修正Mohr-Coulomb准则下倾斜基岩中桩端极限承载力研究

为计算倾斜岩面浅嵌岩桩极限承载力,本文基于修正Mohr-Coulomb强度准则提出了倾斜岩面浅嵌岩桩桩端承载力计算方法。采用特征线法构建了桩端面以下塑性发展区,考虑岩面倾斜角几何关系,推导了倾斜岩面位移滑移场;进一步通过黎曼不变量控制方程,求解了倾斜岩面浅嵌岩桩基极限承载力公式。分析了倾斜岩面坡角、岩体完整性参数以及岩体内摩擦角等因素对桩端承载力的影响。结果表明:浅嵌岩桩基嵌入深度达到极限嵌入比时,桩基达到极限承载力;当嵌入比大于极限嵌入比时,桩端承载力系数不受倾斜坡角和嵌入比影响,此时可按平地桩基进行分析计算;极限嵌入比随倾斜坡角的增大呈幂函数增大,且在岩石完整性较差时,极限嵌入比随岩体内摩擦角的增大而显著增大;当嵌入比小于极限嵌入比时,桩端承载力系数随倾斜坡角的增大近似线性减小,需考虑岩面倾角对桩基承载力的影响。

基于Mohr-Coulomb准则隧道围岩-支护体系协同作用下支护强度分析

确定围岩-支护结构体系动态协同变形关系是地下工程支护需要解决的关键问题之一。运用Mohr-Coulomb准则推导隧道开挖支护后围岩径向变形与支护结构径向变形的协同方程,探讨Ⅳ级围岩塑性半径、围岩位移及支护刚度随支护强度的变化关系;并运用FLAC3D数值模拟验证协同变形方程的合理性和有效性。结果表明,围岩-支护结构体系协同变形方程能很好地反映围岩位移和塑性区半径随支护强度变化的关系,且相互关系是非线性的。支护强度为0.75 MPa时,理论计算拱顶沉降为18.9 mm,数值模拟拱顶沉降为21.6 mm;支护强度为1.5 MPa时,理论计算拱顶沉降为11.2 mm,数值模拟拱顶沉降为11.1 mm,表明围岩-支护结构动态协同变形方程的有效性。针对Ⅳ级围岩在采用超前支护和交叉中隔壁法(cross diaphragm,CRD)施工时,建议支护强度设计为0.75~1.5 MPa,支护刚度设计为59.8~375.0 kN/mm。

基于Mohr-Coulomb准则和二阶锥规划技术的轴对称自适应下限有限元法

轴对称Mohr-Coulomb准则屈服面的角点问题导致其在数值计算中存在困难,如何高效处理该屈服准则一直是极限分析下限有限元法的重要内容。首先,引入完全塑性假定将轴对称Mohr-Coulomb准则转化为1组不等式约束和3个线性等式约束;然后,将不等式约束直接转化为二阶锥约束,避免了对角点进行光滑近似处理;最后,将基于Mohr-Coulomb准则的轴对称极限分析下限有限元计算模型转化为具有较高计算效率的二阶锥规划数学优化模型。极限分析下限有限元法采用的线性应力单元难以精确模拟破坏区域的应力变化,单元的分布形式对计算精度存在较大影响。因此提出一种基于单元应力的网格自适应加密策略,通过判断单元内节点应力接近屈服的程度,自动识别破坏区域待加密的单元,实现对破坏区域应力分布的精确模拟,进而能够以较少单元获得高精度下限解。通过分析圆形基础承载力及竖向锚板极限抗拔力等典型轴对称岩土工程稳定性问题,表明了所提方法具有较高计算效率及计算精度,具有一定的理论价值和应用前景。

基于修正Mohr-Coulomb准则的弹塑性本构模型及其数值实施

针对Mohr-Coulomb准则高估岩土体抗拉性能的局限性,建立考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型;系统地论述隐式本构积分算法的主要内容,推导相应的一致性刚度矩阵。以ABAQUS软件为平台,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序,对单轴拉伸试验和三轴压缩试验进行数值模拟,对比分析ABAQUS自带模型和自编模型的优劣,结果表明编写的修正Mohr-Coulomb模型能够有效地反映岩土介质的抗拉性能,弥补了ABAQUS自带模型的不足。

基于应变率效应的岩石动态Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则研究

在考虑强度准则参数粘聚力c、内摩擦角φ和岩石材料常数m随应变率增加而变化的基础上,分别提出了基于应变率效应的岩石动态Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则。花岗岩材料在6种围压下的三轴试验结果表明:当应变率从10^(-4) s^(-1)增加到100 s^(-1)时,粘聚力c和岩石材料常数m均随应变率增加而增加,但是内摩擦角φ则随应变率增加而减小。为此,给出了上述3项参数随应变率变化的函数关系,并在此基础上,分别提出了考虑率效应的动态Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则表达式。通过理论计算结果与试验数据的对比,发现动态Mohr-Coulomb准则适应于低围压情况,而动态Hoek-Brown准则在低围压和高围压情况下均适用。

基于Mohr-Coulomb准则的球形洞室围岩应变软化弹塑性分析

通过用一系列的塑性流动与脆性跌落近似逼近峰后应变软化过程,将开挖球形洞室引起的塑性变形区划分为k个同心球壳。假定各球壳内岩体均质且各向同性,采用Mohr-Coulomb准则和非关联流动法则对受静水压力球形洞室围岩的应力和变形进行理论计算。由各球壳内岩体属性表征点建立岩体再破坏的补充方程,得到了围岩塑性半径求解方程组。通过算例验证了方法的合理性。最后,考虑岩体进入峰后阶段后,变形参数也随之劣化,讨论了弹性模量线性劣化对洞壁位移、软化半径和破裂半径的影响。

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.

非线性Mohr-Coulomb准则适用范围及其改进研究

SINGH M为克服(Mohr-Coulomb M-C)准则只能线性表征岩石强度随围压变化这一局限性,在M-C准则的基础上添加一个修正项对其进行改进,提出非线性M-C准则。该准则认为,岩石在围压达到其单轴抗压强度时岩石就进入临界状态,此观点与部分岩石的试验结果有较大的出入,使得该准则的适用范围受到影响。为拓宽非线性M-C准则的适用范围,通过对其修正项的进一步改进,提出M-C准则修正一般表达式。应用11种岩石三轴试验数据对M-C准则修正一般表达式、非线性M-C准则和目前岩石力学界认为较好的双曲线型准则的精度进行比较,结果显示,M-C准则修正一般表达式对岩石三轴强度的拟合精度高于其他两种准则,且由岩石三轴试验强度的一致性更好。证明M-C准则修正一般表达式优于非线性M-C准则,且适用范围更广。

适用于多夹层盐穴储气库的改进Mohr-Coulomb准则

考虑到多夹层盐岩在三轴压缩和拉伸应力状态下破坏强度的差别较大,对盐岩破坏的Mohr-Coulomb准则进行修正,得到改进后的Mohr-Coulomb准则,利用室内盐岩实验数据回归出相应的公式,并与已有的两种准则的计算结果进行对比。建立了多夹层盐穴储气库有限元模型,分析了储气库的埋深、顶跨、顶部盐岩厚度、顶部相邻非盐岩层厚度及弹性模量等参数对储气库最小许可运行压力的影响规律,并对比了改进Mohr-Coulomb准则与已有准则的计算结果。综合研究表明:改进Mohr-Coulomb准则与实验数据具有很好的一致性,能够反映盐岩从三轴压缩应力状态转换为三轴拉伸应力状态时破坏强度变化对储气库最小许可运行压力的影响;储气库最小许可运行压力梯度随着顶跨的增加而增加,随着顶部相邻非盐岩层弹性模量的增加而降低,而顶部盐岩和相邻非盐岩厚度对其影响不显著。

基于Mohr-Coulomb准则的岩石损伤统计本构模型

通过损伤变量来建立合适的岩石本构模型可以更真实地反映岩石的破坏过程。基于岩石微元强度概率分布理论,以Mohr-Cou lomb破坏准则作为分布参量,从理论上建立了岩石损伤变量演化方程和三轴条件下损伤统计本构模型,可采用曲线拟合法与极值法求解所建立模型的参数。用试验结果对所建模型进行了验证,较好的吻合性说明所建模型是合理的。研究表明,用Mohr-Cou lomb准则作为统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,真实反映岩石强度受应力状态影响的现象,在岩石破碎和井壁稳定等方面具有一定的应用价值。

Mohr-Coulomb准则屈服概率解析

基于Mohr-Coulomb准则和可靠度理论,视岩土材料的强度参数为服从正态分布的随机变量,建立了Mohr-Coulomb准则屈服概率的解析表达式,并通过Monte-Carlo法和一次二阶矩法验证了其正确性。应用所得到的公式分析了岩土材料强度参数的变异性对屈服概率的影响。计算表明,强度参数对屈服概率的影响程度不尽相同,在变异系数较大的情况下,内摩擦角对屈服概率的影响显著,不可忽略。

基于Mohr-Coulomb准则的初期支护与围岩耦合作用分析

巷道开挖后,破坏了原有的平衡状态,发生应力重分布,当超过围岩的承载能力时,必然会引起围岩破坏甚至地下岩体的整体失稳。在这种情况下,应设置初期支护。但是现在仍缺少对支护参数的准确的理论计算,最多地还是借助于经验类比法,这样就造成支护的安全性不够或不够经济。基于Mohr-Coulomb准则,分析了初期支护与围岩的耦合作用问题,提出了更加安全经济的设计方法,可以对工程的设计和施工提供更加可靠的理论依据。

基于Mohr-Coulomb准则的碟盘刀具径向载荷模型

为构建碟盘刀具破岩径向载荷的理论模型,揭示其与煤岩的作用关系,通过分析弧形刀刃和楔面与煤岩的作用载荷,采用赫兹接触理论及Mohr-Coulomb准则研究刀刃和楔面的载荷特性,运用矢量叠加原理构建了刀刃和楔面矢量合成碟盘刀具破岩径向载荷模型。通过实验研究不同截割厚度和楔面角的载荷谱,获得了载荷谱峰值和频率特征值,与所构建的理论模型进行对比分析。结果表明:碟盘刀具径向载荷随截割厚度的增大呈增大趋势,楔面角度在35°~50°范围,径向载荷随楔面角的增大呈增大趋势;碟盘刀具径向载荷的理论与实验具有一致性,最大误差在6%左右,验证所建立理论模型的准确性。

Mohr-Coulomb准则在采场围岩稳定性分析中的应用

采场围岩的稳定性直接关系到矿井的安全生产,因此对采场围岩稳定性的分析显得尤为重要。结合岩石质量指标(RQD)分类、Q分类、RMR分类、岩体结构分类和数值模拟等几种常用的围岩稳定性分析方法,并借助Mohr-Coulomb强度准则,得到一种利用围岩节理面倾角β和岩体内摩擦角φ_j之间的关系来分析围岩稳定性的方法,该方法是一种较为简洁方便的定量分析方法。

基于Mohr-Coulomb准则的岩石损伤本构模型研究

在Mohr-Coulomb准则及岩石微元强度服从对数正态随机分布的基础上,结合岩石三轴应力应变试验曲线,建立了能反应岩石破裂全过程的三维损伤本构模型.在此基础上重点研究了对数正态分布参数对岩石损伤统计本构模型的影响,从而寻找出分布参数与围压σ3的关系.研究结果表明该模型形式简单、参数容易获得、与试验数据符合程度较好.依据该模型理论,在VC++开发环境中为FLAC3D开发出数值计算所需的本构模型动态链接库,然后采用该本构模型进行数值计算,将数值计算结果与理论结果和试验结果进行对比,结果表明开发的本构模型具有一定的合理性,为同类工程应用奠定了基础.

基于Mohr-Coulomb准则的铸铁抗压强度分析

从线性Mohr Coulomb准则出发 ,导出复杂应力状态下考虑内摩擦影响时灰口铸铁的抗压强度条件 ,得到更符合工程实际的强度计算公式 ;指出现行铸铁抗压强度条件的不足 ,讨论导出公式的适用范围。分析铸铁压缩破坏时滑移面的位置及许用剪应力和许用压应力间的关系 。

基于Mohr-Coulomb准则的缓倾斜层状矿床矿柱强度估算及倾角效应

矿柱强度是评估矿柱稳定性的重要因素之一,矿柱的稳定是地下矿床安全开采的基础。以弹性力学理论为基础,分析了缓倾斜层状矿床中矿柱的受力状态,应用图解法绘制出表征矿柱应力状态的广义莫尔圆。根据应力圆与Mohr-Coulomb强度包络线之间的关系,建立了矿柱强度解析式,分析了莫尔圆圆心所在直线斜率tan_β随矿体倾角的变化特性,并结合数值模拟,研究矿体倾角效应对矿柱强度的影响。研究表明:应力圆圆心所在直线斜率tan_β是矿体倾角θ及侧压系数λ的二元函数,当tan_β取得最大值时,矿柱强度最小;当矿柱宽高比w_p/h_p保持一定且矿体倾角在5°～45°区间时,随着矿体倾角增大,矿柱强度逐渐减小。研究可为缓倾斜层状矿床矿柱强度估算提供参考。

Mohr-Coulomb准则下倾斜矿柱稳定性的安全系数法

地下矿床开采中,矿柱的稳定是矿床安全高效开采的基础,是采场作业人员的安全保障。以弹性力学理论为基础,分析正应力和剪应力共同作用下倾斜矿柱的受力状态,应用图解法绘制出表征矿柱应力状态的应力圆。根据应力圆与Mohr-Coulomb强度包络线之间的关系,建立了考虑矿体倾角及矿柱受正、剪应力共同作用下矿柱的安全系数解析式。应用该安全系数解析式能很好评价任意倾角矿柱的稳定性,并分析了水平矿体时,以安全系数评价的矿柱稳定性与实际矿柱稳定状态吻合。最后分析了应力圆圆心所在直线斜率tanβ、矿体倾角θ等因素对倾斜矿柱稳定性的影响。研究表明:应力圆圆心所在直线斜率tanβ是矿体倾角θ及侧压系数λ的二元函数,对每个侧压系数λ,tanβ均能取得一次最大值,且侧压系数λ值不同,tanβ取得最大值亦不同;当侧压系数λ∈[0,1]时,tanβ取得最大值时对应的矿体倾角θ∈[45°,90°];当tanβ取得最大值时,矿柱的安全系数最小,矿柱最容易失稳;随矿体倾角的增大,矿体安全系数呈现先减小后增大的变化趋势。

Mohr-Coulomb准则的试验验证与修正

利用真三轴试验数据,检验Mohr-Coulomb准则对岩土材料的适用性,讨论并确定一种已有形状函数的模型参数,并利用该形状函数对Mohr-Coulomb准则进行修正,以试验为基础提出黏结力c和内摩擦角ϕ的动态计算式及考虑材料拉压差异的拉压强度比K计算式。研究结果表明:Mohr-Coulomb准则对岩土材料的适用性较差,只能在一定三轴压缩条件下对压缩试验点进行预测,对拉伸强度试验点的预测性差;K越小,模型参数m对Van Eekelen形状函数的影响越大,当m=-0.23时,该形状函数的外凸性最优;修正后的Mohr-Coulomb准则对岩土材料的适用性较好,极限迹线变化规律与试验规律相符,对K预测精确;基于试验结果对c和ϕ的动态计算是可行的,考虑参数的变化能使修正后Mohr-Coulomb准则对岩土材料强度预测更精确,也说明非线性准则优于线性准则;修正的K计算式为静水应力p的单值函数,通过与修正的Lade-Duncan准则、峰值比法计算的K比较,考虑拉压差异的非线性计算方法更优。

Mohr-Coulomb准则主应力回映算法及在地基问题的应用

针对Mohr-Coulomb准则在应力空间中存在奇异点的问题,提出了主应力空间应力回映算法。分析了多屈服面下塑性流动法则,给出了应力更新过程中应力回映区域的判定方法,推导了不同映射区域下塑性因子的Newton-Raphson迭代求解式和应力更新方程,建立了对应的一致切线模量表达式。利用C++语言,编制了弹塑性有限元求解程序,并对岩土地基问题进行求解,计算结果的比对证明了所编程序的可行性和精确性。