等主应力比路径下砂土弹塑性本构关系的数值建模

按照数值建模理论,建立了砂土在等主应力比路径下的弹塑性本构模型,给出了塑性体应变和塑性剪应变两组屈服轨迹,模型的建立为工程提供了一个符合土体中实际发生的应力路径的本构方程.同时,通过与常规三轴压缩路径和等p路径(TC)下的应力应变关系曲面和屈服轨迹的对比,发现三者之间存在着显著差别,证实了应力路径对本构关系的影响是不可忽略的.

平面应变下的主应力比对微孔洞损伤演化行为的影响

通过有限元计算,分析平面应变下的主应力比对微孔洞损伤演化行为的影响.计算结果表明,三向应力度q相同时,不同的主应力比2σ/1σ会引起不同的孔洞长大和聚合行为,从而使开裂路径和断裂时的应变不同.当2σ/1σ>1时,最大主应力为2σ,由孔洞长大和聚合所决定的开裂路径倾向于同2σ方向垂直.当2σ/1σ<1时,最大主应力为σ1,开裂路径倾向于同1σ方向垂直.随主应力比2σ/1σ的增加,孔洞面积分数fa随主应变1ε1的增加速率变大,断裂时的主应变(1ε1)f降低.因此在分析应力状态对材料的损伤断裂行为的影响及建立相应的力学模型时,不仅要考虑三向应力度σm/eσ,而且要考虑不同主应力比2σ/1σ的影响.

平面应变条件下膨胀土等主应力比卸荷试验研究

本文就膨胀土原状土样，在室内进行了平面应变状态下的等主应力比卸荷试验，目的在于模拟边坡开挖过程中土体的应力～应变特征。试验结果表明，土体的应力～应变关系呈双曲线型，具有明显的非线性性状。

金属薄板不同主应力比状态下力学性能研究

采用夹持器椭圆度分别为0、1/3、1/2和2/3的鼓胀试验方法研究金属薄板力学性能。结合单向拉伸实验能准确测量出金属薄板处于弹性阶段时应力应变关系这一特性,通过有限元模拟鼓胀试验,反求出金属薄板材料处于双向拉伸状态下真实应力应变关系。综合分析试验数据与模拟试验反求数据,对不同主应力比状态下金属薄板进行力学性能研究,得出定椭圆度的金属薄板所受的主应力比不是一固定值;鼓胀试验试件最大应变与椭圆度之间存在反比例关系,而主应力比与椭圆度呈正比例关系。

等主应力比路径砂土的弹塑性本构方程

为了模拟填土工程中土体的变形,需要建立在等主应力比应力路径下的本构模型.采用数值建模方法建立等主应力比路径下砂土的弹塑性本构方程.该模型能够反映填土施工中应力路径的影响.通过可视化,绘出了整个应力场中的三维变形曲面.通过与CTC路径下的变形曲面比较,发现两者之间存在显著差别,验证了应力路径对本构关系的影响是不可忽略的.

三向非等压应力场下围岩主应力差与塑性区分布关系研究

首先,以弹性理论为基础推导出考虑巷道轴向应力影响的主应力差解析式,通过变化水平侧压比、轴向侧压比研究完全弹性条件时不同应力场下主应力差分布形态演化规律。其次,推导出考虑轴向应力作用的围岩塑性区近似解,研究不同应力环境下围岩的塑性区形态演化规律。最后,对比分析主应力差及塑性区形态特征,研究二者分布形态的对应关系,并通过数值模拟验证理论分析的正确性。研究结果表明:在弹性理论下,三向应力场条件的主应力差值分布会呈现圆形、椭圆形、蝶形3种形态的演化规律;在考虑巷道塑性破坏的情况下,主应力差值在σx、σz较小一侧形成峰值壳,在较大一侧形成卸压壳。在不同水平侧压比及轴向侧压比情况下,围岩塑性区形态会呈现圆形—椭圆形、椭圆形—蝶形、蝶形恶性扩展3个阶段的演化过程。巷道主应力差的分布形态在一定程度上可以反映塑性区形态,主应力差和塑性区在相同应力条件下的形态特征具有逐一对应关系,且二者形态在很大程度上由水平侧压比决定,轴向侧压比对塑性区形态影响较小。160206回风巷在偏转式主应力差集中区形成非对称异化特征。本文基于分析及现场破坏情况提出的联合协同支护技术在现场应用效果较好。

大倾角煤层开采顶板主应力方向分布特征及力学分析

为了分析大倾角煤层开采顶板最大主应力方向旋转对顶板变形破坏的影响,以新疆焦煤集团2130矿25221工作面为背景,采用物理相似模拟实验、FLAC^(3D)数值模拟方法对大倾角煤层开采过程中顶板破坏及岩层结构演化特征、最大主应力方向等值线分布及其对顶板破坏影响进行分析,在此基础上建立顶板力学模型,讨论了顶板挠度分布特征。结果表明:随工作面推进,顶板破坏包络线上方承载拱拱体范围逐渐增大,拱顶逐渐向岩层中上部延伸;顶板的最大主应力方向等值线分布形态由“m”逐渐向“n”型演化(采空区中、上部区域顶板最大主应力方向偏转程度较大),在主应力方向偏转和最优扩展裂隙角协同作用下,促使顶板中上部发生破坏并逐步向高位岩层迁移;建立顶板力学模型,通过Python编程将顶板数据代入计算可得,在顶板岩层倾向4/5处出现挠度峰值。

考虑中间主应力效应的修正Hoek-Brown真三轴强度准则

为改善Hoek-Brown强度准则未考虑中间主应力对岩石强度的影响,通过岩石真三轴试验结果分析了岩石强度的演化规律,引入中间主应力系数,量化分析主应力系数对岩石真三轴强度的影响,考虑Hoek-Brown强度准则中的参数和岩石应力水平间的关联性,提出了基于拉格朗日插值方法的修正岩石真三轴Hoek-Brown强度准则,分析了其空间包络特征。最后,利用7种岩石的真三轴试验数据与其它3种真三轴强度准则进行最优拟合误差分析,探讨了修正强度准则的合理性。研究结果表明:岩石强度随着最小主应力的增加逐渐增大,随着中间主应力的增加则呈现先增大后减小的变化规律,表现出显著的区间效应;修正强度准则不仅能够继承Hoek-Brown强度准则在子午面上的非线性优点,且能够表征岩石强度在应力空间中的基本特性;线性和非线性插值形式的修正强度准则空间包络面分别为非等边的六棱锥面以及能够满足拉压子午面区间连续光滑要求的圆锥面;修正强度准则能够较好地预测岩石真三轴试验强度,较为合理地反映中间主应力对岩石强度的影响;相比于线性插值形式强度准则,二次插值形式强度准则能够提高岩石强度的预测精度1.2~2.0倍;相较于其他真三轴强度准则,修正强度准则对不同硬脆性岩石的真三轴试验结果均具有良好的强度预测精度,体现了修正强度准则的适用性和可靠性。

基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法

连续碳纤维复合材料3D打印成型零件的力学性能对纤维的铺设方向有需求,传统的路径规划方法基于零件的形状轮廓进行填充,不能满足零件的实际使用性能。针对这一问题,提出基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法。基于连续碳纤维复合材料三维模型的有限元分析数据,通过材料力学计算得到相应的主应力轨迹线;通过连续碳纤维复合材料3D打印的打印参数对得到的主应力轨迹线进行调控,保证每一条轨迹线之间的间距契合3D打印要求;通过坐标变换调整有限元分析坐标系以及打印机坐标系;通过以上调控生成用于连续碳纤维复合材料3D打印的G code规划文件。通过路径规划仿真对比和打印拉伸实验,基于主应力轨迹线生成的连续碳纤维复合材料3D打印路径比传统直线碳纤维复合材料3D打印路径性能提高了4.5%,验证了基于主应力轨迹线的连续碳纤维复合材料3D打印路径规划方法的有效性。

中间主应力系数对页岩气渗流特性及气体滑脱效应的影响

页岩气的渗流特性极大地影响着采收率,但对页岩气渗流特性的研究大多是在不同围压条件下开展的,其结果尚不能揭示中间主应力对渗透率的影响。因此,选用涪陵页岩气区块志留系龙马溪组页岩露头立方体岩石试件,采用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了页岩真三轴流固耦合试验,利用Klinkenberg方程拟合试验数据分析不同中间主应力系数对页岩气渗流特性和气体滑脱效应的影响。试验结果表明:①当偏应力较小时,中间主应力对页岩渗透率演化的影响较小,而当偏应力增加时,其影响越大且越不可忽略;②滑脱系数—固有渗透率的关系式与试验数据的拟合结果显示二者具有良好的相关性,可用于对同区块页岩滑脱系数的预测;③当偏应力小于或等于35 MPa时,滑脱效应贡献率保持在65%以上,表明此时滑脱效应主导着页岩中气体的渗流。

梯度应力作用下不同中主应力对岩爆影响的模型试验研究

为探究围岩切向应力梯度加载过程中不同中主应力对岩爆孕育及破坏的影响,借助自主研发的气液复合加载装置,开展类岩石材料模型试件在3种不同中主应力条件下的真三轴岩爆模拟试验。试验过程利用高速摄像机与声发射监测系统进行监测,对比分析各试件岩爆宏观破坏差异与声发射参数演化规律。研究结果表明:随中主应力增大,试件破坏荷载增大,岩爆破坏瞬时突发性增强,岩爆碎屑总质量及各粒径碎屑质量增加,试件破坏规模越大。加载前、中期高中主应力条件下试件的声发射活动减弱,表明高中主应力条件抑制了试件损伤与裂隙发育;加载后期高中主应力条件下试件的声发射振铃计数与能量释放愈发集中且能量峰值与累计值提高,声发射b值骤降至更低水平,高主频幅值点占比增加,表明高中主应力条件加剧了试件损伤与裂隙发育,大尺度裂纹及剪切裂纹数目增多,岩爆瞬间能量释放更猛烈,致使试件破坏更严重,岩爆剧烈程度更高。

中间主应力对花岗岩双轴压缩破坏过程的声发射演化特征影响

为了探究中间主应力对花岗岩双轴压缩破坏过程的声发射演化特征影响,对花岗岩于不同中间主应力下双轴压缩破坏过程的声发射信号开展了时域及频域多角度综合分析。试验结果表明:中间主应力对花岗岩双轴压缩破坏的声发射前兆有显著影响,即随着中间主应力增大,声发射累计振铃计数达到连续性急剧突变增长阶段的应力水平减小,b值的连续下降速率减小,优势频段(125~250 kHz)占比发生明显转变时的应力水平降低,但低频高幅值信号所占比例增加。得到了花岗岩双轴压缩破坏的多种声发射前兆特征,即在岩石失稳破坏前夕,声发射累计振铃计数呈现连续性急剧突变增长以及b值持续性显著下降,低频高幅值信号出现,优势频段(125~250 kHz)占比展现增加趋势。

非等压应力场下充填钻孔主应力差分布规律

为了探究非等压应力场下充填钻孔主应力差分布规律并评估其稳定性,采用理论分析、数值模拟和工程实例方法,分析了不同钻孔直径、垂直主应力σV、最大水平主应力σH、水平主应力比λ′下钻孔主应力差和塑性区的分布规律。结果表明:平行于最小水平主应力σh方向的钻孔内壁处均是主应力差最大区域;建立了不同λ′下钻孔主应力差最大位置计算模型,可为预测不同围岩深度下钻孔破裂发展方位提供理论指导;钻孔主应力差分布的数值模拟结果与理论计算结果基本一致,验证了理论分析的正确性。当围岩参数一定时,不同钻孔直径、σH、σV下主应力差分布均为类“8”字形,不同λ′下主应力差的分布形态转变历程为圆形→椭圆形→类“8”字形;围岩塑性区先出现在主应力差最大方位,即平行σh方向,后向平行σH方向发展;塑性区的存在可能导致围岩失稳,并使得钻孔横截面由圆形向椭圆形发展。以国外某铜矿充填钻孔为例,分析了围岩主应力差和塑性区分布规律,并计算了钻孔加固的最小泥浆压力,可为提高钻孔稳定性提供工程指导。

不同主应力方向下各向异性砂土力学响应的本构模型模拟

地下水位上升可能引发饱和松散土体边坡有效球应力降低从而诱发稳定性问题。等剪应力排水路径能够模拟饱和砂土边坡内土体单元在潜水面上升时的应力条件,但目前各向异性对于这种应力路径下土的响应的影响仍不明确。采用一个各向异性砂土弹塑性本构模型对不同主应力方向下的定轴等剪应力排水试验进行模拟,分析各向异性影响规律。该本构模型考虑了组构各向异性的演化及其对塑性模量和剪胀的影响,能够反映不同主应力方向对土体力学响应的影响。模拟结果表明,该模型能够较好地模拟不同主应力方向下饱和砂土在定轴不排水剪切和定轴等剪应力不排水条件下的响应。对于定轴等剪应力不排水应力路径,非稳定态时的平均有效应力随孔隙比和加载角度的增加而增加,不同初始组构强度对于等剪应力排水试验的结果有显著的影响。

卸荷砂岩渐进破坏及渗透特性的中间主应力效应研究

为了探究中间主应力对卸荷砂岩渐进破坏及渗流特性的影响,基于多功能真三轴流固耦合试验系统,以含气砂岩为研究对象,进行不同中间主应力条件下的卸荷试验;得到与裂纹体应变、损伤变量相关的指数型渗透率模型。结果表明:随着中间主应力的增加,裂纹闭合应力、起裂应力、损伤应力均呈现增加趋势,弹性段与微小裂纹扩展阶段在峰前应变中的占比增加;在微小裂纹扩展阶段,中间主应力方向上的变形受到约束,对最小主应力方向产生的压缩效应随着中间主应力的增大而增强;在宏观裂纹扩展阶段,损伤应力与峰值应力比较接近,试样破坏呈脆性特征;随着中间主应力的增加,初期渗透率减少量呈下降趋势,渗透率升高点发生后移。

中主应力对输电线路地基土强度影响研究

在静动荷载联合作用下,输电线路地基土所受到的应力路径十分复杂,同时在不同的输电线路路基上外界荷载或地形等因素也会对土体强度产生影响。为研究应力路径对土体的强度影响,文章采用空心圆柱扭剪仪(HCA)进行了一系列控制中主应力系数的定向剪切单元体试验。通过施加轴力和扭转模拟现实中的复杂路径,控制围压和中主应力系数b模拟现实中的复杂荷载情况,借此研究了不同中主应力系数和剪切角度对砂土的沉降和剪切强度的影响。研究表明:砂土的轴向破坏应力随角度的增大而减小;破坏广义剪应力随角度的增大而减小,并表现出明显的硬化;砂土的破坏广义剪应力与b值呈现负相关。

考虑主应力方向的Q_(2)原状黄土定向剪切试验研究

为了研究在定向剪切下主应力偏转角对Q_(2)原状黄土强度与变形特性的影响,探讨了在定向剪切荷载作用下Q_(2)原状黄土的变形与强度特性,对比分析了重塑黄土与原状黄土结构性对剪切特性和非共轴特性的影响。结果表明:由于原状黄土内部结构性差异,当主应力偏转角α在0°和15°时,应变增量方向角随着α的增加而逐渐增加,非共轴性增强;当主应力偏转角α在30°~90°之间时,应变增量方向角随着α的增加而逐渐减小,非共轴性减弱,整体上呈先增强后减弱的趋势。该原状黄土达到破坏时的总广义应变值较小,通常为2%左右达到峰值强度,然后迅速发生较大变形而破坏。

深部水平主应力方向对煤巷围岩稳定性影响规律研究

为了保证深部巷道掘进过程中围岩稳定,深入分析巷道布置方向和深部水平主地应力分布之间的关系,以首山一矿为工程背景,利用理论计算方法求出最优角度,使用数值模拟方法分析煤巷布置轴向与最大水平主地应力σH不同夹角时模型的塑性区分布,最大主应力差变化和围岩变形特征。结果表明:煤巷掘进后从煤巷壁面到围岩深部围岩的最大主应力差大致可以分成“增长-降低-稳定”三区;当作用在煤巷两帮的水平法向应力σn与垂直主地应力近似相等时水平地应力对煤巷布置掘进稳定性影响最小,根据对现场数据的理论计算和模拟结果的分析,巷道轴向与σH夹角大小为30°左右时巷道较为稳定。

采场等效孔模型及主应力旋转规律

针对采场侧方巷道非对称破坏现象严重、巷道周边主应力旋转规律不明确的问题,基于主应力方向旋转下的非等压圆孔塑性区边界方程和蝶形破坏理论,阐述了巷道周围主应力旋转与巷道非对称破坏之间的联系。建立采场等效孔的理论模型,研究了不同初始侧压系数下采场侧方主应力方向旋转的演化规律,以神东布尔台矿22205工作面为工程背景,通过理论分析与数值模拟,沿推进方向对采场的不同位置进行等效孔拟合,验证了采场等效孔模型的可靠性,为采场侧方主应力旋转角度的确定提供了一种新思路。研究结果表明:①当巷道处于蝶形风险区时,其周围主应力方向的旋转会引起蝶形塑性区的旋转,对巷道稳定性造成影响。提供了采场等效孔的理论模型可用于计算采场侧方主应力的旋转角度,数值模拟结果与理论计算吻合度较高。②采场前后一定范围内的侧方煤体中主应力方向会发生旋转,主应力的旋转角度由采场未开挖时周围的初始地应力与采场等效孔半径决定。当初始侧压系数大于1时,最大主应力由垂直方向逐渐旋转为水平方向,可以用主应力旋转45°隐性方程对采场侧方旋转45°的位置进行判定;当初始侧压系数小于1时,最大主应力由垂直方向先向水平方向旋转一定角度,随后会回转至垂直方向。采场等效孔半径表征采场的影响范围,半径越大则采场的影响范围越大。

不同中间主应力下花岗岩失稳过程的微震信号演化特征

为探究深埋隧洞围岩失稳破坏的微震演化特征,开展了不同中间主应力(σ2)下的花岗岩双轴压缩试验,运用微震监测系统和高清摄像机实时监测花岗岩破裂失稳过程。分析了不同σ2下岩石失稳过程的微震b值和主频的演化特征,并提出微震能量释放指标来描述岩石破坏的剧烈程度。结果表明,随着σ2的增加,累积微震能量释放、岩石失稳前夕lgN/b的最大值和低频信号占比、岩石失稳时刻的微震能量释放率均增加,而在岩石失稳前夕b值最小值减少。此外,岩石失稳的微震前兆有b值下降至低于0.8、lgN/b上升至大于3和高幅低频信号出现。岩石出现板裂的前兆是高幅低频信号伴随少量高幅高频信号同时出现;岩石出现岩爆破坏的前兆是b值下降至小于0.5,lgN/b上升至大于5,且高幅值的信号只出现在低频带。