,围岩软化和剪胀特性的影响不能忽视。     

复杂应力状态下岩土体的非共轴塑性流动理论

由于传统的弹塑性本构模型是基于二维或三维的共轴应力空间和正交流动法则得到的，从而隐含了应力主方向和塑性应变率主方向共轴的局限性，由此引入非共轴塑性流动理论描述岩土体的本构特性。基于三维共轴应力空间定义多维应力状态下的非共轴应变率，进而建立非共轴本构理论框架。理论分析表明，J．W．Rudnicki和J．R．Rice早期定义的非共轴塑性应变率是基于二维共轴应力空间得到的，由于忽略第三应力不变量的影响，在多维应力空间并不能保证其非共轴性。应力探测试验表明，在多维应力空间伴随着主应力的旋转将产生非共轴塑性应变，而在真三维应力状态下没有非共轴塑性应变产生，这与大量试验观察到的岩土体本构现象是一致的。     

渗流-应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究

基于连续介质大变形理论和损伤力学理论,将塑性损伤演化与渗流相互耦合的方法引入到Mohr-Coulomb准则,建立黏土岩弹塑性大变形渗流–应力耦合模型,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发。以比利时黏土岩核废料库工程为背景,在全面分析盾构施工影响围岩稳定性因素的基础上,建立反映施工质量的等代层模型,对不同施工质量时盾构掘进过程中围岩及开挖面的变形、孔隙压力及塑性区的演化规律进行数值模拟。计算结果表明,围岩变形在开挖面附近达到最大值,施工质量对围岩稳定性有明显的影响,施工质量越差,开挖扰动区的范围就越大,并且孔隙压力降低的幅度就越大。研究结果可为软岩隧道设计及施工提供参考。     

含衬砌圆形压力隧洞弹塑性新解

 研究含衬砌圆形压力隧洞的弹塑性问题。考虑地应力的释放和衬砌安装的时序，提出合理模拟隧洞修筑过程的力学模型。运用Muskhelishvili复势理论的级数展开技术，构造合适的复应力函数，利用边界上位移和力的连续性条件，通过等式两边同次幂指数的系数比较，将问题转化为线性方程组的求解，得到围岩和衬砌内的复应力函数表达式。基于Mohr-Coulomb屈服准则，且考虑衬砌内、外边界以及弹塑性区交界面上的边界条件，得到弹塑性交界面位于衬砌内，屈服条件中的第一主应力分别为径向应力和环向应力时的解答，经典的Fenner公式和Savin解答等许多已往解答，可以作为其特殊情况退化得到。     

煤矿深部岩体地应力特征及开挖扰动后围岩塑性区变化规律

 基于淮南5个煤矿区的水压致裂法地应力测量结果,揭示淮南煤矿区的地应力特征及其随岩性的变化规律,分析开挖后围岩应力特征及塑性区变化规律,初步得出如下结论：(1) 淮南5个煤矿区地应力以构造应力场为主,属高应力区;(2) 岩性对岩体地应力侧压系数影响大,砂岩区岩体地应力侧压系数为1.52～1.87,泥岩区岩体地应力侧压系数为1.08～1.18;(3) 岩性是影响围岩塑性区特征的重要因素。由于岩性的差异,最大主应力相近的潘一煤矿和顾桥煤矿南区围岩塑性区范围有较大差异。与此同时,刘庄煤矿实测部位最大水平主应力小于潘一煤矿,但由于矿区测试部位的岩性为灰泥岩,围岩塑性区范围明显大于岩性为石英砂岩的潘一煤矿。研究结果可为类似巷道围岩的变形破坏机制分析以及巷道加固支护提供参考。     

非饱和含黏砂土的弹塑性剪胀特性研究

通过引入能够较好反映非饱和土弹塑性变形特性的Barcelona模型并结合能够较好反映砂土剪胀特性的Lade模型,进行了3种不同应力路径的三轴试验,给出了能反映非饱和含黏砂土应力应变特性的非饱和弹塑性模型,并讨论了吸力和净围压对弹性应变、塑性应变、塑性功和屈服函数的影响。推导出了总体积变形的表达式,该式同试验结果变化规律符合较好,说明该理论适合于非饱和含黏砂土。同时,由试验数据可以得出含黏砂土的体变峰值点、剪胀特性同净围压和吸力的变化有密切的关系。     

关于圆形隧道卡斯特纳公式的讨论

隧道围岩的应力及变形是隧道力学中的基本问题,它直接影响到隧道的安全评价及施工支护措施。20世纪50年代提出的卡斯特纳公式,描述了圆形隧道的塑性区半径和塑性区的应力分布规律,公式已成为隧道力学分析的理论基础。以满足莫尔-库伦准则或Mises准则的理想弹塑性材料为例,按照塑性力学加卸载准则,证明了圆形隧道的开挖过程是加载过程,支护过程是卸载过程;对圆形隧道开挖和支护过程进行了弹塑性FLAC有限差分数值计算,同时针对外压和地应力均为0、内压值为支护应力的隧道进行弹性分析。结果表明,围岩的应力分布在开挖后与卡氏公式相符,但在支护后则与卡氏公式不符。弹塑性分析中,支护引起的围岩应力增量及位移增量分别与弹性分析中的应力和位移相同。因此在涉及塑性变形的隧道力学分析中,卡氏公式只适用于开挖阶段,不适用于支护阶段。     

横观各向同性岩石弹塑性耦合变形的试验研究

 层理状岩石的变形具有各向异性和弹塑性耦合的特点。推导出各向异性岩石弹性变形参数是塑性应变和加载角度的函数。在此基础上,设计并完成具有明显层理状结构的泥质板岩的三轴循环加卸载试验。试验结果表明：泥质板岩的视弹性模量随塑性应变的增大呈指数规律衰减,视泊松比随塑性应变的增大而增大。提出2个经验函数来分别描述视弹性模量、视泊松比与岩样轴向塑性应变、加载角度间的关系,并获得经验函数中相关参数值,据此绘制视弹性模量随加载角度和塑性应变变化的三维空间曲面图。弹性变形参数的各向异性程度随塑性应变的增大而降低。     

季节性寒区隧道围岩融化分析的一种解析计算方法

融化与冻胀是影响寒区隧道围岩稳定的重要因素,为分析季节性寒区隧道融化时围岩应力分布规律,建立了一种理论分析模型。该模型是在围岩先发生冻胀的基础上进行的,考虑了冻结围岩融化时体积的缩小和融化围岩在荷载作用下的压缩过程,即当冻结围岩融化时体积缩小,融化范围外侧的围岩将向隧道方向移动,并对融化围岩进行压缩变形,当达到平衡后又有一部分冻结围岩进入融化圈范围内,使得该部分冻结围岩再次融化,外侧围岩再次移动,融化围岩再次压缩,最后再次达到平衡,如此往复,直至整个系统稳定为止。为简化分析,认为所有过程均是一次完成,且冻结围岩融化时体积的缩小量近似等于围岩冻结时体积的膨胀量;而融化围岩的压缩过程是将融化围岩和衬砌看作一复合支护结构并进行受力压缩的过程。通过算例分析可知:冻结围岩融化后,衬砌中的最大主应力有所减小,融化范围内的围岩应力减小明显,而未融化范围内(冻结状态)围岩由于几何尺寸的变化使得环向应力有所增加;同时进一步分析了冻胀线应变、地应力以及融化半径对融化过程的影响规律。该融化分析模型较好的吻合现场的实际情况,对寒区隧道围岩融化研究具有一定的参考意义,能较好地指导寒区隧道设计。