Prediction of plastic zone size around circular tunnels in non-hydrostatic stress field

This paper discusses the calculation of plastic zone properties around circular tunnels to rock-masses that satisfy the Hoek–Brown failure criterion in non-hydrostatic condition,and reviews the calculation of plastic zone and displacement,and the basis of the convergence–confinement method in hydrostatic condition.A two-dimensional numerical simulation model was developed to gain understanding of the plastic zone shape.Plastic zone radius in any angles around the tunnel is analyzed and measured,using different values of overburden(four states)and stress ratio(nine states).Plastic zone radius equations were obtained from fitting curve to data which are dependent on the values of stress ratio,angle and plastic zone radius in hydrostatic condition.Finally validation of this equation indicate that results predict the real plastic zone radius appropriately.

基于物质点法的深部煤层水射流破岩成孔机制和影响因素

我国深部煤层气资源丰富,但深部煤层渗透率极低,高应力−压力环境下深部煤层气解吸困难,导致产量低下。水平井水射流冲孔造穴是一种大范围卸压增透煤层的新技术,但在深部赋存环境下其破岩成孔机制还有待研究。由于深部煤层赋存于高地应力、高应力差的地质环境,室内物理模拟实验难以开展。因此,首先基于黏弹塑性理论和物质点法建立了水射流冲孔破岩数值模型,该模型集成拉格朗日和欧拉算法的优势,能有效模拟射流破岩过程中的动量交换、煤岩大变形、破岩、流体剥蚀携岩反排等全过程。然后,通过该数值模型开展了深部煤层水射流破岩成孔机制和影响因素研究,得到结论如下:①深部煤层以高地应力荷载作用造成的剪切破坏为破岩的主导机制,射流主要起到冲蚀和携岩反排的作用,而无应力荷载时以水射流碰撞煤岩产生的应力波造成张拉破坏为破岩的主导机制,由于煤岩塑性较强,水楔效应不明显。②深部煤层高地应力荷载作用加速了破岩过程,冲出煤量比无应力荷载时高,同时应力荷载促使煤体向开孔方向移动,造成空腔体积减小,但塑性损伤区较无应力荷载时明显增大。③冲出煤量、塑性损伤区面积都随射流时间增加而增加,但增幅逐渐变缓。冲出煤量、塑性损伤区面积随入射角度的增加整体呈下降趋势,射流角度越小,水射流冲孔破岩效果越好,射流垂直入射并不是破岩的最佳方式。④冲出煤量、塑性损伤区面积随应力差、煤岩开孔宽度的增加而增加,但应力差的增加对深部煤层射流破岩的促进作用不大。煤层开孔宽度不宜过高,适当增加开孔宽度可以提高射流破岩效率。

露天矿高陡边坡岩体参数获取与稳定性评价方法研究

针对露天矿高陡边坡岩体参数难获取和稳定性易变化的问题,以攀枝花露天矿高陡边坡为研究对象,采用非接触式无人机摄影测量技术获取研究区域的三维模型,统计结构面的分布情况,结合室内岩石力学试验数据,采用《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)进行岩体质量分级,并给出边坡岩体强度力学参数建议值。在此基础上,通过有限单元法分析了矿区在开采条件下边坡的稳定性动态演化特征,并对开挖过程边坡的稳定性做出了评价。结果表明:随着矿区的开采,边坡在开挖面附近由于卸荷作用发生位移回弹,最大位移增量为33.2 mm;塑性区主要集中在断层和矿岩界面附近,以剪切屈服为主;边坡稳定性随着矿区的开采逐渐降低,直至达到临界稳定状态。采用锚索对边坡进行加固,并采用塑性区面积占比对加固前后的稳定性进行评价,评价系数α由加固前的0.4降低至加固后的0.05,证明了加固措施的有效性。研究成果可为露天矿高陡边坡岩体参数取值和稳定性评价提供参考。

基于数值模拟的高边坡加固效果分析

福州市某高边坡削坡后存在安全隐患问题,需要对其进行加固处理并验证加固方案的效果。在对该高边坡进行稳定性分析的基础上,选取一个代表性剖面构建边坡三维网格模型,采用有限差分法分析边坡加固前后在天然工况和暴雨工况下的塑性区和位移量。在天然工况和暴雨工况下,边坡加固后的塑性区面积相比加固前有明显的减少;天然工况下边坡加固前和加固后的最大位移量分别为29.6 mm和10.8 mm,暴雨工况下边坡加固前和加固后的最大位移量分别为54.9 mm和27.9 mm;坡面6个监测点加固后的位移量相比加固前的位移量均大幅下降。数值模拟结果表明,格构梁加锚杆的加固方案可有效抑制边坡变形,提升边坡整体稳定性。该研究对类似高边坡加固方案设计和验证具有一定参考价值。

基于塑性区体积的新式掘进机减尘方法设计及应用

为高效治理掘进机截割产生的高浓度粉尘,基于塑性区体积计算,从截齿割煤的源头着手,提出通过改变截齿齿尖角度和截割头旋转速度从源头减少粉尘产生的新方法,设计了以湿式除尘风机为主、控尘风幕和感应式全断面水幕帘为辅的综合降尘方案治理粉尘。结果表明,减小掘进机截齿齿尖角度、降低截割头转速后,呼尘和全尘产生浓度大幅下降,显著性检验结果表明粉尘浓度的变化是显著的;综合降尘措施对呼尘和全尘的降尘率分别为91.3%和95.1%,实现了高效粉尘防治的目标。

花草滩煤矿+1300 m水平西翼回风大巷支护模拟分析与应用

原开拓巷道投入大、成本高,为保证开拓巷道做到经济合理,有利于降低巷道综合成本,本文以花草滩煤矿+1300 m水平西翼回风大巷为工程背景,先进行钻孔窥视,采用钻芯法对岩芯岩性进行分析,进一步建立模型,运用FLAC3D数值模拟,分别模拟+1300 m水平西翼回风大巷在无支护、锚杆排距600 mm、800 mm和1000 mm等4种支护方案下围岩塑性区、围岩应力的分布,分析选择最经济合理的支护方案。根据围岩塑性区、围岩应力,选择800 mm锚杆排距,并进行了工业性实践。通过对新开拓的+1300 m水平西翼回风大巷的巷道顶底板和两帮的移近量进行监测,得到了该回风大巷的围岩变形数据,该变形量满足矿井的安全生产需要。

深埋高地应力隧道不同支护时机求解方法对比研究

为确定深埋高地应力隧道的合理支护时机,提高支护结构质量,降低支护成本,依托某高原深埋高地应力隧道,采用安全系数法、位移增量法和塑性区法分别求解支护结构的合理支护时机,并对比分析不同支护时机求解方法的适用性。结果表明:1)3种求解方法计算得到的洞壁屈服分布规律是一致的,均呈现出拱顶和仰拱比拱腰和拱脚更容易发生屈服的规律;2)不同支护时机求解方法的求解结果不同,在同等埋深下,采用安全系数法计算得到的安全距离大于采用塑性区法和位移增量法计算得到的安全距离;3)通过工程类比法发现,采用安全系数法求解支护时机更为合理,而塑性区法和位移增量法相对于安全系数法过于保守。

某矿山地下开采对地表河流安全性影响的研究

以某地下开采矿山为研究对象,在对其进行地质条件和开采技术条件综合分析的基础上,选取典型勘探线剖面作为研究对象,采用有限差分软件Flac 3D建立数值计算模型,研究不同开采方案地下开采对地表河流安全性的影响,并将其应用于现场,对其合理性进行验证。研究结果表明:-100~-400 m矿体可采用分段空场嗣后充填采矿法进行安全开采,-40~-100 m的矿体应采用分层充填采矿法或留保安矿柱的方法对其进行开采;目前地表河流稳定性较好,后期应加强对地表河流安全性的监测。该研究结果可为类似矿山进行安全和高效开采提供理论依据,对保护地表河流的安全具有重要的意义。

基于强度折减法裂纹贯穿隧道围岩稳定性分析

文笔山隧道穿过隧道断层带,围岩存在发育节理和裂纹。针对该情况,借助ABAQUS对裂纹以不同倾角贯穿隧道不同位置进行模拟,分析裂纹对隧道稳定性的影响。引入强度折减法和应力强度因子对隧道的稳定系数进行求解,评价隧道围岩的稳定性。结果表明:裂纹连接隧道的破裂面,围岩形成滑动区,不利于隧道围岩的稳定。从拱顶处贯穿隧道的45°倾角裂纹对围岩的稳定性最为不利;在隧道拱肩和拱脚处,裂纹的倾角越小,隧道围岩的稳定性越差;在倾角为90°时,由于从拱肩贯穿的裂纹靠近拱脚,隧道围岩的稳定性也因此降低。基于强度折减法计算结果,提出了以特征位置的改变量作为判据隧道围岩稳定性的新方法;对于文笔山隧道过断层带段,给出围岩加固方案以减小裂纹带来的不利影响,为工程提出指导意见。

2A12-T4铝合金搅拌摩擦焊接头裂纹尖端应力应变分析

为了更加准确地确定裂尖应变场范围以及定量地分析裂纹尖端应力大小,采用数字图像相关法得到了2A12-T4铝合金FSW接头裂纹扩展过程中裂尖应变场分布,然后采用有限元法计算了2A12-T4铝合金焊接试样内裂尖应力强度因子以及塑性区尺寸演化,采用断裂力学法计算了裂尖塑性区尺寸,将有限元模拟结果与计算结果对比。结果表明:应力强度因子及塑性区尺寸的有限元法计算结果与理论计算结果相近,误差在允许范围内,验证了用有限元法分析裂纹尖端应力强度因子以及塑性区尺寸的可靠性。

基于强度折减法的边坡三维有限元稳定分析

为研究地震工况下边坡的稳定响应,基于强度折减法,利用三维有限元模型对边坡进行静力分析和动力时程分析,对比不同工况条件下边坡失稳特征和边坡稳定安全系数。结果表明:高达98.6 m的水库软岩边坡开挖,通过喷砼、系统锚杆和局部预应力锚索等支护后,受地震工况影响,边坡整体位移量和特征断面位移量增加显著,最大位移增加量达到7.6倍;边坡塑性区深度增加明显,最大塑性区深度增加了1.5倍;坡体主应力值的变化量较小,且均为受压状态;在静力、动力工况条件下,边坡总体稳定,边坡安全系数降低约25%;静力、动力工况所对应有限元强度折减法安全系数均满足规范要求。

塑性应变能突变判据在重力坝动力抗滑稳定分析中的应用

重力坝在地震作用下的抗滑稳定性较静力工况下的复杂许多,需要合适的判据对其稳定状态进行判别。笔者通过提取地震后的重力坝坝基塑性应变能,建立其与折减系数的关系曲线,以坝基震后塑性应变能突变为失稳判据分析重力坝在地震作用下的抗滑稳定性,并与传统的特征点位移突变、塑性区贯通判据计算结果进行对比。结果表明:采用塑性应变能突变判据与传统判据的计算结果相近,准确性有保证;塑性应变能突变判据通过观测坝基震后整体塑性应变能这一单值变量的变化趋势来判定重力坝抗滑稳定性,得到的结果唯一,是分析重力坝动力抗滑稳定性的较优选择。

冲击压痕法测量残余应力中的塑性区问题

冲击压痕法作为近年来出现并已得到工程应用的一种新型残余应力测量技术 ,正在受到日益重视。已有试验结果表明 ,该方法的有效应用必须基于避开压痕周围的塑性区 ,利用压痕外的弹性区应变增量变化规律 ,但目前尚无定量的理论分析结果。本文采用有限单元法 ,通过数值分析研究了采用压痕法测定残余应力时压痕周围塑性区的变化规律 ,发现对于一般金属材料 ,当压痕直径为1.2mm、残余应力达到材料屈服强度时 ,从压痕中心算起的塑性区半径约为 4mm。该塑性区尺寸为设计专用压痕法测量残余应力用应变花提供了重要依据 ,从而可以保证应力测量时将应变栅布置在塑性区外 。

大断面黄土隧道开挖引起的围岩力学响应

以胡麻岭隧道为工程背景,采用现场监测与三维数值模拟结合的方法,分析隧道开挖后黄土围岩应力场、位移场与塑性区的变化规律;同时对台阶法施工中影响围岩力学响应的因素进行分析。结果表明:围岩接触压力分布很不均匀;拱腰、墙角和边墙是施工过程中的薄弱环节,应加强支护刚度,设置锁脚锚杆或扩大拱脚;建议取消拱部系统锚杆,既有利于控制围岩变形又可减少工程投资;支护结构调整了围岩应力的分配,改善了应力集中且控制了塑性区的发展,故应坚持"及时支护、及早封闭成环"的原则;上台阶支护对控制拱顶沉降起着关键作用,施工中应引起足够重视;拱顶沉降在变形允许范围内,说明现行支护设计参数满足安全性要求;掌子面空间效应的影响范围约为其前方2～3倍洞径;数值计算结果与现场实测结果基本吻合。

小净距隧道在不同开挖方式下的力学效应分析

结合某公路隧道出口端隧道间距较小的实际情况,运用数值计算的方法,对软岩条件下小净距隧道在不同开挖方式下达到稳定后围岩和复合衬砌的力学效应进行了分析,同时,考察不同净距对中夹岩墙塑性区的影响。结果表明:施工小净距隧道应慎重选择后继施工隧道的开挖方式;后继隧道施工的开挖方式直接对先行既有隧道锚杆、喷射混凝土和二次衬砌应力状态产生很大影响;中夹岩墙塑性区大小与净距紧密相关,同时,隧道埋深和围岩类别也是影响塑性区大小的重要因素。

基于拟静力法的大岗山坝肩边坡地震工况稳定性分析

以目前国内设计地震烈度最大的水电站工程——大岗山坝肩边坡工程为实例,根据规范,选用拟静力法对坝肩边坡地震工况下的稳定性进行分析,并对该方法进行相应改进。基于合理的边坡岩体参数、锚固参数和地震参数,对坡体在不同地震加速度下的应力、应变、塑性区及锚索应力进行研究。指出不同剖面地质条件下,不同烈度下边坡关键点位移随边坡高度的变化规律,同时得到不同剖面地震作用的主要影响区域(敏感区域)和地震中塑性区随地震加速度的演化规律,提出相应滑移模式,为支护提供依据。分析认为,考虑50a超越概率5%的地震加速度时,边坡的V类岩体和表面坡积物及岩脉γL5,γL6,XL316–1,XL9–15,β6处有较大塑性区,并呈贯通趋势。分析指出V类岩体分层线及岩脉XL316–1,XL9–15对岩坡稳定性有着重要的影响,建议调整V类岩体参数并进一步查明岩脉XL316–1,XL9–15的分布情况及连通率。

基于Hoek-Brown准则的隧洞围岩变形研究

由于在许多实际条件下,比如节理岩体中,线性的M-C准则不太适用,非线性的Hoek-Brown比较适用,因此,可以尝试使用这一非线性屈服准则对洞室变形进行研究。研究隧洞变形时,将围岩分为弹性区、应变软化区、塑性流动区。采用Hoek-Brown准则和非关联流动法则对洞室变形进行了理论推导;软化区域围岩参数随着塑性变形增加而变化,解析法难以求得应力,采用龙格-库塔方法进行数值计算,求解得到塑性软化区和流动区半径,并最终求得洞室变形。通过算例计算表明,在不考虑软化区和流动区时,方法和Carranza-Torres计算结果相差甚小;随着原岩应力的增加,膨胀角对洞室变形的影响增大。

含空洞地层初始破坏的复变函数解析研究

为分析城市浅部地层中椭圆形空洞的稳定性,采用复变函数理论求得了自重应力及竖向均布荷载作用下含隐伏椭圆形空洞地层应力场的精确解答。以莫尔–库仑剪切屈服准则及土体抗拉强度等于零为判别依据,求得洞周初始塑性区范围,分析了空洞形状及外部荷载对塑性区位态的影响。结果表明:1在自重应力场下,地层中近圆形或瘦长状椭圆空洞自身稳定性相对扁平状空洞较好;扁平状空洞以受拉破坏为主。2外部荷载作用下地层空洞破坏模式为拉–剪综合破坏,随着外部荷载的增大,剪切塑性区与受拉区贯通,并向地层深部转移,加速地层空洞的失稳破坏。3在大量分析计算的基础上给出了空洞地层的5种分区模式。空洞地层灾变事故控制的核心是空洞结构自身的稳定性,空洞地层初始破坏的分析是确定其破坏模式以及破坏区域的关键。研究结果对城市空洞地层灾变事故的预测、评估及其处理具有重要意义。

考虑跨中塑性铰的钢框架结构非线性分析

给出一种考虑跨中塑性铰的钢框架结构的非线性分析方法 ,该方法可以通过 1单元 /杆件来分析杆件上有分布荷载 ,从而可能会在杆件内部形成塑性铰的情形 .除此之外 ,该方法还可以考虑轴力的二阶效应、剪切变形、横截面塑化、残余应力、初始缺陷等几何和材料非线性因素的影响 ,既克服了塑性区法因单元划分过多而花费机时的缺陷 ,又弥补了塑性铰法不能考虑横截面塑化及仅在单元两端形成塑性铰的不足 .计算分析表明 ,结果令人满意 .

平面钢框架弹塑性大变形简化分析方法

提出了用准有限区域法来分析平面钢框架弹塑性大变形．根据采用内力形式描述的截面屈服面方程，首先推导了截面的一致切线弹塑性刚度矩阵，然后沿杆长积分得到梁柱单元的刚度矩阵．由于屈服面方程大都存在奇异点，提出加权法以获得奇异点处的截面刚度矩阵．采用协同旋转法处理大变形，采用Ｓｉｍｏ提出的算法使截面的内力组合保持在屈服面上．最后给出一个算例说明准有限区域法的有效性．