考虑温度和损伤的圆形巷道围岩弹塑性分析

为研究圆形巷道围岩在温度应力和损伤作用的下塑性区半径及应力分布规律,基于统一强度理论,推导了围岩在温度应力和损伤耦合作用下的应力场、位移场和塑性区范围的计算公式。结合具体算例,分析了损伤、温度应力等因素对巷道围岩应力和塑性区范围的影响,计算结果表明:损伤和温度应力等因素均对巷道围岩应力和塑性区半径产生较大影响,其中损伤-温度应力共同作用时所造成的塑性区半径最大,相较于仅有围岩应力作用时的塑性区范围增加了8.1%。因此探究巷道在温度应力和损伤作用下围岩塑性区半径及应力分布规律是必要的,可以为巷道工程的优化支护设计和稳定性分析提供理论依据。

深部圆形巷道破裂围岩的弹塑性分析

随着大量煤矿矿井开采深度的增加,在高围压的作用下,巷道围岩普遍出现破裂,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。针对长的圆形巷道,将巷道围岩分成破裂区、塑性区和弹性区,采用Mohr-Coulomb准则,进行非关联弹塑性分析,获得其应力和变形的封闭解析解。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,获得确定围岩破裂区和塑性区半径的解析式。最后,给出一个算例,分析其破裂区和塑性区应力、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。

圆形巷道围岩塑性区的一般形态及其判定准则

巷道围岩塑性区形态决定了巷道围岩的破坏形式及破坏程度,以塑性区边界隐性方程为基础全面研究了圆形巷道围岩塑性区一般形态的变化规律。结果表明:在不同围压状态下均质围岩圆形巷道塑性区一般表现出圆形、椭圆形、蝶形3种形态。通过理论分析找到了3种形态的数学力学含义,并推导出不同形态下的判定准则。提出了塑性区形态系数的概念,推导出了形态系数的计算公式,利用其大小可判别塑性区形态特征。通过FLAC3D数值模拟方法验证了理论计算的正确性。研究成果可作为巷道稳定性分析、支护设计、冒顶灾害防治、冲击地压预测与防治、煤与瓦斯突出预测与防治等工程实践的理论依据。

基于统一强度理论的非均匀应力场圆形巷道围岩塑性区分析

基于统一强度理论,推导出非均匀应力场的巷道围岩塑性区边界线方程式,可用于预测不同侧压系数时地下深埋隧洞的塑性区大小及形状.当不同程度地考虑中间主应力的影响时,围岩塑性区形状和大小有较大不同,且随水平应力与垂直应力差异性的增大,这种影响趋于明显.

圆形巷道围岩应变软化弹塑性分析

岩土类材料广义上都呈应变软化力学行为,考虑峰后岩石应变软化过程中引起后继强度面收缩的特性,认为岩体在足够小的局部范围内材料特性保持不变,将后继破坏岩体分为多个塑性区,给出基于平面应变和Mohr-Coulomb准则的围岩准应变软化弹塑性应力解析式,并给出符合围岩后继强度和变形演变规律的各软化区半径求解方程组。洞室围岩变形特征曲线是地下工程支护设计的重要依据,考虑岩体破裂过程中变形参数不断劣化的特性,分析剪切模量劣化对围岩变形、软化半径及破裂半径的影响。最后通过算例对模型进行验证,计算结果可以对地下工程的优化支护设计及安全性评价提供理论依据。

基于损伤理论的圆形巷道围岩应力场分析

由于巷道掘进破坏了原岩地应力场,使围岩应力重新分布,应力集中区的高应力造成巷道变形破坏。特别是布置在高地应力区的巷道变形破坏更加严重。因此必须合理准确地计算巷道围岩应力场,为巷道变形破坏计算及稳定性分析提供理论依据。岩体内部存在微裂纹,其发生、扩展、并合,决定了岩石材料的宏观力学性能,因此巷道围岩应力场的计算应该考虑岩石材料的损伤特性。本文基于损伤理论计算得到的不同地应力情况下的圆形巷道围岩应力场,计算结果与实际情况符合得较好。

深部开采圆形巷道围岩破损区与支护压力的确定

应用经典塑性力学理论确定的圆形巷道围岩弹塑性应力场存在一些问题,这影响深部圆形巷道的稳定性评价及支护设计的合理性。应用塑性力学求解新体系确定的圆形巷道围岩弹塑性应力场准确解,进行了各向同性均质地层中圆形巷道破损区、地层残余强度与支护压力关系方面的研究,取得了如下成果:(1)破损区随开采深度的增加而增大,它们基本呈线性关系。(2)建立了支护压力与巷道埋深、围岩强度、围岩破坏后残余强度、围岩泊松比和重度之间的关系。研究成果可为支护设计提供重要参考。

圆形巷道围岩层裂或板裂化的等效连续介质模型及侧压系数的影响

为了避免均质和非均质模型不能较好地模拟围岩的层裂或板裂化现象,将岩石视为等效连续介质,即颗粒体材料。颗粒被视为弹性材料,而颗粒之间的界面破坏后被视为摩尔-库仑材料。颗粒和界面均被离散为正方形单元。采用FLAC研究了不同侧压系数时圆形巷道围岩中的剪切应变增量、最小、最大主应力等的分布规律。研究发现,颗粒体材料模型在压应力作用下诱发出的拉应力值接近于在模型边界上所施加的最大压应力,而最大压应力是所施加的最大压应力的数倍。这些结果意味着均质和非均质模型的计算结果是偏于不安全的。另外,最小主应力和剪切应变增量的等值线图均显示,这些量的高值区的距离大致相等,这与V形岩爆坑内的板裂化现象类似。围岩层裂现象的原因是环向的高压应力和径向的高拉应力的共同作用的结果。

孔隙压力条件下圆形巷道围岩的应变局部化数值模拟

利用FLAC模拟了不同孔隙压力及围压条件下圆形巷道围岩的应变局部化过程。在计算中,采用了应变软化本构关系及"先加载、后挖洞"的方式。模拟结果表明,当围压增加到一定程度后,孔隙压力较低或等于零时,在围岩中出现了V形坑或"平底锅"形坑,这与开采深度达到一定后,无瓦斯或低瓦斯矿井中的岩爆现象类似;当围压增加到一定程度后,孔隙压力较高时,在围岩中出现了多条平行裂纹及多个不规则的狭长薄片,破坏区的外轮廓类似梨形,这与开采深度达到一定后,在高瓦斯矿井中煤和瓦斯突出后形成口小腔大的孔洞现象类似。

不同围压条件下的圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了不同围压条件下圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟结果表明:当围压较低时,剪切应变集中区域呈圆环状,围岩能保持稳定,不出现剪切带;当围压增加到一定程度时,围岩中出现了"狗耳"形的V形坑,发生岩爆,但围岩也还能保持稳定;当围压进一步增加时,围岩中出现了多条狭长的剪切带,巷道的整个断面均遭到了破坏,发生强烈的岩爆。随着围压的增加,V形岩爆坑变大、变深,剪切带花样的对称性变差;在高围压时,剪切带花样与塑性力学中的滑移线网有类似之处。

不同强度岩石中开挖圆形巷道的局部化过程模拟

利用FLAC模拟了不同粘聚力条件下圆形巷道的局部化过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的F ISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。文中模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的F ISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,随着粘聚力的降低,巷道围岩的破坏模式首先由孔壁附近零星单元的破坏向4个对称的小V形坑式剪切破坏转变,然后由包含若干小V形坑的大V形坑式剪切破坏向巷道全断面的破坏转变。前三者破坏发生后,巷道围岩仍然能保持稳定。与最大塑性拉伸应变相比,最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变要高得多;最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变相差不大;随着粘聚力的增加,三者均越来越小。

基于复变理论的双向不等压圆形巷道围岩应力及塑性区分析

为了解决双向不等压条件下圆形巷道的非轴对称弹塑性问题,给定圆形巷道应力和塑性区的解析解,本文基于复变理论,利用复变函数中保角变换的方法,推导出圆形巷道在双向不等压应力场中其周边围岩的切向应力方程,再结合Mohr-Coulomb强度准则,进一步得到圆形巷道在双向不等压条件下的塑性区计算公式,由上述两式可分别计算不同侧压系数下圆形巷道的应力分布状态和塑性区大小及形状。通过代入煤矿具体地质参数,分析不同围岩力学性质对巷道周边切向应力分布和塑性区的影响规律,并采用数值模拟软件FLAC 3D 5.0进行验证。分析结果表明,数学公式计算与数值模拟结果相吻合,从而验证了该计算方法的准确性;侧压系数与埋深是影响巷道周边围岩切向应力分布的主要因素,侧压系数大于1时,圆形巷道从顶板围岩开始旋转360°其切向应力值呈正弦函数分布,且侧压系数越大曲线振幅越大;侧压系数、巷道半径与围岩力学参数(黏聚力、内摩擦角)是影响圆形巷道塑性区形状与大小的主要因素,其中侧压系数为塑性区形状的决定性因素,侧压系数为1时,塑性区形状为圆形,侧压系数不为1时,圆形巷道由圆形过渡为椭圆形,最后变为两头等大的“葫芦”形,且其长轴总平行于地应力较小的方向;对塑性区大小的影响四者分别存在一个临界值,使圆形巷道不形成封闭的塑性区。

圆形巷道围岩变形压力新解法

将巷道围岩塑性区内的岩体视为塑性软化介质，以岩体的全应力─应变曲线后破坏段的应力值作为岩体的塑性软化强度，得到了关于巷道围岩塑性区半径和应力的一般解，适用于具有理想弹塑性、应变软化和应变硬化特征岩体中巷道变形压力的分析计算。由于本文力学模型中引入了岩体的全应力─应变曲线，很好地反映了岩体出现塑性变形后强度降低的特点，所以计算结果对工程实践具有指导价值。著名的Ｈ．Ｋａｓｔｎｅｒ公式可以看成是本文公式在岩体出现塑性变形后强度不变的条件下的一个特解。

不同侧压系数条件下圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了水平及垂直方向围压不同(非静水压力)条件下的圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟分为3步:首先,将两个方向压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用FISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,当水平与垂直方向压力差较小时(或侧压系数较小时),围岩中出现了"狗耳"形的V型坑,岩爆之后围岩能保持稳定。当侧压系数适中时,可以相继观察到V型坑和U型坑(或"平底锅"形坑),岩爆之后围岩仍然是稳定的;当侧压系数较大时,围岩中先产生V型坑,然后是U型坑,之后由于剪切带相互贯通,形成了"鱼鳞"形的破坏区域,它们位于巷道顶部之上和底部之下,这将造成围岩的失稳。然而,在巷道两侧未观察到破坏现象。

考虑中间主应力的非均匀应力场圆形巷道围岩塑性区分析

基于Drucker-Prager准则,引入中间主应力系数,推导出不同侧压系数下巷道围岩塑性区边界线方程,用于预测不同侧压系数下巷道围岩塑性区的大小和形状。用单因素分析法,考虑不同中间主应力下,巷道围岩塑性区半径的变化规律。在侧压系数λ=1的时候,对在D-P准则下和在Mohr-Coulomb准则下巷道围岩塑性区的大小进行比较。侧压系数越偏离于1,巷道围岩塑性区水平方向和垂直应力侧差异增加,对围岩塑性区的大小和形状影响也越大;随中间主应力增大,塑性区范围越小。

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^(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.

圆形巷道围岩应力场的自然边界元法

根据复变函数法和复Fourier级数法,通过自然边界归化分别得到了圆形巷道在整体平衡支护及局部非平衡支护时围岩内Airy应力函数的边界积分公式,并得到了各自应力场的解析解或数值解;对比分析了这两种应力场随侧压系数或支护角度变化的分布规律,计算表明,局部支护时随着侧压系数或支护角度的增加,压应力峰值下降,使得上覆岩层的稳定性得到提高.

考虑中间主应力对圆形巷道Hoek-Brown准则解的影响

为了建立更加适用于深部巷道围岩塑性解分析的Hoek-Brown准则,获得更加准确的巷道围岩塑性区范围及其支护变形量。通过将洛德参数表示的中间主应力带入Hoek-Brown准则中,经过理论公式的推导,获得巷道围岩塑性区的应力和半径以及巷道周边位移的解析解。经算例分析,随着中间主应力的减小,塑性区范围也减小,当中间主应力趋近于第三主应力时,塑性区范围为最小;并且支护阻力和原岩应力对巷道塑性区范围也有一定影响;最后将计算的结果与MohrCoulomb准则对应的卡斯特纳解进行比较,发现文中建立的Hoek-Brown强度准则更加适用于深部巷道塑性区分析。由此可知考虑中间主应力的Hoek-Brown强度准则,更能全面分析巷道围岩塑性区的范围,获得更为准确的结果;在工程实践中,在易破坏的地段取地应力值时,应适当的增大中间主应力的取值,并且刚开挖巷道应及时支护,这样可有效的维护巷道围岩的稳定。

岩石峰后脆性对圆形巷道围岩破坏及能量释放影响的数值模拟——兼谈滑移线与分区破裂化现象的差别

利用FLAC模拟了不同岩石峰后脆性条件下圆形巷道围岩的破坏区分布及能量释放规律。在计算中,采用了应变软化本构关系及"先加载,后挖洞"方式。模拟结果表明,随着峰后脆性的增加,围岩中发生破坏的单元变多,释放的弹性应变能总量增加,巷道围岩越来越难于再次达到平衡状态;尽管在一些算例中出现了沿环向发展的破坏区,但是不认为这与分区破裂化现象有关;难于采用二维的滑移线或破坏特征线解释分区破裂化现象。围岩分区破裂化现象的研究可从三维连续介质模型的空间局部化视角出发,亦可从二维颗粒体模型的颗粒相互作用机制视角出发,这两种思路都引入了二维连续介质模型中不具备的因素。

横观各向同性岩体中深埋圆形巷道的位移解析解

自然界中具有层状构造的沉积岩约占陆地面积的2/3,而中国占到77.3%,许多变质岩也具有显著的层状构造特征,所以在采矿工程中遇到大量的层状岩体稳定性问题。对于层状岩体,在力学上可将其处理成横观各向同性体。根据横观各向同性弹性力学的平衡方程、物理方程和几何方程,推导了横观各向同性岩体在极坐标系下的相容方程,得到了二向不等压应力条件下横观各向同性岩体中深埋圆形巷道的位移解析解。虽然在推导中假设巷道横断面平行于各向同性面,但位移解析解表明,围岩径向位移不仅与各向同性面上的弹性模量和泊松比有关,而且与垂直各向同性面方向的弹性模量和泊松比有关。