基于Hoek-Brown准则的破裂围岩应力分析

深部煤矿巷道在高围压的作用下,围岩普遍出现破裂,而且围岩破裂范围在扩大的同时,往往出现继续破坏的现象,并形成不同的分区.论文针对长的圆形巷道,将围岩分成破裂、塑性和弹性三个区域,采用Hoek-Brown准则,进行非关联弹塑性分析,获得了其应力和变形的封闭解析解,并说明该解析解是不唯一的.通过利用在弹塑交界处应力连续的条件、以及在破裂和塑性交界处径向应变连续的条件,获得了确定围岩破裂区和塑性区半径的解析算式.最后,通过算例并分析了破裂区和塑性区应力和应变的分布特点、以及破裂区范围的影响.利用所获得的结果,可以为巷道的稳定性分析以及支护设计提供理论依据.     

隧道围岩弹-脆-塑性应力的三剪统一解

基于三剪统一强度准则,采用更符合脆性岩石峰后强度特性的弹-脆-塑性模型,推导了考虑第二主应力和脆性软化共同影响的隧道围岩应力解,并与广义Hoek-Brown强度准则解进行了比较。研究结果表明:第二主应力、围岩材料模型、脆性软化均对围岩应力大小及分布具有显著影响。本文准则参数b=0时的应力解析解与广义Hoek-Brown强度准则应力解的峰值和分布规律均有较好的一致性,说明了本文应力解的合理性;当岩体强度具有明显的第二主应力效应时,广义Hoek-Brown强度准则已不再适用,但本文准则参数b>0时的应力解则具有很好的适用性。同时,理想弹-塑性模型低估了围岩塑性区范围,在准则参数b分别为0、0.05、0.1的情况下,弹-脆-塑性模型的围岩塑性区半径R相比理想弹-塑性模型平均可以增大45.5%;考虑第二主应力效应可以更加充分发挥岩石材料的强度潜能,随着准则参数b的增大,即第二主应力σ2效应的增大,围岩塑性区半径R和临界支护力py均不断减小,相比准则参数b=0时最大值分别减小了18.9%和10.8%。峰后粘聚力cr对围岩应力的影响也很显著,随着峰后粘聚力cr的增加,塑性区半径R不断减小,cr=0.11 MPa时的塑性区厚度比cr=0.055 MPa时减小43.3%。     

基于实测地应力深埋巷道塑性区定量分析

深埋巷道大变形、强流变的破坏特征源于其高地应力的作用,准确分析已开掘巷道塑性区分布对巷道围岩变形影响、开掘方案选择及后续类似条件巷道布置意义深远。在围岩力学参数测试、地应力场测试的基础上,采用弹塑性理论、M-C准则、修正的“当量半径”理论简化计算了直墙半圆拱形断面布置下深埋巷道的围岩塑性区大小,分析了巷道围岩塑性区受采动应力、侧压系数单独及耦合作用影响规律。在侧压系数为0.5、垂直压力为35MPa时底板塑性区最大,其值为2.65m,建议加强巷道底板的支护与维护,并给出了塑性区控制方案。研究结果可为后续类似条件下巷道开掘方案优选、支护设计及围岩稳定性判定提供一定的借鉴。     

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。     

分数阶微分流变模型圆形硐室黏弹塑性分析

基于分数阶微分黏弹塑性流变模型,同时考虑受硐室掌子面影响的围岩应力释放效应,根据Laplace变换、分数阶微积分理论、Mittag-Leffler函数,推导了圆形硐室黏塑性区半径、应力、位移的理论解。将理论解与西原本构模型解进行对比,证明了分数阶模型解的合理性。分析结果表明:黏塑性区半径、洞壁环向应力的分数阶微分模型解和西原模型解随时间最终都趋于稳定,两种解法在稳定前有一定差异,稳定后大小相同;一定范围内,掌子面对围岩变形具有一定抑制作用,越靠近掌子面,黏塑性区半径和洞壁径向位移越小;流变特征对硐室围岩黏塑性区环向应力的影响较大,离硐室圆心越近,影响效果越明显,而黏塑性区径向应力和黏弹性区环向应力、径向应力受围岩流变的影响较小。     

SOLUTION AND ANALYSIS OF CIRCULAR TUNNEL FOR THE STRAIN-SOFTENING ROCK MASSES CONSIDERING THE AXIAL IN SITU STRESS AND SEEPAGE FORCE

为了研究轴向应力和渗透力共同作用下软化围岩的应力与位移的变化及分布规律. 基于摩尔-库伦屈服准则及应力-应变软化模型并考虑轴向应力和渗透力的共同作用,将整个塑性区分为有限个同心圆环,以弹塑性交界面处的应力、应变为初始值,并采用微小径向应力增量逐步求出各个圆环上的应力应变及塑性区半径,据此重构了考虑渗透力和轴向力共同作用下软化围岩应力应变特性的逐步求解方法. 利用该方法,推导出软化围岩应力应变的解. 计算结果表明：在考虑轴向应力作用下,塑性区半径和隧道围岩位移都随着渗透力的增加而有所减小;当轴向应力为最小主应力时,渗透力的影响更为显著. 这说明渗透力的存在对于隧道围岩的应力应变分布以及塑性半径和围岩的位移有不可忽略的影响.     

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.     

考虑轴向力和渗透力时软化围岩隧道解析

为了研究轴向应力和渗透力共同作用下软化围岩的应力与位移的变化及分布规律. 基于摩尔-库伦屈服准则及应力-应变软化模型并考虑轴向应力和渗透力的共同作用,将整个塑性区分为有限个同心圆环,以弹塑性交界面处的应力、应变为初始值,并采用微小径向应力增量逐步求出各个圆环上的应力应变及塑性区半径,据此重构了考虑渗透力和轴向力共同作用下软化围岩应力应变特性的逐步求解方法. 利用该方法,推导出软化围岩应力应变的解. 计算结果表明:在考虑轴向应力作用下,塑性区半径和隧道围岩位移都随着渗透力的增加而有所减小;当轴向应力为最小主应力时,渗透力的影响更为显著. 这说明渗透力的存在对于隧道围岩的应力应变分布以及塑性半径和围岩的位移有不可忽略的影响.      

基于统一强度理论的非静水压圆形隧道塑性区半径的脆塑性摄动解

基于统一强度理论和弹?脆?塑性模型, 综合考虑围岩强度的中间主应力效应和脆性软化, 采用摄动法建立了非静水压圆形隧道塑性区半径的解析解, 继而探讨所得解析解的适用范围, 并与文献复变函数法、摄动法、数值模拟和总荷载不变法进行对比, 最后分析各因素对隧道塑性区形状和大小的影响规律. 研究结果表明: 所建立的圆形隧道塑性区半径摄动解析解为反映中间主应力效应不同程度的系列解答, 可退化为理想弹塑性模型解答且得到文献中4种方法的正确性和合理性验证, 适用于塑性区完全包围隧道的情况, 对应的隧道塑性区为双轴对称的类椭圆, 具有广泛的理论意义和工程应用价值; 摄动参数对隧道类椭圆形塑性区的大小和长/短轴变化都有明显影响; 隧道塑性区范围随中间主应力效应、围岩峰后强度参数的增加均显著减小, 说明不考虑中间主应力效应的Mohr?Coulomb强度准则解答偏保守, 弹?脆?塑性模型相比理想弹塑性模型更适合隧道塑性分析.      

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。     

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...     

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.     

软岩条件下大断面巷道支护技术的实践与研究

为进一步研究软岩条件下大断面巷道围岩的变形机制和破坏特征, 确定合理有效的支护形式和支护参数, 选取高家梁煤矿的大断面顺槽为研究对象, 在确定巷道断面形状和尺寸的基础上, 运用现场监测、数值模拟的方法, 确定了锚-网-索联合支护系统. 现场实践结果表明: 该支护形式和支护参数有效地控制了围岩的变形, 支护效果好, 经济合理, 安全可靠, 具有较高的应用价值, 此类支护系统为解决软岩内大断面巷道围岩变形大、稳定性差、巷道难以维护的问题提供了一条新思路.     

工程因素对围岩稳定性影响三维数值模拟分析

结合某地下工程实际,运用FLAC^3D模拟了巷道断面形状、开挖面距离以及开挖顺序对巷道围岩稳定性的影响,并模拟了围岩深部多点位移规律。结果表明,相同围岩条件下,不同断面形状其力学效应不同,同一断面在不同围岩条件下变形不一样;围岩水平位移曲线随开挖面的距离呈“S”形,围岩水平最大位移主要发生在距开挖面后方 2倍巷道长径的范围内;Ⅲ级围岩深部位移影响范围约 2 .8～ 4 .3m,Ⅳ级围岩影响范围 6 .9～ 7.8m;对较大断面,分步开挖有利于围岩控制。     

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。     

ZONAL DISINTEGRATION MECHANISM OF DEEP CRACK-WEAKENED ROCK MASSES UNDER DYNAMIC UNLOADING

Size and quantity of fractured zone and non-fractured zone are controlled by cracks contained in deep rock masses. Zonal disintegration mechanism is strongly dependent on the interaction among cracks. The strong interaction among cracks is investigated using stress superposition principle and the Chebyshev polynomials expansion of the pseudo-traction. It is found from numerical results that crack nucleation, growth and coalescence lead to failure of deep crack- weakened rock masses. The stress redistribution around the surrounding rock mass induced by unloading excavation is studied. The effect of the excavation time on nucleation, growth, interaction and coalescence of cracks was analyzed. Moreover, the influence of the excavation time on the size and quantity of fractured zone and non-fractured zone was given. When the excavation time is short, zonal disintegration phenomenon may occur in deep rock masses. It is shown from numerical results that the size and quantity of fractured zone increase with decreasing excavation time, and the size and quantity of fractured zone increase with the increasing value of in-situ geostress.     

利用锚杆轴力量测定围岩破坏区的方法

本文系统总结了锚杆轴力分布型式,分析了各轴力分布型式的力学机理。结果表明,在围岩不同区内,锚杆所受剪切力具有不同的特点,而且,锚杆所受剪切的特点在锚杆轴力分布中得到了反映。根据以上关系,提出了利用锚杆轴力量测确定围岩破坏区的方法。