巷道顶板力学模型与围岩失稳机理分析

建立了锚杆锚固因素和水平地应力因素的巷道顶板力学模型,基于此模型提出了巷道失稳宽度Bmax的确定方法。首先推导出力学模型的基本方程,并通过Maple符号演算解算出方程的解析式,就Bmax的力学意义探讨了围岩的失稳机理。最后以东滩矿1305轨道回风巷作为算例,得出结论:当该巷道开挖宽度超出4.6 m围岩将产生明显的失稳现象,此后需预防冒顶事故的发生并采取合理的加强支护措施。     

基于下加载面概念的饱和黏土温度–应力耦合弹塑性模型

温度对黏土力学特性具有重要影响,温度变化将引起黏土的体积变形发生变化,并对其前期固结应力、剪切强度、弹性模量等具有重要影响。基于黏土"热陷"特性,引入热屈服面以描述不同超固结比的黏土在温度升高时所产生的塑性变形,并进一步开展以下工作:(1)建立考虑温度影响的下加载面模型,由于保留了下加载面模型对超固结黏土应力–应变特性优异的描述能力,并考虑了温度对黏土的2种作用(即温度使超固结黏土的超固结比降低和温度塑性应变对屈服面的硬化效应),该模型可以描述温度变化对不同黏土力学特性的复杂影响;(2)证明了所提出的模型严格满足热力学第一、第二定律;(3)采用该模型模拟Pontida clay和MC clay在不同压力下的排水加热试验和在不同温度下的三轴排水/不排水试验,模拟结果与试验结果对比分析表明,模型能合理地描述不同超固结比的黏土在温度变化时产生的体积变形以及温度对黏土强度的影响等。     

基于能量耗散修正的Boom clay上下加载面模型及其数值实施

 针对剑桥模型不适用于超固结土和结构性土的局限性,引入上下加载面模型以描述Boom clay的结构性;基于Boom clay的屈服面的特点,通过修改能量耗散函数对上下加载面的形状进行了修正,构造了一个更好地反映其特性的弹塑性模型;以有限元程序ABAQUS的UMAT子程序接口为平台,采用隐式积分算法--最近点映射法(CPPM)实现了模型的二次开发;最后利用该模型对不同围压下的Boom clay 不排水三轴试验进行了模拟,并将该模型的计算结果与修正剑桥模型的计算结果以及试验实测结果进行了比较,结果表明,该模型能较好地反映Boom Clay在剪切过程中的结构性演化,且在一定程度上纠正了常规上下加载面模型高估重超固结土峰值强度而低估正常固结土和轻超固结土峰值强度的问题。     

基于塑性损伤的黏土岩本构模型及其数值实现

黏土岩是深部地下工程中常见的岩土介质,在施工过程中为确保巷道安全开挖,急需开展与其力学特性相关的研究。已有试验研究结果表明黏土岩在三轴压缩试验过程中表现出明显的塑性硬化、软化以及流动特性,同时发现试样在加载过程中内部会产生明显的缺陷,这些缺陷的存在会在一定程度上削弱其力学性能。为建立能描述黏土岩力学现象的模型,以微裂纹作为损伤基元,构建了合理的塑性损伤变量并将其与塑性硬化变量一同引入至修正Drucker-Prager帽盖模型中,建立了新的本构模型。通过ABAQUS平台及其UMAT子程序对该模型进行数值实现,子程序在向后欧拉本构积分算法的基础上引入塑性硬化和损伤变量参与迭代计算,使得屈服面在迭代过程中与应力一同更新(屈服面的大小会随着塑性损伤与硬化变量的更新而变化),直至应力回到屈服面上。采用该模型对常温条件下的黏土岩三轴压缩试验进行数值模拟,并将新模型的计算结果与试验结果进行对比,对比结果显示模拟结果与试验结果大致吻合,说明本文所建立的本构模型可以较好的反映黏土岩的力学特性。最后建立黏土岩隧硐开挖平面模型,采用新模型对开挖过程进行模拟,并对整个模拟过程中损伤变量、应力以及孔隙水压力的演...     

黏土岩温度–渗流–应力耦合作用的长期力学特性研究若干进展

核废料地质处置库长期处于复杂的耦合环境之中,其安全、稳定、高效的建设与运营需要考虑温度场(T)、渗流场(H)、应力场(M)的长期耦合作用。围绕黏土岩多场耦合作用下的长期力学特性,首先总结了国内外在黏土岩温度–渗流–应力耦合条件下长期力学试验研究成果与不足,主要包括HM与THM耦合长期作用对黏土岩渗透特性的影响、黏土岩TM与THM耦合长期力学特性。其次从微观唯相的角度,论述了温度对黏土岩微观结构特征的影响机制。基于上述认识,提出黏土岩THM耦合蠕变力学模型及其适用性。同时,介绍了笔者团队围绕黏土岩THM耦合长期力学特性方面的相关研究成果,结果表明:BoomClay的长期力学特性与温度、孔压、应力和各向异性等因素相关。最后,提出黏土岩THM耦合研究未来应重点关注的方向。     

温度-渗流-应力耦合条件下黏土岩裂隙自闭合特性研究现状与思考

黏土岩因为低渗透性和自闭合性能而被公认为理想的高放废物地质处置库介质,黏土岩裂隙自闭合特性可以显著降低其渗透性,从而达到阻止处置库核素迁移的目的。从试验、机制及模型三方面概述国内外黏土岩在温度–渗流–应力耦合条件下裂隙渗透性自闭合特性的研究现状与发展趋势。研究结果表明,黏土岩的裂隙自闭合规律与黏土矿物含量、应力状态、水溶液和温度等因素相关。总结国内外裂隙自闭合试验研究方法的基础上,提出采用瞬态法测量黏土岩裂隙自闭合过程中渗透性变化的思路。最后,探讨黏土岩裂隙自闭合过程研究的工作思路,主要有:裂隙自闭合微观机制研究、THMC多场耦合作用下裂隙自闭合特性、蠕变的发展对自闭合的影响规律、建立能够反映损伤区渗透性演化的自闭合模型等。