偏应力张量第二及第三不变量在塑性加工中的作用

塑性变形时物体内一点的应力张量的分量随坐标变化而改变,但其应力张量不变量却是固定不变的,因此应力张量不变量可以反映物体变形状态的实质。文章阐述了偏应力张量第二不变量J2的大小可用来判断物体所处的弹塑性状态;偏应力张量第三不变量J3的正负可用来定性的判断物体所处的应变类型。由此对通常认为比较抽象的偏应力张量不变量的意义与作用有更深层次的理解。并且通过数值模拟的方法,采用偏应力张量不变量对圆环压缩和环壳液压胀形过程中金属的变形进行了分析,模拟结果和实验现象一致。

用应力偏量不变量表示双剪应力屈服准则

对双剪应力屈服准则,本文给出了一个用应力偏量不变量描述的表达式:

基于应力偏量的横波纯应力逆时偏移成像方法

基于弹性波解耦延拓方程的波场分离方法不仅可以得到解耦的纵、横波质点振动速度场,还可以获得纵、横波应力场.针对横波纯应力场在利用单一分量成像时不具有明确物理意义的问题,本文将应力偏张量引入到横波应力场中,基于应力偏量第二不变量构建得到横波应力不变量并将其用于应力场的逆时偏移成像中,获得了可完整表征横波应力场的成像结果.模型试算表明,本文构建的横波应力不变量可以有效利用横波应力张量中的波场信息,并得到准确的弹性逆时偏移成像结果.

应力空间内主应力和主方向的解析表达式的探讨

在塑性力学中,主应力和主方向是表征材料应力状态的量。在应力张量主值三角函数解的基础上,推导了应力空间内主应力和主方向的通用解析式公式。通过算例的计算结果表明,所推导的公式是正确的,为研究材料的应力状态提供一定的参考。

对Lade-Duncan,Matsuoka-Nakai和Ottosen等破坏准则的认识

基于数学推导,Lade-Duncan、修正的Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai等屈服破坏准则能被转化为J2=g(θσ)?f(I1)的函数型式,并且相应这三个破坏准则的角隅函数g(θσ)被导出。尽管Lade-Duncan、修正的Lade-Duncan、Matsuoka-Nakai和Ottosen这些破坏准则具有完全不同的数学表达式,但它们都拥有共同的角隅函数和相似的内在本质联系。最后,基于混凝土和粘土的真三轴强度破坏试验结果,分别对上述破坏准则进行了系统地检测,得出了一些有益的结论。

不排水条件下基坑卸荷土体变形机理研究(Ⅰ)

在真三轴仪上模拟基坑开挖周边土体的应力路径,进行了不排水条件下卸荷与加荷两种试验,通过试验结果的对比分析可知,土体在不同应力路径下应力—应变关系有着显著的差异,说明应力路径条件对土体的变形有着一定的影响。进一步研究了不排水条件下卸荷土体广义剪应力与广义剪应变的关系,证明土体广义剪应力与广义剪应变关系曲线呈明显的非线性,并根据偏应力不变量推导出了土体卸荷剪切模量计算公式。

不排水条件下基坑卸荷土体变形机理研究(Ⅱ)

在真三轴仪上模拟基坑开挖周边土体的应力路径,进行了不排水条件下卸荷与加荷两种试验,通过试验结果的对比分析可知,土体在不同应力路径下应力—应变关系有着显著的差异,说明应力路径条件对土体的变形有着一定的影响。进一步研究了不排水条件下卸荷土体广义剪应力与广义剪应变的关系,证明土体广义剪应力与广义剪应变关系曲线呈明显的非线性,并根据偏应力不变量推导出了土体卸荷剪切模量计算公式。

基于偏应力分布特征的综放区段煤柱宽度研究

针对王家岭煤矿20 m宽煤柱条件下回采巷道大变形控制难题,运用数值模拟方法,研究了顶板煤岩体偏应力第二不变量分布及迁移演化规律,得出203盘区相邻综放区段间煤柱合理宽度为4~8 m,且回采巷道煤柱侧顶板需要进行强化支护的结论。现场试验8 m宽煤柱,采用槽钢桁架锚索与单体锚索平行布置非对称支护技术支护20321综放工作面回风巷,顶板最大下沉量为102 mm,煤柱宽度留设合理。

剧烈采动影响煤巷围岩偏应力分布规律与控制

针对多重剧烈采动影响煤巷围岩控制难题,以某矿轨道平巷为研究对象,采用FLAC^(3D)模拟上煤层遗留煤柱集中应力、本煤层邻近工作面及本工作面采动对煤巷稳定性的影响。结果表明:上部煤层遗留区段煤柱底板存在沿煤柱边缘向底板深部呈“八”字形非对称分布的高剪应力区;随着煤柱底板深度增加,偏应力第二不变量J2值分布由陡峭双峰形向马鞍形转变,并将底板分为显著影响区(0~16 m)、一般影响区(16~30 m)和弱影响区(30 m以上);相邻工作面回采过程中,超前监测面20 m时顶板和两帮J_(2)值开始增大,当滞后监测面10~20 m巷道围岩进入相邻工作面采动影响期;在本工作面超前采动影响过程中,巷道深部高J_(2)值非均布环形分布带应力值进一步增加,范围变大,环形向逆时针旋转转移,并呈向深部转移的趋势。基于此提出高预应力锚杆(索)与桁架锚索组合非对称控制技术且煤巷控制效果良好。

不同侧压系数下深部软岩巷道稳定性分析及控制

针对深部软岩巷道围岩大变形、岩体破碎及支护体损坏等控制难题,研究了不同侧压系数下深部岩巷围岩响应特征及支护技术。以邢东矿1126工作面运料车场为工程背景,运用理论分析、数值模拟方法分析不同侧压系数下深部直墙拱形岩巷围岩应力、偏应力第二不变量和塑性区的分布特征,得出深部软岩巷道失稳机制为:开挖引起浅部围岩应力集中、较深部围岩高畸变能积聚→岩层剪切错动→高畸变能释放→扩容大变形。基于提高浅部围岩承载强度,并适度释放围岩高畸变能原则,提出密集长锚杆索+强金属网+二次喷浆的支护技术。井下试验结果表明,该技术能够有效控制深部软岩巷道的变形破坏,保证巷道稳定。

极近距离煤层边界煤柱下回采巷道合理位置的确定

以六家煤矿极近距离煤层群为工程背景,应用弹塑性力学理论分析6-6煤层、6-7煤层开采后,遗留的边界煤柱下底板应力偏量不变量的分布规律,因应力偏量第二不变量可用来表示底板岩体剪应力及畸变能密度的大小、而应力偏量第三不变量可用来判断底板岩体应变的类型的物理意义,以此对6-9煤层S1工作面回风巷的合理位置进行了研究。研究结果表明:应力偏量第二不变量在底板浅部呈马鞍状分布,深部呈钟形分布;应力偏量第三不变量在底板浅部呈正负双峰状分布,深部呈正单峰状分布;根据6-9煤层的应力偏量不变量的变化情况,确定该回风巷采用与内错6.5 m的合理布置方式,并将这种布置方式用于实际,巷道支护效果较好。

大断面综放沿空巷道煤柱合理宽度研究

为达到保证沿空巷道围岩稳定性情况下避免煤炭资源的浪费的目的,以王家岭煤矿20102采区地质条件为研究背景,以偏应力在巷道围岩中的分布为标准,分析数值模拟不同煤柱宽度下的计算结果,结合理论计算确定大断面综放巷道煤柱合理宽度。分析结果可知,随煤柱宽度的减小,煤柱承载能力降低,煤柱顶板中偏应力第二不变量峰值向实体煤方向转移,煤柱顶板中偏应力第三不变量由负值向正值转化,应变类型由拉应变转化为压应变最终向平面应变转化,最终确定20102区段合理煤柱宽度为8.0m,为大断面强采动综放煤巷围岩控制提供了基础数据。

三维应力场中不同空间角下钻孔稳定性研究

为了探究不同空间角对钻孔稳定性的影响,基于单轴和三轴试验探究了不同钻孔角度的岩体力学特性,建立了三维应力场中不同空间角度钻孔力学计算模型,基于欧拉变换建立了地应力坐标系、空间直角坐标系和钻孔柱坐标系之间的相互关系,结合Mohr-Coulomb强度准则的三维表达式推导出三维应力环境中不同空间角下钻孔围岩的塑性区边界隐式方程,寻求了描述钻孔周围应力分布特征的综合应力指标偏应力张量第二不变量J_(2),通过变化井斜角和方位角研究了不同方案下的钻孔孔周偏应力J_(2)大小及形态分布特征,分析了不同空间角下的塑性区分布范围及形态.建立了偏应力J_(2)与塑性区之间的相互对应关系,揭示了钻孔围岩的变形破坏本质,并基于理论分析提出了工程应用指导.研究结果表明:不同空间角下钻孔周边产生不同程度的应力集中,导致岩体的强度特性与声发射特征存在较大差异;不同井斜角和方位角条件下,钻孔孔周各处的偏应力集中程度存在较大差异,井斜角和方位角的改变对孔周J_(2)最大集中位置所在的角度具有重要影响,不同方案下的J_(2)应力扩展角与钻孔周边的J_(2)最大值所对应的极角完全一致,且J_(2)应力偏转角基本稳定在38°~42°;不同井斜角和方位角条件下钻孔塑性区破坏程度、破坏扩展最大尺寸以及破坏形态存在较大差异;偏应力J_(2)等值线形态演化规律与塑性区形态演化规律具有一致性,在不同空间角下J_(2)及塑性区形态均呈现“蝶形单翼扩展”的非对称扩展特征,且不同方案下塑性区最大破坏位置与偏应力J_(2)最大集中位置所在的角度差值为3°~5°.研究结果对煤层瓦斯抽采和钻孔卸压具有重要的理论意义和参考价值.