圆形巷道围岩应变软化弹塑性分析

 岩土类材料广义上都呈应变软化力学行为,考虑峰后岩石应变软化过程中引起后继强度面收缩的特性,认为岩体在足够小的局部范围内材料特性保持不变,将后继破坏岩体分为多个塑性区,给出基于平面应变和Mohr- Coulomb准则的围岩准应变软化弹塑性应力解析式,并给出符合围岩后继强度和变形演变规律的各软化区半径求解方程组。洞室围岩变形特征曲线是地下工程支护设计的重要依据,考虑岩体破裂过程中变形参数不断劣化的特性,分析剪切模量劣化对围岩变形、软化半径及破裂半径的影响。最后通过算例对模型进行验证,计算结果可以对地下工程的优化支护设计及安全性评价提供理论依据。     

深埋圆形硐室围岩塑性形变压力的广义Hoek- Brown破坏准则解及其三元非线性回归模型

 研究侧压力系数l = 1时,以广义Hoek-Brown经验准则为屈服准则的深埋圆形硐室理想弹塑性围岩的塑性形变压力的闭合解。采用较易获得的围岩参数,分别建立最大塑性形变压力随相对初始应力和归一化地质强度指标变化的二元线性回归模型与相对塑性形变压力随相对初始应力、相对塑性区半径和归一化地质强度指标变化的三元非线性回归模型,为预测围岩塑性形变压力提供较为可靠的途径。     

考虑剪胀及软化的洞室围岩弹塑性分析的统一解

基于俞茂宏统一强度理论，考虑某些材料屈服后的强度衰减(塑性软化)和体积膨胀的特点，用弹性-塑性软化-塑性残余三线性应力-应变模型推导出了洞室围岩塑性残余区半径、塑性软化区半径、洞周边位移、围岩内任一点应力及围岩压力的解析表达式，给出了洞室围岩所处应力状态的判别式。得出的解答具有广泛意义，著名的Kastner公式、Airey公式和现有的一些结果为其特例。通过实例分析了剪胀、软化及不同强度模型对结果的影响。该结果在洞室围岩稳定性分析和加固等方面具有一定的工程实用价值。     

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。     

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。     

三维主应力条件下隧道应变软化围岩弹塑性解

为探究隧道在三维主应力作用下的围岩应变及位移,将塑性区内相等的径向应力增量划分为有限个相同数量的同心圆环,通过平衡微分方程和差分进化算法,利用三维H-B屈服准则确定每一环的应力。基于求解的应力和相关联流动法则可以获得塑性区的塑性应变及位移。将计算结果与有限元软件的数值模拟结果进行对比验证其可靠性。结果表明,笔者所建立的三维主应力条件下隧道应变软化围岩弹塑性解是一种可以同时求解3个主应力及位移数值解的新方法,且与数值模拟结果拟合良好,证明了该方法的可靠性与准确性。相对于二维平面应变假设,该方法更好地考虑了岩体三维主应力状态下的应力应变关系,对复杂岩层条件下的隧道围岩稳定性分析具有重要参考价值。     

地下硐室围岩应力状态及相关参数测量结果的分析与评价

在深埋及压力硐室工程中,采用水压致裂法测定围岩三维应力状态,宜首先判定围岩应力的分布状况。在具有应力松弛圈、应力集中区与不受开挖影响的正常应力分布域情况下,只有分别进行计算分析,才能更为真实地揭示出硐壁围岩的三维应力分布特征。对于确定压力硐室围岩自身承载能力的水力劈裂测试成果,只有结合裂隙性状、岩层结构状况等进行全面分析,才能准确评价围岩的抗载强度。由于在高压力作用下,岩体中存在的软弱结构面有可能被张裂或扩展,从而改变岩层的透水性,因此只有按照工程运行状态下围岩实际承受的压力进行高压压水测试,才能得到岩层透水性的可靠资料。     

大型硐室围岩监测方法及其在某水电站边坡硐室的成功应用

就某水电站边坡大型硐室群开挖监测问题提出了一种适合于大型硐室开挖过程监测的合理方法,并具体合格了这一方法的特点以及用此方法在该电站硐室群开挖监测过程中八次成功预报冒顶、塌方的成果。     

应变软化圆形硐室开挖问题的弹塑性分析

岩石的应变软化性质给地下硐室的施工及维护带来了一系列问题。为保证应变软化岩石中硐室围岩的安全和稳定,本文首先基于Mises屈服准则及岩体单轴压缩本构关系,得到了简化的岩体应变软化本构模型;再结合岩体流动法则,运用弹塑性理论,对圆形硐室在等压荷载条件下围岩各区应力与位移分布规律及围岩压力与硐周位移关系进行了研究,得到了围岩各区应力场、位移场及围岩压力与硐周位移关系的理论解答。     

应变软化围岩受轴向力作用的弹塑性解

为有效解决轴向力作用下应变软化岩体扩孔问题,以渝昆高铁云贵段的乐业隧道工程为依托,基于M-C和广义H-B屈服准则,考虑轴向应力的影响,提出了应变软化岩体扩孔问题弹塑性解。通过将塑性区按径向应力从内向外依次按照有限同心圆环进行划分,并基于平衡方程和屈服准则确定塑性区的应力和塑性半径,同时依据非关联的三维塑性势函数,可以得到圆孔扩张的弹塑性应变和位移。该计算方法不仅考虑了中主应力和轴向塑性应变的作用,而且可以进一步得到扩孔问题的极限扩孔压力、扩孔过程中应力和位移的变化及分布情况。最后通过简化方法,将该方法计算结果与Vesic的理论结果进行对比,验证了考虑轴向力作用下的应变软化岩体扩孔问题弹塑性解的合理性。     

基于莫尔–库仑准则的岩石峰后应变软化力学行为研究

 岩石类材料的应力–应变曲线关系分为峰值前区和峰值后区2个部分。在岩石应力–应变曲线峰前部分,一般将岩石视为弹性体,在此阶段采用线弹性本构关系;而在峰后部分,由于不能确定岩石的破坏形态和应力的跌落方式,其力学行为难以用经典理论来描述,因此确定岩石峰后模量的变化是研究岩石峰后力学行为的关键。基于莫尔–库仑强度准则,以内摩擦角?作为中间变量,通过理论推导,将峰后弹性模量 表征为应变 的函数,建立峰后岩体力学非线性应力–应变关系。通过数值算例得到大理岩在不同围压下的全应力–应变曲线,其数值计算结果与试验结果吻合较好,表明所提出的非线性本构模型是正确合理的,同时也表明该模型可以较好的描述不同围压下大理岩的峰后力学行为。     

红山窑膨胀岩的膨胀和软化特性及模型研究

以南京红山窑水利枢纽工程所提供的岩基红砂岩岩芯为例，采用MTS815．02型岩石刚性伺服试验系统和岩石膨胀测量仪，对风化红砂岩进行膨胀变形及力学特性试验研究。试验结果表明，红砂岩膨胀应变随吸水率增加而呈对数形增长。由于吸水率的变化，膨胀岩的弹性模量、泊松比和屈服极限等力学性能都将发生变化，即所谓软化现象，从而膨胀应力、塑性流动以及随湿度场而变化的屈服准则等都是相互耦合的。基于试验结果，提出考虑膨胀岩膨胀及软化特性的弹塑性本构模型。     

岩石应变软化模型在深埋隧洞数值分析中的应用

 随着地下洞室的大量兴建,且埋深越来越深,深埋地下洞室的开挖稳定性问题显得非常重要。针对深埋隧洞围岩特殊的力学特性表现,采用应变软化模型进行数值分析更为合适。首先,对深埋隧洞围岩力学特性和岩石应变软化模型进行简单分析,并且通过数值加载试验分析了Mohr-Coulomb弹塑性模型和应变软化模型计算得到岩石应力–应变关系之间的区别。然后,对简单圆形深埋隧洞进行数值分析,对比分析了Mohr-Coulomb弹塑性模型和应变软化模型计算结果之间的差别,分析主要针对围岩的变形、塑性区和安全系数。最后,采用应变软化模型对两家人水电站深埋地下洞室群进行计算分析,对该地下洞室群的开挖稳定性进行评价。计算结果表明,调压室主室两侧边墙和各洞室连接处的变形较大,较其他地方更危险,需要加强对调压室主室边墙和各洞室连接处的支护强度。     

软弱岩石峰后应变软化力学特性研究

 软弱岩石给采矿工程中巷道支护和维护带来一系列棘手的问题,深入研究软弱岩石受力变形、破坏的机制和规律,对于保证巷道围岩的安全和稳定具有十分重要的意义。通过对软弱泥岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的全应力–应变关系曲线,然后依据峰后岩石任意一点应力状态均满足Mohr-Coulomb极限破坏条件的假设,建立以广义黏聚力 和广义内摩擦角 两个状态参数来表征的软弱岩石后继屈服面模型。在此基础上,利用试验数据绘制岩石峰后不同软化状态时的几组莫尔应力圆,通过“切线法”得出莫尔强度包络线的拟合方程,进而确定出不同围压条件下的 和 值,并借助Matlab软件对广义黏聚力 、广义内摩擦角 与等效塑性剪切应变、围压之间的关系进行最小二乘曲面拟合,得出软弱岩石峰后力学参数的软化规律,结果表明：随着围压的增加,广义黏聚力 值呈快速增加的趋势,而广义内摩擦角 值则显著减小;广义黏聚力 受岩石软化程度的影响也十分明显,从岩石峰值状态到残余状态 值迅速降低,平均降低53.88%,而广义内摩擦角 值在该软化过程中则基本保持稳定。最后,将得到的广义黏聚力 和广义内摩擦角 的拟合方程嵌入到FLAC内置应变软化本构关系中,并利用FLAC3D软件对模型的正确性进行数值模拟验证,结果表明数值模拟曲线与试验曲线比较吻合。     

圆形巷道围岩变形破坏的连续–离散耦合分析

基于有限差分理论及颗粒流理论,以FLAC及PFC程序为实现平台,将颗粒体模型嵌入有限差分网格内部空域,采用fish语言编译连续元与离散元计算数据传输交换函数,建立二维平面应变圆形巷道连续–离散耦合分析模型,从宏–细观角度深入开展不同围压条件下圆形巷道围岩变形破坏机制的研究。研究表明:(1)在低围压条件下,巷道开挖围岩发生弹性变形。当水平围压与垂直围压相等,相同径向距离处的围岩变形量近似相等,均指向圆心。(2)在高围压条件下,当侧压系数K1,围岩破坏主要集中在巷道顶板、底板,当侧压系数K1,围岩破坏主要集中在巷道两帮。围岩破坏形态均呈"毡帽形",帽口朝向巷道中心。(3)在高围压条件下,随着围压不断提高,破裂总数逐渐增多,而破裂孕育扩展时间不断延长。当侧压系数K=1,围岩破坏表现出明显的分区破裂化现象。     

裂隙化岩体应变软化损伤本构模型探讨

首先,针对基于Lemaitre应变等价性假说之岩石损伤模型的局限性与不足,在深入探讨裂隙化岩体变形损伤机制的基础上,考虑裂隙化岩体受载后体积发生变化的影响,采用空隙率反映裂隙化岩体变形过程中的空隙或岩体体积变化,并通过裂隙化岩体微观受力分析,建立裂隙化岩体损伤模型;然后,通过深入研究裂隙化岩体有效应力与宏观名义应力的关系,并引进统计损伤理论,建立裂隙化岩体应变软化损伤统计本构模型,同时提出其参数确定方法,该模型能够充分反映裂隙化岩体的应变软化特性,尤其是能较好地模拟裂隙化岩体变形初期空隙的压密阶段,同时,模型参数确定无需通过非常规岩石力学试验,且参数物理意义明确,应用将较为方便;最后,通过与前人研究成果和实测结果的比较分析,表明该模型的合理性与可行性。     

岩石材料应变软化尺寸效应的实验和理论研究

采用同直径不同高度的砂岩试件进行岩石全程应力－应变试验，发现了砂岩的应变软化尺寸效应，即峰值强度后随着试件高度增加，岩石脆性增大。对这一试验结果，采用梯度塑性理论进行分析，理论解和试验值取得了较好的一致性。     

坚硬脆性岩体中圆形洞室岩爆破坏的平面应变模型试验研究

为了探讨圆形地下洞室围岩岩爆破坏过程与机制,以单轴抗压强度(σc)、脆性系数(K)与冲击能量指数(WB)为概化指标,通过物理模型材料的正交试验,选取合适的具有岩爆倾向性的坚硬脆性岩体物理模型材料,制作了尺寸为800mm×800mm×200mm(长×宽×厚)、中心为φ160mm的圆形洞室物理模型试件,并在岩土工程大型真三轴物理模型试验机上进行平面应变物理模型试验。试验结果表明:在保持物理模型试件水平荷载与垂直荷载相等并同步提高过程中,围岩由弹性状态进入塑性状态,σθ-(r/r0)曲线表现峰值后移,σr-(r/r0)曲线形状变化不明显。当对物理模型试件同步施加水平荷载Ph与垂直荷载Pv均为600kN时,洞壁出现葱皮状剥落。同步施加水平荷载Ph与垂直荷载Pv均为630kN时,围岩在极短的时间与极窄的加载区间内围绕洞壁出现大规模突发性破坏,继续同步施加Ph与Pv,在相对较长时间与荷载区间内,围岩应力调整,出现相对稳定期。