考虑轴向应力影响的圆形巷道围岩塑性区边界近似解

为了研究考虑轴向应力作用的巷道围岩塑性区边界问题,基于Mohr-Coulomb准则,通过引入Lode角参数,推导出考虑轴向应力作用的圆形巷道围岩塑性区边界隐性方程,通过变化巷道水平应力σx、轴向应力σy分析了不同应力场下的围岩塑性区尺寸及形态,并通过数值模拟进一步说明了理论分析的可靠性。此外还研究了围岩黏聚力C、内摩擦角φ、巷道半径R、泊松比v对巷道围岩稳定性的影响。结果表明:①固定轴向侧压变化水平侧压的条件下,围岩塑性区尺寸变化会分为敏感区和迟钝区,且在水平侧压变化的过程中围岩塑性区形态会呈现圆形、椭圆形及蝶形3种形态。②固定水平侧压变化轴向侧压的条件下,围岩各位置的塑性区会呈现强烈的区间效应,通过与平面应变问题下的塑性区尺寸对比将区域分为轴向应力影响区和轴向应力无影响区。在轴向应力影响区内,轴向侧压的变化对围岩的塑性区尺寸影响较大。③巷道围岩的破坏形态由水平侧压η1决定,轴向侧压η2对塑性区形态影响较小,对尺寸影响较大。④围岩C、φ的增加会使巷道围岩的塑性区尺寸不同程度的减小,R的增加会使围岩不同位置塑性区呈等差数列增大。在轴向应力无影响区,v对围岩塑性区尺寸无影响,在轴向应力影响区内,翼角处的塑性区尺寸不受v的影响,其余位置的塑性区尺寸会受到不同程度的影响。

基于统一强度理论的非均匀应力场圆形巷道围岩塑性区分析

基于统一强度理论,推导出非均匀应力场的巷道围岩塑性区边界线方程式,可用于预测不同侧压系数时地下深埋隧洞的塑性区大小及形状.当不同程度地考虑中间主应力的影响时,围岩塑性区形状和大小有较大不同,且随水平应力与垂直应力差异性的增大,这种影响趋于明显.

非均应力场圆形巷道围岩塑性区解析分析

巷道围岩塑性区大小是评价围岩稳定性的重要依据及进行巷道支护设计的理论基础。一般圆形巷道所受原岩应力场为非均匀应力场。通过对圆形巷道围岩的力学分析,获得了围岩主应力场分布规律,结合极限平衡条件下的莫尔-库仑准则,得到了圆形巷道在不等压原岩应力作用下围岩的塑性边界方程。软岩巷道围岩控制的基本出发点是充分发挥围岩的自承能力,其基本原则之一便是圆形巷道形式。

考虑中间主应力的非均匀应力场圆形巷道围岩塑性区分析

基于Drucker-Prager准则,引入中间主应力系数,推导出不同侧压系数下巷道围岩塑性区边界线方程,用于预测不同侧压系数下巷道围岩塑性区的大小和形状。用单因素分析法,考虑不同中间主应力下,巷道围岩塑性区半径的变化规律。在侧压系数λ=1的时候,对在D-P准则下和在Mohr-Coulomb准则下巷道围岩塑性区的大小进行比较。侧压系数越偏离于1,巷道围岩塑性区水平方向和垂直应力侧差异增加,对围岩塑性区的大小和形状影响也越大;随中间主应力增大,塑性区范围越小。

两向不等压巷道围岩塑性区近似解及数值模拟

针对两向不等压巷道围岩塑性区的解析问题,使用应力构造法求解时,巷道围岩塑性区以外的弹性区应力被主观地认为与围岩弹性应力状态下的应力在形式上一致。这虽然明显不合理,但在侧压系数为1的某个邻域内,应力构造法的准确度较高;只是在该邻域以外,其仅能确保围岩水平(或竖向)轴上塑性区半径的精度,其余位置并不准确,甚至偏差很大。同时,以侧压系数为1的特例为基准,将依据近似隐式法得到的围岩塑性区半径与基于成熟轴对称平面应变理论的相应解析解进行对比,可以发现前者存在较大理论误差。为改进上述不足,以应力构造法为基础确定围岩水平(或竖向)轴上塑性区半径;再结合近似隐式法能够较好反映塑性区形态一般变化规律的优势,以近似隐式法为基础确定塑性区的形状;最后,依据相似原理,相对准确地给出了两向不等压巷道围岩塑性区的近似解析范围。将该理论应用于工程实例的分析计算,并以数值模拟结果为基准就各算法的准确性问题进行了对比分析,结果表明:上述算法不仅消除了近似隐式法在侧压系数为1时的理论误差;还克服了应力构造法无法反映塑性区一般形态变化规律的缺陷。该算法与数值模拟的结果比较接近,可代替数值模拟进行两向不等压巷道围岩塑性区的近似求解。

两向不等压巷道围岩塑性区解析的评估与改进

以侧压系数为1的特例为基准,将依据近似隐式法得到的围岩塑性区半径与基于成熟轴对称平面应变理论的相应解析解进行对比,发现前者存在较大理论误差。为改进近似隐式法的这一不足,从已有围岩水平轴上塑性区半径的估算方法出发,以轴对称应力场塑性区公式和总线荷载集度不变的假定为基础,推导了两向不等压巷道围岩竖向(或水平)轴上塑性区半径的近似解;然后结合近似隐式法求解的塑性区形状,相对准确地确定了两向不等压巷道围岩的塑性区范围。该算法不仅消除了近似隐式法在侧压系数为1时的理论误差,还克服了原估算法导致等压时围岩弹塑性交界线处径向应力为0的理论缺陷,是一种相对合理且准确的两向不等压巷道围岩塑性区范围的估算方法。

非均匀应力场下圆形隧道围岩塑性区研究

为研究支护结构对非均匀应力场下圆形隧道的力学特性尤其是围岩塑性区的影响,采用理论分析的方法对已有模型仅能单独考虑原位非均匀应力场或支护结构对隧道围岩塑性区影响的不足展开研究,提出了一种考虑实际施工过程的非均匀应力场下圆形隧道围岩塑性区计算新方法,该方法能够很好地考虑围岩与支护结构的相互作用机理。利用该方法重点研究了隧道围岩初始位移及支护结构刚度对隧道围岩塑性区的影响,结果表明:(1)随着围岩初始位移的增加,围岩塑性区将呈现非线性增加,而当其增加到一定程度时,围岩塑性区增加幅度将十分显著;(2)随着支护结构刚度的增加,围岩塑性区将逐渐减小,但其减小幅度不是很大。因此在实际工程中,应选用合适的支护结构刚度以达到安全和经济的目的。

侧压系数对矩形巷道围岩塑性区扩展的影响

为分析侧压系数对矩形巷道围岩塑性区扩展的影响,采用FLAC3D软件对矩形巷道不同侧压系数条件下的塑性区分布进行模拟研究。假设理想化的地质采矿力学环境,建立4组侧压系数数值模型,分析侧压系数对矩形巷道塑性区的影响。可以看出,侧压系数为0.5、1.5、2.0时,塑性区扩展形貌呈椭圆形,但侧压系数为0.5时,椭圆形的长轴在x轴,侧压系数为1.5、2.0时,椭圆形长轴在y轴,侧压系数为1.0时围岩塑性区扩展范围近似圆形,随侧压系数增大,塑性区扩展形貌由长轴在x轴的椭圆形逐渐过渡至长轴在y轴的椭圆形,且扩展范围逐渐增大。可以得出,顶板随侧压系数增大,破坏范围变化速率先增大后减小,底板随侧压系数增大,破坏范围变化速率先减小再增大后减小,两帮变化率一致,先增大后减小再增大。

埋深对矩形巷道围岩塑性区扩展的影响

为分析埋深对矩形巷道围岩塑性区扩展的影响,采用FLAC3D软件对矩形巷道不同埋深条件下的塑性区分布进行模拟研究。假设理想化的地质采矿力学环境,建立4组埋深数值模型,分析埋深对矩形巷道塑性区的影响。对比分析不同采深条件下的塑性区扩展规律,从模拟结果的塑性区图可以看出塑性区基本呈圆形分布,随埋深增大巷道表面中部破坏范围向顶、底角均匀扩展,塑性区扩展范围增大;随着煤层埋藏深度的增加,围岩扩展范围的增速不断减缓,在两帮出现随深度增加塑性区范围逐渐不发生变化。可以得出,随埋深增大围岩塑性区扩展范围呈负指数形式扩展,变化量最终趋近于0。

水平应力不均衡系数对矩形巷道围岩塑性区扩展的影响

为分析水平应力不均衡系数对矩形巷道围岩塑性区扩展的影响,采用FLAC3D软件对矩形巷道不同水平应力不均衡系数条件下的塑性区分布进行模拟研究。假设理想化的地质采矿力学环境,建立4组水平应力不均衡系数数值模型,分析水平应力不均衡系数对矩形巷道塑性区的影响。结果表明,水平应力不均衡系数为1.0、2.0时,塑性区呈圆形,水平应力不均衡系数为2.5时呈矩形,水平应力不均衡系数为1.5时,顶角和底角处几乎没有发生塑性破坏;水平应力不均衡系数为1.0、1.5、2.0和2.5时的破坏范围都是闭合曲线。随水平应力不均衡系数增大,顶板和底板的围岩塑性区扩展速度是先减小再增大,而两帮的围岩塑性区扩展范围是先保持不变,到深部时突然增大。

基于Drucker-Prager屈服准则的围岩塑性区半径和松动压力解析

文章基于Drucker-Prager屈服准则,推导了深埋圆形洞室塑性区半径和围岩松动压力,在偏平面上对表达式进行了解析;考虑到围岩强度参数的随机变异性,利用AN SYS的概率设计系统进行了可靠度分析。

武夷隧道开挖与支护中围岩塑性区发展的有限元数值分析

随着我国铁路隧道开挖向长大型方向的发展,其隧道结构的稳定性问题成为设计和施工的关键性问题。文章选取京福铁路武夷隧道为研究对象,采用有限元数值分析法,对隧道在无支护、初次支护和二次支护三个不同阶段中的围岩塑性区动态分布发展变化过程进行了深入研究。

围岩塑性区变形特性对隧道收敛约束的影响

为了给隧道新奥法的设计与施工提供参考,针对隧道开挖引起围岩扰动随距离的渐进性变化,建立了半径相关的塑性区弹性模量计算式,并结合塑性区弹性应变的3种定义,获得了围岩特征曲线的理论新解答,进而探讨了围岩塑性区变形特性对代表性硬岩和软岩隧道收敛约束的影响规律。结果表明:半径相关的塑性区弹性模量和不同弹性应变定义对围岩稳定变形均有显著影响,且其影响程度与中间主应力效应密切相关,但对支护压力的影响却很小;基于半径相关的塑性区弹性模量得到的围岩特征曲线和稳定变形处于较小弹性模量上限、常弹性模量下限之间,应优先选用由广义胡克定律确定的塑性区弹性应变第3定义;所得围岩特征曲线新解是真正的理论解析解,综合反映了多种因素特别是围岩塑性区变形特性的共同影响。

双向不等压圆形巷道围岩塑性区理论分析及数值模拟

根据弹性力学中圆孔应力解的方法,利用莫尔-库仑强度准则,推导出了双向不等压应力场载荷作用下圆形巷道围岩塑性区的边界方程。从理论分析和数值模拟对比分析的角度出发,分析了侧压系数、围岩岩性、开挖半径对圆形巷道围岩塑性区的影响。结论表明:双向不等压载荷作用下,圆形巷道围岩较大载荷方向的塑性区尺寸小于较小载荷方向的塑性区尺寸;巷道围岩越坚硬塑性区分布范围越小,围岩为软弱岩层时塑性区呈蝶形分布,围岩为坚硬岩层时,塑性区呈椭圆形分布;巷道开挖半径对巷道围岩塑性区分布范围影响较大,同一角度处的塑性区半径随着巷道半径的增加呈线性增加。

煤矿回采巷道围岩应力演化规律及超前支护可行性研究

工作面超前段的安全高效支护一直是矿井巷道围岩控制的重点,根据研究区地质情况,采用FLAC^(3D)建立数值模型,分析了不同位置条件下巷道围岩的塑性变化、应力分布以及位移变化。研究得出,随着巷道的不断开挖,回采巷道围岩应力得到重新分布,塑性区主要分布于底板和巷帮顶角处,工作帮破坏深度大于非工作帮的非对称破坏;伴随着巷道的推进,采动影响范围逐渐向工作面推进方向传递,回采巷道出现了应力增高区和应力降低区。其中,超前支承压力影响范围为40 m,该区域为主动式超前支护的主要作用对象;回采巷道围岩也发生了显著变形,巷道底鼓量达到0.1~0.2 m,并且,巷道非工作帮巷道变形小于工作帮。最后,进行了超前支护可行性分析,分析了回采过程中可能存在的矿井水害和瓦斯爆炸等安全隐患,提出了针对性的安全保障技术措施和风险控制方法,该主动式超前支护回采在煤矿安全生产方面是有保障的、可行的。研究为某煤矿回采巷道主动式超前支护控制提供了理论依据。

朱集西矿11-2煤开采对13501轨道顺槽围岩稳定性影响研究

不同采掘顺序影响巷道围岩破坏形态。以朱集西矿13501轨道顺槽地质条件为工程背景,采用FLAC3D数值模拟软件分析4类不同采掘顺序下巷道围岩塑性区演化规律。研究结果表明,第四类采掘顺序产生的采动影响最小,即11-2煤回采引起的采动影响基本结束后再掘进13501轨道顺槽为最佳采掘顺序,为采区规划及生产布局提供指导依据。

煤巷掘进围岩控制支护技术研究

我国煤矿掘进工作面综合机械化水平显著提高,正逐步向智能化、无人化迈进,这对巷道掘进过程中支护方案的选取提出了新的要求。以国能神东煤炭集团有限责任公司锦界煤矿(以下简称“锦界煤矿”)31414运输掘进工作面为研究对象,提出了“树脂锚杆+冷拔丝网片+锚索”联合支护技术思路;从理论分析到数值模拟验证该支护方案的技术可行性。工程应用结果表明,巷道顶板最大移近量为40 mm,两帮最大变形量为60 mm,深部位移变化最大值为16 mm,锚索受力最大值为180 kN;联合支护方案可明显增加围岩结构的完整性,保证锦界煤矿31414运输掘进期间安全,并对类似大断面巷道掘进支护方案的选择提供参考依据。

朱集西矿11-2煤开采对13501轨顺围岩稳定性影响研究

不同采掘顺序会影响巷道围岩的破坏形态。本文以朱集西矿13501轨道顺槽地质条件为工程背景,采用FLAC3D数值模拟软件分析了四类不同采掘顺序下巷道围岩塑性区的演变规律。研究结果表明:第四类采掘顺序产生的采动影响最小,即11-2煤回采引起的采动影响基本结束后再掘进13501轨道顺槽为最佳采掘顺序,为采区规划及生产布局提供指导。

采用洞桩法建造地铁车站时围岩位移的控制措施

以北京地铁10号线某车站工程为例,采用有限元差分程序FLAC3D建立车站工程的三维数值模型,模拟分析洞桩法施工中隧道围岩位移的发展规律,并提出相应的控制措施。结果表明:地铁车站地表沉降与水平位移具有明显的阶段性;在超前支护与小导洞开挖的施工阶段1,地表沉降占总沉降的比例为36%,围岩塑性区向洞周蔓延并逐渐贯通,可采用合理的超前支护措施加固围岩;在拱部土体开挖与结构施作的施工阶段3,地表沉降占总沉降的比例为49%,并引发多次应力传递途径的转换,可通过缩短开挖进尺或设置横向支撑等措施控制。数值计算与现场监测结果基本吻合,验证了数值模型的正确性。