饱水对煤层顶板砂岩单轴压缩破坏能量影响的分析

为研究饱水对砂岩力学参数和能量特征的影响,利用RMT-150B岩石力学系统对煤层顶板砂岩自然和饱水试样进行单轴压缩试验。试验结果表明:饱水对砂岩试样的强度和变形参数均有不同程度的影响,软化系数为0.79,弹性模量降幅为5.25%,变形模量降幅为5.92%;饱水后砂岩试样峰值前吸收能量、可释放弹性能和耗散能均有不同程度降低,吸收能量降幅36.8%,可释放弹性能降幅为34.4%,耗散能降幅为57.7%;饱水后砂岩储蓄能量的能力有较大减弱,脆性减弱,塑性明显增强;饱水砂岩试样压缩过程中积蓄可释放能难以使试样滑移破坏,仍需要吸收部分能量使试样逐步失稳破坏;饱水对砂岩试样压缩过程吸收能量、可释放能量比例关系的影响较小,而对耗散能比例关系的影响较大;自然状态下砂岩试样峰值前相同应变条件下吸收能量、可释放能均明显高于饱水试样对应能量值;深部巷道位置确定和支护设计时应充分考虑水对巷道围岩弱化的影响,对于完整坚硬围岩采用高压注水软化可有效防止冲击地压发生和减缓灾害程度。     

ANALYSIS OF ACCUMULATION CHARACTERISTICS OF ELASTIC DEFORMATION ENERGY OF SURROUNDING ROCK IN RECTANGULAR ROADWAY1)

煤矿冲击地压主要发生在巷道中,其主要原因之一是巷道围岩积聚了大量的弹性能。为得出矩形巷道围岩弹性变形能积聚特征,降低巷道支护成本,推导了巷道冲击破坏失稳能量准则,并建立了矩形巷道围岩能量积聚计算模型,理论分析了采深、巷道断面尺寸和煤层厚度对矩形巷道围岩能量积聚影响规律,得出：矩形巷道积聚的弹性能随采深的增加而增大,采深越深,巷道积聚的弹性能增长速率越快。巷道围岩积聚能量随巷道断面尺寸增加而增大。当煤层厚度小于巷道影响范围时,巷道积聚能量随煤层厚度增加而增大。在实际工程中,尽可能减小巷道断面尺寸,尽可能沿顶、底板布置巷道。研究结果为冲击地压巷道布置和降低巷道支护成本提供了理论依据。     

An indentation technique for estimating the energy density as fracture toughness with Berkovich indenter for ductile bulk materials

A technique is proposed to estimate the energy density as fracture toughness for ductile bulk materials with an indentation system equipped with a Berkovich indenter based on the theory of plastic deformation energy transforming into the indentation energy of fracture. With progressive increase of penetration loads, the material damage is exhibited on the effective elastic modulus. A quadratic polynomial relationship between the plastic penetration depth and penetration load, and an approximate linear relationship between logarithmic plastic penetration depth and logarithmic effective elastic modulus are exhibited by indentation investigation with Berkovich indenter. The parameter of damage variable is proposed to determine the critical effective elastic modulus at the fracture point. And the strain energy density factor is calculated according to the equations of penetration load, plastic penetration depth and effective elastic modulus. The fracture toughness of aluminum alloy and stainless steel are evaluated by both indentation tests and K_IC fracture toughness tests. The predicted S_cr values of indentation tests are in good agreement with experimental results of CT tests.     

A physical model of the structure and attenuation of shock waves in metals

In this paper, a physical model of the structure and attenuation of shock waves in metals is presented. In order to establish the constitutive equations of materials under high velocity deformation and to study the structure of transition zone of shock wave, two independent approaches are involved. Firstly, the specific internal energy is decomposed into the elastic compression energy and elastic deformation energy, and the later is represented by an expansion to third-order terms in elastic strain and entropy, including the coupling effect of heat and mechanical energy. Secondly, a plastic relaxation function describing the behaviour of plastic flow under high temperature and high pressure is suggested from the viewpoint of dislocation dynamics. In addition, a group of ordinary differential equations has been built to determine the thermo-mechanical state variables in the transition zone of a steady shock wave and the thickness of the high pressure shock wave, and an analytical solution of the equations can be found provided that the entropy change across the shock is assumed to be negligible and Hugoniot compression modulus is used instead of the isentropic compression modulus. A quite approximate method for solving the attenuation of shock wave front has been proposed for the flat-plate symmetric impact problem.     

深部岩体变形破坏的特征能量因子与应用

深部岩体在高地应力作用下储存了大量的弹性应变能。在开挖或爆破扰动作用下，原有的平衡状态被打破，围岩中形成了有势场和不平衡应力场。在不平衡力场和扰动场的共同作用下，岩体的变形与破坏表现出了诸如分区破裂化、大变形、岩爆以及人工地震等非线性行为。传统的连续介质理论并不能考虑岩体的构造特性与含能特性，因此无法很好地解释深部岩体的特殊非线性力学现象。特征能量因子从能量的角度出发，结合统计物理学观点，为分析深部岩体在动静荷载组合作用下的变形和破坏过程提供了有效的理论支撑。本文主要对特征能量因子进行了简要介绍，并回顾了其在深部岩体分区破裂以及动力诱发围岩不可逆变形等非线性工程灾害现象中的应用。     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.     

工程爆破问题数值模拟研究

工程爆破方法在开矿、筑坝、修路和凿洞中得到了广泛使用,经验和分析表明,当炸药埋深超过40米时,重力对爆破抛掷现象有明显影响,但目前缺乏系境研究。本文提出了一个用于爆破作用下的岩体本构数学模型,并用二维轴对称数值计算方法对有重力影响的工程爆破问题初始阶段进行了详细研究,计算结果包括爆炸应力波的传播规律,岩体的加速与破坏过程,空腔与地表面的运动规律,抛掷区的形成与划定,能量分配关系等,结果表明:重力对爆炸波的传播基本无影响,重力仅影响抛掷区的大小和抛掷区动能占总爆炸能的比例。     

高瓦斯煤层冲击地压发生条件与影响因素

针对高瓦斯煤层冲击地压问题,用解析方法得到冲击地压发生条件,分析了主要影响因素对满足冲击地压发生条件的临界塑性区半径和临界应力的影响规律.结合五龙矿开采实际情况对影响高瓦斯煤层冲击地压的煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、支护应力和内摩擦角4个因素做了对比分析.研究发现:高瓦斯煤层在巷道掘进面附近由于存在开挖面空间效应,掘进面前方尚未开挖的煤体对巷道变形起到了限制作用,减少了冲击地压的发生,随着掘进面向前推进,后方一定距离范围内的巷道支护应力增大.随着瓦斯解吸渗流的进行,巷道壁处孔隙压力降低,巷道冲击地压危险性明显提高,此时提高支护应力,冲击危险性有所降低.高瓦斯煤层巷道发生冲击地压的临界塑性区半径和临界应力随模量比、瓦斯孔隙压力的增大而快速减小,随支护应力的增大而增大,临界塑性区半径随内摩擦角的增大而增大,临界应力与内摩擦角不是单调函数关系,存在一个极小值点,当内摩擦角小于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而减小;当内摩擦角大于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而增大.     

金华山软岩铁路隧道施工过程围岩屈服接近度分析

隧道施工过程中围岩处于复杂应力状态下,隧道围岩屈服区演化特征的确定对于围岩稳定性分析和开挖支护方案优化具有重要的意义。采用屈服接近度指标衡量围岩破坏接近程度可以合理地描述复杂应力状态下围岩的应力危险性,对Mohr-Coulomb类岩体材料的屈服接近度函数进行了相应的推导,并在非线性有限元用户子程序上编程予以实现。介绍了赣州-龙岩铁路DKl33+095～DKl38+237段软弱围岩单线隧道正台阶步施工方案以及湿喷纤维混凝土支护方案。为了对该隧道施工过程中隧道围岩屈服区的演化特征进行合理评价,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道施工过程进行了数值模拟,分析了施工过程中隧道围岩屈服接近度分布特征,判定了隧道台阶步施工过程中隧道围岩的稳定性。分析结果表明:该隧道施工过程中围岩破坏区主要发生在下台阶步施工过程中;屈服接近度指标比传统的塑性区分布提供的信息更加丰富,有利于工程技术人员定量地评价隧道开挖支护方案。     

基于D-P准则的盾构隧道围岩与衬砌结构相互作用分析1）

在进行盾构隧道管片衬砌结构载荷计算时，常采用全土柱或压力拱理论计算围岩松动压力，但当盾构隧道面临深埋条件且需计入形变压力时，该方法难以适用.鉴于此，基于Drucker-Prager屈服准则，推导了考虑渗流效应影响下围岩与衬砌结构相互作用的弹塑性解析解，给出了围岩弹、塑性区应力与位移、塑性区半径等关键参数与支护阻力间关系的解析式.阐述了上述解析结果在确定衬砌结构载荷中的应用，即建立围岩与衬砌结构静力平衡状态并求二者对应曲线的交点.进一步地，考虑接头引起管片衬砌结构整体刚度降低对围岩与衬砌结构相互作用的影响，引入刚度折减系数，并在衬砌结构围岩压力确定中对施工期流固耦合效应的影响和渗流力对衬砌结构支护特性曲线的影响进行了简化处理.最后，通过算例将解析解与水下盾构隧道载荷实测值和数值计算值进行了比较.结果表明：用解析方法得到的施工期和稳定期的管片衬砌结构围岩压力比现场实测值分别大28%和12%，稳定期围岩压力比数值计算值大5%，可为类似工程的设计施工提供一定的参考价值.     

坚硬岩石在强冲击荷载作用近区的性状研究

根据坚硬岩石的性质,利用力学模型分析了在冲击荷载作用下的岩石破坏过程,经由弹性状态向内摩擦状态的转变,最终达到流体力学状态。通过对内摩擦状态的分析,认为在强冲击荷载区域的变形近似为一维变形状态。冲击荷载作用在岩石中产生的应力波可以看作类似于冲击波的短波,在波阵面附近的某个狭窄区域内将发生参数的急剧变化。根据近区变形状态与质量守恒导出了侵彻近区的速度场表达式。根据短波的研究,给出了近区应力波的衰减规律。     

Zonal fracturing mechanism in deep crack-weakened rock masses

The mechanical behaviors of deep crack-weakened rock masses are different from those of shallow crack-weakened rock masses. The surrounding rock in shallow crack-weakened rock mass engineering is classified into loose zone, plastic zone and elastic zone, while the surrounding rock in deep crack-weakened rock mass engineering is classified into fractured zone and non-fractured zone, which occur alternatively. It is assumed that the deep rock masses contain one joint set, in which the probability density function describing the distribution of sizes is assumed to follow the Rayleigh distribution, and the probability density function describing the distribution of spacing is assumed to follow the Weibull distribution. On the basis of strength criterion of deep rock mass, the near-field stress redistribution around circular opening induced by excavation is determined. The strong interaction among cracks is investigated by using the dislocation model. The nucleation, growth, interaction and coalescence of cracks were analyzed based on the strain energy density factor theory. When cracks coalesce, failure of deep crack-weakened rock masses occurs, fractured zone is formed. Then, size and quantity of fractured zone and non-fractured zone are given out. The size and quantity of fractured zone increase with decreasing strength of rock mass. The size and quantity of fractured zone increase with increasing in situ stress. Zonal fracturing phenomenon occurs once value of in situ stress is larger than the unaxial compressive strength of rock masses. The size and quantity of fractured zone decrease with increasing λ when p₂ > p₁. The size and quantity of fractured zone increase with increasing λ when p₂ < p₁.     

浅埋偏压隧道出口变形机理及稳定性分析

以皖南某公路浅埋偏压隧道出口段高边坡为研究对象,提出了"零开挖进洞"的施工方案,并结合洞口的工程地质条件,采取必要的加固措施。通过对该边坡现场工程地质条件的系统调查,首先对边坡的岩体结构类型及其成因机制、结构面与坡面组合特征进行细致研究,在此基础上通过FLAC^3D数值模拟,结合工程地质条件分析,对其变形破坏机制进行深入探讨。研究结果表明,边坡的变形首先以隧道内侧存在的软弱岩体(挤压错动带、断层)的不均匀压缩为先导,进而引起上部岩体产生由NE向陡缓结构面构成的阶梯状滑动,这将会使隧道构筑物及隧道外壁承受较大的压应力,当压应力超过隧道构筑物及外壁的极限强度时将产生破坏,从而诱发上部岩体产生更大规模的地质灾害。基于此,隧道进洞开挖前首先应对上部岩体进行加固处理,避免隧道构筑物及隧道外壁产生应力集中现象。     

万家寨引黄工程泥灰岩段隧洞岩石掘进机(TBM)卡机事故工程地质分析和事故处理

隧道全断面岩石掘进机 (TBM )的施工对地质条件适应性是一个不断认识和深化的过程 ,其中很多认识是来自已发生的各种各样事故和对事故原因的理性认识。本文是在对某隧洞TBM卡机地段的岩性 (包括工程性质 )、构造、地应力及其在TBM施工条件下的变化等方面进行工程地质力学研究的基础上 ,指出层间剪切带的存在及由此而产生的较大变形速率是导致事故发生的工程地质原因 ,并提出了相应的处理意见和建议。TBM卡机问题的顺利解决和它重新开始快速掘进证明了作者分析和工程处理措施的合理性。本文的分析有助于加深TBM施工对复杂地质条件适应性的认识 ,并可望为避免类似事故的再次发生提供参考和借鉴。     

深部岩体圆形巷道围岩松动圈形成机理数值试验研究

采用损伤力学和统计理论的单元本构模型,探讨深部岩体巷道围岩破坏规律, 利用岩石破裂过程分析软件RFPA$^{\rm 2D}$, 对深部 岩体中的圆形巷道的变形及非线性渐进破坏特征、巷道周边关键部位的位移和应力变化进行 了分析,研究了圆形巷道围岩松动圈的形成机理. 研究表明：巷道开挖后,其周边形成应力 集中带,随着围岩压力的持续作用,巷道周边产生塑性变形区,并沿径向形成裂纹;随着裂 纹的不断扩展,巷道周边出现松动破裂区,即松动圈. 产生破裂区后,应力集中程度减弱, 应力高峰点向远处转移.     

深埋地下洞室断裂型岩爆机理的数值模拟

针对深部岩体中由断层、节理等不连续性结构面引发的岩爆地质灾害, 根据深埋地下隧洞中潜在发震断裂的分布特征和几何形态建立数值分析模型, 采用离散元单元法模拟存在刚性平直断裂的深部围岩的开挖响应, 并分别考察开挖接近并通过断裂附近时围岩应力状态的变化特征。通过探讨断裂的存在对围岩应力状态改变的作用机理, 揭示出断裂型岩爆是开挖面附近一定范围内存在的断裂构造在高应力作用下发生错动, 导致能量突然释放, 对围岩造成强烈冲击作用的结果, 基本与地震的断层“粘滑”机制相类似。     

基于塑性体积应变的岩石损伤变形特性实验研究

为分析岩石塑性变形与损伤的关系,在定义岩石的初始损伤和临界损伤,提出塑性体积应变分析方法,从而以塑性体积应变为损伤变量,采用归一化方法建立岩石的损伤本构模型。采用递增循环加载实验确定岩石损伤本构模型中的弹性卸载模量和弹性应变比例系数两个参数。通过实验和理论分析得出:当荷载较小时,普通单轴压缩状态下岩石损伤随荷载的增加具有减小趋势,荷载超过一定数值后,岩石损伤才开始增加;单轴递增循环压缩状态下当循环荷载大于约35%峰值强度后,卸载后岩石的损伤具有增加的趋势,小于该荷载之前具有减小的趋势。整个加载过程的理论应力-应变曲线能很好地与实验结果相吻合,在循环加载区间理论结果还能体现出岩石实验结果中的回滞环。     

Analysis of main shock of thrust fault earthquake by catastrophe theory

The relationship between work and energy increment of a thrust fault system with quasi-static deformation can be decomposed into two parts: volume strain energy and deviation stress energy. The relationship between work and energy increment of the deviation stress of a simplified thrust fault system is analyzed based on the catastrophe theory. The research indicates that the characteristics displayed by the fold catastrophe model can appropriately describe the condition of earthquake generation, the evolvement process of main shock of thrust fault earthquake, and some important aftershock properties. The bigger the surrounding press of surrounding rock is, the bigger the maximum principal stress is, the smaller the incidences of the potential thrust fault surface are, and the smaller the ratio between the tangential stiffness of surrounding rock and the slope is, which is at the inflexion point on the softened zone of the fault shearing strength curve. Thus, when earthquake occurrs, the larger the elastic energy releasing amount of surrounding rock is, the bigger the earthquake magnitude is, the larger the half distance of fault dislocation is, and the larger the displacement amplitude of end face of surrounding rock is. Fracturing and expanding the fault rock body and releasing the volume strain energy of surrounding rock during the earthquake can enhance the foregoing effects together.     

利用纳米硬度试验法确定Cr/Cu梯度材料的变形特性

利用纳米硬度仪研究了在Cu基底上的Cu／Cr梯度膜的机械性能。梯度膜是通过将Cu靶和Cr靶同时溅射到Cu基底材料上，但两个靶的相对溅射功率随溅射时间变化而制备。利用Oliver and Pharr方法得到了膜随其厚度变化的硬度和弹性模量。然后利用加载／卸载／再加载的方法得到了在不同深度(即膜的厚度)压头平均压力与相对压人深度之间的关系曲线，在此曲线上可以明显反映出材料的屈服特性。