基于三剪能量屈服准则的岩石弹塑性耦合模型

为建立能够准确描述岩石变形过程中能量演化规律的力学模型,提出利用三剪能量屈服准则和弹性剪应变能获取岩石黏聚力与内摩擦角,以及基于三剪能量塑性势函数获取剪胀角的方法,依据所提方法和岩石循环加卸载试验数据,得到了各级围压下不同塑性累积阶段岩石的弹性模量、黏聚力、内摩擦角及剪胀角等参数,发现随着塑性变形的增大,弹性模量呈负指数关系减小,黏聚力峰前线性增大而峰后呈负指数减小,内摩擦角满足比例参数为1、形状参数为1.5的Weibull函数,剪胀角线性减小;随着围压的增大,弹性模量和黏聚力均呈线性关系增大而剪胀角呈线性减小。建立岩石三剪能量弹塑性耦合力学模型,实现了模型在有限差分软件中的二次开发并编写了能量演化监测程序。模拟岩石室内试验,结果表明所建模型能较准确地描述岩石后继屈服过程中的硬化软化、剪胀、围压效应以及能量演化等力学行为。研究成果可为从能量角度研究岩体失稳提供理论支撑和现实手段。

基于三剪能量屈服准则的应变软化岩石统计损伤本构模型研究

岩石的变形破坏本质上是能量转换的结果。为更加合理地构建岩石的本构模型以及探讨岩石的变形破坏特性,先引入统计损伤理论,假定岩石微元强度服从Weibull分布,推导出岩石的损伤本构方程;然后从能量角度分析岩石的变形破坏特性,构建了基于三剪能量屈服准则的岩石微元强度,进而建立起基于三剪能量屈服准则的应变软化岩石的统计损伤本构模型,模型中参数的物理力学意义明确;最后以一组岩石三轴压缩试验数据为例,对所建立的本构模型的可靠性和实用性进行了验证。结果表明:利用所建立的本构模型得到的岩石应力-应变理论曲线与试验结果吻合度很好,该模型能够很好地反映岩石变形破坏过程中的典型特性,并能够模拟任意围压条件下岩石的应力-应变曲线,且模拟曲线能够反映出围压对岩石变形破坏的影响,表明该模型具有可靠性和实用性。

基于三剪能量理论的巷道围岩弹塑性分析

针对弹塑性圆形巷道,应用三剪能量屈服准则,理论推导了塑性区半径、应力及径向位移公式,在塑性区半径公式的基础上,应用Mohr-Coulomb准则,进一步推导了破裂区应力及位移公式;通过具体算例,分析了不同影响因素对塑性区半径的影响。实例表明:原岩应力、黏聚力、支护反力、围岩应力对塑性区半径有一定影响。原岩应力及支护反力均随塑性区半径的增大而增大,但支护反力对塑性区半径的影响变化不大,当增大到一定程度时,半径将保持不变;黏聚力随塑性区半径的增大而降低;围岩应力随塑性区半径的增大而增大,当半径达到塑性区半径时,切向应力将保持不变,其值为原岩应力值,而径向应力在一定范围内仍将保持递增,但递增率减小,一直到原岩应力值;对比于单剪条件(Mohr-Coulomb准则),得出了三剪能量准则条件下的巷道围岩弹塑性公式比Mohr-Coulomb准则条件更为准确的结论。

基于三剪能量屈服准则的地下水平盐岩储库腔壁稳定性分析

为解决地下水平盐岩储库的稳定性问题,在三剪能量屈服准则和试验研究的基础上,建立一个新的基于洛德角和应力的全应力状态的扩容准则。以建立的准则为判据,在不同轴比、不同侧压系数条件下,对常见的水平椭圆柱形的盐岩储库腔壁稳定性进行评价,最终确定储库的最佳轴比及其运营的极限气压范围。将计算结果与Kerry DeVries准则的计算结果进行对比,结果表明:该准则为确定地下水平盐岩储库运营时的极限气压提供了行之有效的理论方法。

矩形巷道塑性区宽度计算方法研究

针对矩形巷道,运用三剪能量屈服准则作为巷道围岩的塑性条件,以极限平衡理论为基础,结合应力平衡原理,推算出矩形巷道边帮的塑性区宽度的计算公式,分析了不同的巷道开挖宽度和屈服准则下的塑性区宽度的变化趋势;采用单因素分析法,进一步分析了岩体粘聚力、岩体内摩擦角和原始地层压力对塑性区宽度的影响。结果表明:塑性区宽度随巷道开挖宽度和原始地层压力的增大而增大,随岩体粘聚力和内摩擦角的增大而减小;相同巷道宽度下,塑性区宽度的三剪能量屈服准则解相对于Mohr-Coulomb准则解和Drucker-Prager准则解偏小。