围岩瞬态卸荷应力及塑性区分布的有限元分析

深部地下工程围岩卸荷导致的拉伸破坏是一个常见但没有得到充分研究的科学现象.将卸荷视为动态力学过程,基于连续介质弹塑性力学理论,运用有限元软件COMSOL Multiphysics对围岩瞬态卸荷破坏成因进行初步探究,建立了围岩瞬态卸荷塑性力学模型.研究结果表明:开挖将在围岩中激起强烈的卸载扰动,应力场的重新分布是由动力响应过渡到静力作用的动态过程.瞬态卸荷将导致开挖自由面附近产生拉应力.尽管拉应力时间短、幅值低、范围小,但由于岩石抗压不抗拉的特性,在高地应力条件下,拉应力可导致围岩产生拉伸破坏.分析表明横向惯性作用可能是导致这一现象的原因之一.     

围岩瞬态卸荷应力及塑性区分布的有限元分析

深部地下工程围岩卸荷导致的拉伸破坏是一个常见但没有得到充分研究的科学现象.将卸荷视为动态力学过程,基于连续介质弹塑性力学理论,运用有限元软件COMSOLMultiphysics对围岩瞬态卸荷破坏成因进行初步探究,建立了围岩瞬态卸荷塑性力学模型.研究结果表明:开挖将在围岩中激起强烈的卸载扰动,应力场的重新分布是由动力响应过渡到静力作用的动态过程.瞬态卸荷将导致开挖自由面附近产生拉应力.尽管拉应力时间短、幅值低、范围小,但由于岩石抗压不抗拉的特性,在高地应力条件下,拉应力可导致围岩产生拉伸破坏.分析表明横向惯性作用可能是导致这一现象的原因之一.     

修正的L-D准则在卸荷岩体力学中的应用

通过卸荷模拟试验数据，考虑了不同抗拉强度下的岩石卸荷受拉破坏，求出了修正L-D准则(Lade双屈服面屈服准则)的各项参数，并与Lade所统计的试验资料数据进行了比较，结果较为吻合。     

莫尔-库仑等面积圆屈服准则的简化形式及应用

在三维应力空间 ,采用解析几何的方法 ,导出了莫尔 -库仑等面积圆屈服准则的简化形式 .介绍了可直接利用现有大型有限元程序在德鲁克 -普拉格屈服准则下 ,按强度折减原理求解边坡安全系数的方法 .算例表明 ,采用简化屈服准则无须修改现有程序 ,且对简单边坡 ,据此求得的安全系数与传统的极限平衡法所得结果极为相近 ;对于复合边坡 ,二者求得的安全系数相对较差可能稍大些 .     

基于弹性应变能三维Hoek-Brown准则修正

基于能量转化是物质物理过程本质属性,从能量角度对H-B准则进行了研究.首先阐明了H-B准则在判断材料破坏时的能量机制,揭示其既是经验型强度准则,更是弹性应变能表示的能量型强度准则,据此得出提高H-B强度准则计算精度的关键所在;然后根据三维H-B准则与弹性应变能数学表达式之间关系,引入材料变形参数,建立仅有3个参数的修正...     

圆板中摩尔-库仑准则的内力屈服条件

对具有拉压强度差效应材料构成的轴对称弯曲圆板在弹塑性阶段应力分布的研究,导出了塑性极限状态下圆板中塑性应力分量间的关系式。以不同受力状态下圆板单元体进入塑性极限状态时的内力分析为基础,建立了圆板在摩尔库仑准则基础上用弯矩表示的内力屈服条件。该内力屈服条件是一条闭合的外凸曲线,符合内力分量的对称性,在材料拉压强度相同时蜕化为屈雷斯卡内力屈服条件。所得内力屈服条件可以用于由拉压强度不同材料构成的圆板和环板的塑性极限分析。     

基于广义Hoek-Brown屈服准则的圆形巷道围岩弹塑性力学分析

考虑不同巷道埋深对支护压力的影响,采用广义Hoek-Brown屈服准则对圆形巷道围岩进行弹塑性力学分析。利用在弹塑交界处应力连续的条件及巷道周边的应力边界条件,得到了塑性区的应力和巷道的支护压力与原岩应力之间的解析式。研究表明:塑性区的应力和巷道的支护压力不仅与本身的力学特性有关,而且还与原岩应力有关;并针对质量较差的软岩,分析了在不同支护压力条件下巷道所能承受的最大原岩应力及其所对应的最大的埋深。分析结果表明:支护压力与原岩应力及其所对应的巷道埋深存在明显的线性关系。     

岩石的卸荷劣化及其本构模型研究

卸荷条件下,岩石的变形参数产生劣化效应,弹性模量E在卸荷较小时变化较小,随着卸荷量的增加其快速减小;而泊松比μ则随着卸荷量的增加而变大.岩石的破坏阶段,变形参数与其应力跌落量有关:E随着应力跌落量的增加而减小;并呈线性关系.根据岩石变形参数的变化规律,将卸荷条件下岩石的损伤本构模型分为三段:一般加载段、卸荷段、应力跌落段.结合试验证明修正的统计损伤本构模型较为符合实际.     

基于GZZ准则的圆隧围岩塑性圈三维非线性分析

为了研究三维非线性岩体强度准则下的圆隧塑性圈力学行为,基于考虑扩容影响的塑性中主应力表达式和三维非线性Hoek-Brown强度准则(GZZ准则),推导了理想弹塑性围岩塑性圈的径向应力方程。利用MATLAB编写有限差分程序,对塑性圈三维应力分布、塑性区半径及考虑扩容影响的围岩塑性圈位移进行计算,通过数据对比验证了计算方法的合理性。研究结果表明:基于GZZ准则计算的应力发展速率较快,扩容对其应力分布影响较弱;考虑三维情况的塑性区半径比二维情况的小,围岩可在较浅深度处达到弹性状态;考虑扩容影响的围岩塑性圈位移明显大于不考虑的情况。     

基于Lade-Duncan强度准则的统计损伤本构模型及其修正研究

在损伤力学理论基础上,根据Lemaitre应变等价性理论,并假定岩石微元强度服从Weibull随机分布,在微元强度度量方法上考虑损伤阀值的影响,结合Lade-Duncan强度破坏准则,建立了统计损伤本构模型。通过岩石三轴应力-应变试验曲线对模型进行验证,拟合效果良好;并针对模型不能反映残余应力阶段特征的不足进行修正。用公式法代替比较法求取损伤修正参数,建立了更加完善的统计损伤本构模型。通过与未修正模型对比发现,修正后的统计损伤模型能更好的模拟岩石破坏全过程的应力应变关系并能表征岩石残余强度特征,从而验证了该模型的合理性和可行性。     

基于Barton-Bandis准则的岩体破坏模式快速识别方法

岩体由岩石和结构面网络组成,结构面强度模型对岩体稳定性分析起着决定性影响。本文研究详细探讨了Barton-Bandis准则在岩体结构破坏模式判断中的应用。首先,推导了当结构面服从Barton-Bandis准则时,结构面屈服时倾角的取值范围,提出了结构面屈服的判据,并采用数值模拟法验证了理论推导结果的正确性;基于理论推导的结果,并假定岩石服从Mohr-Coulomb准则,提出了一种岩体结构破坏模式的快速识别方法,将岩体结构破坏分为不发生破坏、沿结构面发生破坏、沿岩石发生破坏和同时沿岩石和结构面发生破坏4种模式,并验证了该识别方法的正确性。研究结果可以为工程实践的岩体结构破坏识别提供理论指导和技术支持。     

包含岩石临界状态的Mohr-Wedge准则适用性研究

Mohr-Wedge(MW)岩石强度准则是基于岩石楔形破坏力学模型及主应力间的偏微分方程等的理论性公式推导.利用量纲分析整理该准则所含的多个参数,并赋予参数相应的物理意义,可使该准则简单易懂.为分析包含岩石临界状态的MW准则适用性,选取Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则和指数准则为比较对象,以平均绝...     

非线性准则下隧道围岩响应的理论和数值分析

采用Hoek-Brown非线性准则描述岩土破坏特征更能反映岩体固有特点和非线性破坏特征,以及岩石强度、结构面组数、所处应力状态对岩体强度的影响。首先,通过理论分析,得到了围岩开挖后应力和变形情况;然后,利用数值计算软件,建立了Hoek-Brown准则下隧道的数值计算方法和计算模型,分析了隧道在开挖情况下的应力变形情况,得到围岩的径向应力、切向应力、剪应变分布、塑性区分布和位移情况,并将数值计算结果与理论计算结果进行对比,结果表明:①隧道开挖引起岩体的扰动,使其从平衡状态转为不平衡状态。随着时间的推移,不平衡力逐渐在岩体中消散均化,岩体的扰动逐渐减小,最终趋于平衡。②数值解均略大于理论解,但二者差别十分微小,从而验证了数值方法的正确性。     

基于M-C等面积圆屈服准则的岩土混合边坡稳定分析

针对有限元软件基于外角外接圆D-P准则计算边坡稳定安全系数偏大的问题,采用M-C等面积圆屈服准则进行改进,推导了二者计算安全系数的关系.基于M-C等面积圆屈服准则计算岩土混合边坡,计算前对输入的土质和岩质的黏聚力及内摩擦角进行转换,结果表明,计算安全系数与Morgenstern-Price法得到的结果较为接近,并且塑性区与滑动面形状近似,表明了M-C等面积圆屈服准则在分析岩土混合边坡稳定问题是可行的.分析发现,岩土混合边坡安全系数随土质黏聚力和内摩擦角正切值的减少而减少,并且塑性区形状保持不变.     

基于松动圈理论深埋黄土隧道围岩压力计算方法

围岩压力的确定一直是隧道工程结构设计中的重点,而黄土隧道的工程特性与其他岩质隧道有着明显的区别,尤其是深埋黄土隧道的围岩压力计算。通过对深埋黄土隧道开挖后的围岩应力状态进行分析,明确了松动圈的定义,推导了松动圈的表达式,提出了基于松动圈理论的深埋黄土隧道围岩压力计算方法,并基于现场试验实测数据与既有计算方法进行了对比分析,以验证该方法的适用性。研究结果表明：松动圈为塑性区的内圈,是塑性区内切向应力小于初始地应力的部分;黄土隧道的松动圈较普通巷道和岩石隧道的松动范围大得多,更易受隧道开挖影响;基于松动圈理论的围岩压力计算方法与其他计算方法相比较,计算结果与实测值接近且存在一定的安全储备,使用该方法对深埋黄土隧道围岩压力进行计算是可行的,基于松动圈理论的围岩压力计算方法更适用于深埋黄土隧道这种有一定自稳能力的软弱土质围岩隧道。     

基于Mohr-Coulomb准则的岩石损伤统计分析方法研究

从探讨基于Mohr-Coulomb准则的新的岩石微元强度表示方法及其服从Weibull随机分布的特点出发,基于岩石三轴应力应变试验曲线,建立了反映岩石破裂全过程的损伤软化统计本构模型．在此基础上,重点研究了Weibull分布参数对岩石损伤软化统计本构模型的影响,并结合岩石三轴应力应变试验曲线的特征,对岩石损伤软化统计本构模型进行了合理修正．与试验结果及前人研究结果比较,该模型形式简单,能更好地反映工程实际,具有广阔的应用前景。     

基于Z-P准则的煤巷围岩稳定性数值模拟研究

通过FLAC3D所提供的二次开发程序接口,利用VC++6.0程序语言编写了Z-P准则的计算程序,成功实现Z-P准则的FLAC3D二次开发。采用开发的Z-P准则和FLAC3D内置的M-C准则对木城涧煤矿二槽煤层锚固支护巷道进行数值模拟,并对巷道围岩的塑性破坏区、位移及应力分布规律进行对比分析。结果表明:Z-P准则计算的塑性破坏区、位移比M-C准则的计算结果偏小,应力比M-C准则偏大,但应力集中现象相对不明显,总体分布规律基本一致。将模拟结果与现场钻孔探测数据进行对比可知,Z-P准则计算的结果更接近现场实际。