运用Hoek-Brown经验准则分析圆形硐室围岩弹塑性应力和位移

Hoek-Brown经验准则能够较容易地用来估计节理岩体的强度,在岩石工程界已得到广泛的应用和认可。只要用定量指标合理地描述岩体质量,就可确定岩体的强度,因此Hoek-Brown经验准则为通过岩体质量评分评价岩体稳定性架起了一座桥梁,并对需要采取的加固支护措施提出建议。地下硐室开挖后改变了岩体的初始应力状态,围岩应力产生应力重分布现象。当硐室周边围岩应力状态超过岩体弹性极限状态而进入塑性状态时,塑性区内岩体的应力满足极限平衡条件。本文简单回顾了当侧压力系数为1时,圆形硐室围岩的弹性应力和位移,在此基础上以Hoek-Brown经验准则为极限平衡条件,得到圆形硐室轴对称平面应变问题的围岩弹塑性应力和位移的分析解。     

基于岩石蠕变及D-P准则的深部巷道围岩弹塑性分析

为深入分析岩石蠕变及中间主应力对深部高应力软岩巷道围岩稳定性及分区变形特性的影响机理, 通过剖析长期荷载作用下深部巷道围岩的变形特征, 揭示了基于围岩蠕变特性的深部巷道围岩四分区变形机理, 并依据Druck-Prager准则及关联性流动法则考虑了中间主应力、岩体扩容及应变软化的影响, 推导出巷道围岩各分区应力、变形和半径解析解. 结合工程算例, 通过对现场监测数据以及不同力学模型的计算结果进行对比分析, 论证了本文理论的科学性, 并揭示了不同强度准则和围岩参数对深部巷道围岩各分区形态的影响规律. 结果表明, 忽视深部巷道围岩的蠕变特性将导致初始黏聚力的取值大于实际值, 从而造成围岩的理论承载能力大于实际承载能力; 在[0, 0.7]区间内提高中间主应力系数可有效控制围岩塑性区及破碎区范围的扩展; 当初始黏聚力及内摩擦角减小时, 中间主应力系数对围岩塑性区、破碎区范围及巷道变形的影响力显著提高. 研究成果可为地下工程支护设计及围岩稳定性评估提供理论参考.      

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。     

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.     

V型河谷地应力研究

介绍了河谷地应力研究现状 ,利用弹性理论和变分原理 ,研究了V型河谷岩体地应力问题 ,得到了河谷岩体中由于自重应力和构造应力引起的复杂应力场。应用本文结果 ,不仅可以方便绘制各种应力图件 ,而且可以较为精确地得到河谷区域任意指定点的应力值 ,从而为区域稳定性和岩体稳定性评价 ,为水电工程、地下硐室设计以及边坡工程等提供必要的岩体力学资料。本文方法数值实现简单 ,编程容易 ,计算快 ,精度高 ,可应用推广.     

超千米深井巷道围岩变形破坏时空演化规律实验研究

针对超千米深井巷道围岩大变形破坏的难题,通过相似模拟实验,分析了巷道周围的应力应变演化规律和倾角对巷道稳定性的影响,揭示了超千米深井巷道变形破坏时空演化规律。实验结果表明:由于岩层倾角的存在,巷道底板两角出现应力集中现象。随外界载荷的增大,巷道拱部左上角与底板右下角首先发生破坏,随后向围岩深部扩展,且出现大范围变形破坏,巷道左帮和右帮应力集中现象加剧;巷道围岩各位置处产生的位移量差别较大,巷道拱部与底板产生位移量较大,两帮位移量相对较小,巷道变形量最大的位置达到30mm以上;超千米深井巷道围岩变形破坏特征分为3个阶段:缓慢变形阶段、剧烈变形阶段和严重变形破坏阶段,巷道围岩产生大变形非对称性破坏,且破坏范围较大,顶底板最大破坏深度达到34mm,巷道围岩失去承载能力,巷道空间完全封闭。将上述实验结果应用于工程实践,提出华丰煤矿超千米深井巷道全断面高强预应力锚网支护,特殊部位加强支护的方案,达到了理想的效果。     

金川露天矿边坡岩体移动和变形的光弹性软材料模拟实验研究

通过对边坡岩体破坏机理的光弹性力学模拟实验研究, 岩体在地应力作用和自重体积力作用下, 对露天矿边坡的力学状态具有明显地影响。实验采用了明胶软材料, 模型比例1：1100。实验模拟了在自重应力和构造应力作用下, 边坡岩体的位移和变形。     

岩石破裂过程THMD耦合数值模型研究

从岩石的细观非均匀性特点出发,应用损伤力学、热力学和渗流力学理论,建立了岩体热(温度)-水(渗流)-岩(应力)-损伤耦合数值模型(THMD model),把岩石(体)THM耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中。探讨了THM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制,并运用所提出方法计算温度-渗流-应力耦合作用下井筒近场围岩的稳定性,模拟得到的岩体破坏过程、应力分布、AE特性及渗流特性变化与现场标定结果有着一致的规律性,初步证明了该数值模型的合理性和有效性。THMD模型以简单的数值模型表征了岩石(体)中热、水、岩及损伤之间复杂的作用关系,为从细观损伤演化揭示宏观岩体温度-渗流-应力耦合破坏机制提供了一种新的数值分析方法。     

不同应力差下非线性蠕变研究

深部工程处于复杂的环境场(应力场、温度场和渗流场)之中,引起的地下工程围岩流变破坏事故屡见不鲜。本文通过三轴蠕变实验,根据岩体流变力学和蠕变原理对影响深部岩体蠕变的因素进行了研究。用实验数据进行数值计算,得出了深部软岩巷道围岩在高地应力作用下的非线性蠕变模型,建立了应力差-时间-蠕变的定量关系,利用MATLAB软件得到了不同情况下的蠕变-时间曲线;应力差-时间-蠕变曲面。从而验证了非线性流变理论,找到了引起蠕变的主要因素应力差。并利用应力差理论分析了深部巷道围岩的蠕变破坏机理。     

损伤围岩中爆炸应力波动的数值模拟

应用有限元方法分析了硐室损伤围岩中爆炸应力波的传播和应力分布特征，通过引入JHC本构模型和岩石损伤变量D探讨了应力波作用下岩体的损伤演化模式。研究表明:围岩初始损伤对后续爆炸应力波的波动性质、作用范围和围岩应力分布具有不同程度的影响。当初始损伤超过某临界值后会显著地影响应力波的波动范围和围岩应力分布；在一定爆炸当量下，爆炸应力存在一个有效作用范围Lp，该范围塑性区以内，爆炸应力对岩体的损伤随围岩初始损伤增大而增大；有效作用范围Lp以外，围岩初始残余非弹性变形积累和单元残余拉应力可以平衡爆炸应力波动产生的损伤叠加效应，耗散了爆炸应力作用和波动能量。分析了产生在这种现象的原因。给出了有效作用范围Lp与围岩初始等效应力p之间的经验关系。     

Displacement of surrounding rock in a deep circular hole considering double moduli and strength-stiffness degradation

The problem of cavity stability widely exists in deep underground engineering and energy exploitation. First, the stress field of the surrounding rock under the uniform stress field is deduced based on a post-peak strength drop model considering the rock's characteristics of constant modulus and double moduli. Then, the orthogonal non-associative flow rule is used to establish the displacement of the surrounding rock under constant modulus and double moduli, respectively, considering the stiffness degradation and dilatancy effects in the plastic region and assuming that the elastic strain in the plastic region satisfies the elastic constitutive relationship. Finally, the evolution of the displacement in the surrounding rock is analyzed under the effects of the double modulus characteristics, the strength drop, the stiffness degradation, and the dilatancy. The results show that the displacement solutions of the surrounding rock under constant modulus and double moduli have a unified expression. The coefficients of the expression are related to the stress field of the original rock, the elastic constant of the surrounding rock, the strength parameters, and the dilatancy angle. The strength drop, the stiffness degradation, and the dilatancy effects all have effects on the displacement. The effects can be characterized by quantitative relationships.     

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.     

考虑锚杆作用的深埋软岩隧道黏弹塑性力学响应解析

深埋软岩隧道围岩表现出显著的塑性软化与剪胀特性,而当下的理论分析很少同时考虑这两点,导致预测结果与隧道实际变形行为存在一定误差.为解决该问题,本文基于Kelvin-Voigt流变模型和Mohr-Coulomb强度准则,考虑了塑性阶段时围岩软化与剪胀特征,并引入了掌子面空间约束效应,建立了深埋软岩隧道黏弹-塑性计算分析模...     

某深埋隧道围岩破裂发展机理数值模拟

围绕某深埋隧道支护结构失效机理展开研究。调查了某深埋隧道围岩地质及支护结构失效特征,根据深埋隧道围岩的地质力学历史,提出岩石峰后力学特征描述的塑性应变指标。通过数值模拟获得在开挖扰动下该隧道围岩中应力大小的交替分布及围岩破裂的分层现象,分析了分层断裂中次生自由面、多重似开挖面形成的力学机制,揭示出武陵山脉隧道深埋段支护结构破坏的原因在于围岩的分层破裂。研究结果为深部隧道支护设计及稳定性分析提供了有效的思路与处理方法。     

基于改进西原模型巷道围岩流变参数反演分析

当应力达到一定水平时,岩石经过衰减和稳定蠕变过程之后会发生加速蠕变破坏,但是传统西原体模型无法更有效地反映该加速蠕变阶段。为了解决这一问题,引入一个非线性流变元件,并将其串联在西原体模型上,组成一个新的六元件模型,该模型可充分反映岩石蠕变的三个阶段。基于改进的西原体模型本构方程,应用Laplace变换,得到了盾构圆形巷道围岩的径向位移变化规律;根据巷道围岩收敛变形现场实测数据,反演得到了岩石黏弹塑性蠕变参数;由巷道围岩径向位移计算结果和实测数据对比分析表明:两者吻合较好;当t ≤25 d时,巷道围岩处于加速变形阶段,其径向位移变化速率随时间的增长而不断增加,当t>25 d时,巷道围岩进入稳定变形阶段,随时间的推移,其径向围岩位移变化速率逐渐趋于稳定。     

深埋与浅埋软岩洞室的开挖变形

由于地质赋存环境的不同,深埋与浅埋洞室在开挖后将产生不同的变形规律. 本文基于有限差分计算软件FLAC3D,数值模拟了深埋与浅埋软岩洞室随应力边界条件、岩石力学性能、洞室断面形状等因素变化的变形特点. 计算结果将对洞室的选型与开挖支护等提供参考.     

竖井开挖的不稳定性和岩爆的力学机制

基于稳定性理论和弹塑性厚壁筒的解析解,研究了竖井开挖过程的平衡路径,并将屈服后的井壁压力--位移平衡路径曲线应用到围岩的稳定性分析.研究表明,竖井围岩的不稳定及其岩爆的发生不仅取决于岩石材料应力应变全过程曲线的峰后特性,还取决于竖井开挖过程对应的平衡路径曲线的类型.平衡路径曲线能够描述围岩结构加载屈服后的力学行为.平衡路径的曲线形状只可能有两种类型,一种曲线上的点都处于稳定的平衡状态,虽有塑性变形的累积,但不会失稳崩落;另一种曲线则发生极值点型井壁失稳并伴有位移突跳.竖井开挖过程的平衡路径曲线是判定围岩岩爆发生的关键因素.极值点型失稳和位移突跳是均质围岩中岩爆可能发生的一种力学机制.