非均匀应力场中矩形巷道围岩塑性区扩展规律及等效外接圆理论解析方法

矩形巷道在煤矿井下应用广泛,但其周围应力分布复杂,其围岩塑性区状态难以进行理论解析。通过数值模拟方法探究不同宽高比矩形巷道在非均匀应力场中围岩塑性区的扩展规律,从塑性区形态、范围、集中位置三个维度与对应外接圆进行映射对照,提出矩形巷道围岩塑性区的等效外接圆理论解析方法。研究表明:(1)非均匀应力场中矩形与对应外接圆巷道围岩塑性区形态演化规律一致,均呈现圆形、椭圆形、蝶形3种形态;(2)矩形巷道宽高比ν﹤2时(已满足现场实际需要),塑性区最大半径不超过对应外接圆的15%,ν值越接近1等效外接圆理论解析方法的误差越小,当ν=1时误差趋近于0;(3)出现蝶形塑性区后矩形与对应外接圆巷道塑性区蝶叶角收敛值均集中在34°~39°,当ν﹤2时,两者蝶叶角差值在1°~3°;(4)非均匀应力场中ν﹤2时塑性区形态、范围、主要集中位置可通过等效外接圆方法进行理论解析。

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.

非均匀应力场影响下的裂缝扩展模拟及投球暂堵优化

水平井投球暂堵是实现致密油气藏压裂段均匀改造的关键技术,但目前针对压裂施工中实施不同投球暂堵工艺措施后多簇裂缝扩展形态的研究成果却较少,致使现场投球暂堵工艺措施的制订缺少相关的理论支撑,影响了该工艺在压裂施工现场的应用效果。为此,基于边界元方法建立了水平井"井筒-孔眼-裂缝扩展"全耦合模型,提出了暂堵球分配的计算方法,进而模拟在初始非均匀应力场条件下进行段内暂堵转向时暂堵球的投球数量、投球时机、投球次数及其对多簇裂缝扩展的影响。研究结果表明:(1)压裂过程中,射孔孔眼摩阻的限流作用会平衡诱导应力干扰带来的进液量差异,使得各簇裂缝中流体流动受到的阻力差距缩小;(2)当考虑初始应力场非均匀分布的影响后,各簇裂缝进液量发生明显的变化,高应力区域甚至出现不进液的无效射孔簇,而实施投球后,无效射孔簇会产生新的裂缝;(3)当初始最小水平主应力差(△σh)超过3 MPa时,在施工中期适当增加投球数量(大于单段总射孔数的一半),或者在中前期进行投球暂堵(包括在中前期分批次投球),有利于降低各簇裂缝的非均匀扩展程度;(4)当初始△σh低于2MPa时,应减少投球数量或在施工中后期投球,否则会加剧各簇裂缝的非均匀扩展。

非均匀应力场下巷道围岩弹塑性分析

根据岩石材料的变形特性,引入了在实际工程中对巷道围岩具有一定影响的参数,采用岩石应力-应变三线段力学模型,分析了非均匀应力场下圆形巷道围岩弹性区、塑性软化区、塑性残余区的力学形态,推导出了非均匀应力场下圆形巷道弹塑性的理论解。在此基础上给出具体算例,分析了不同的影响因素对巷道围岩的影响。通过实例表明:岩石的侧压系数、应变软化、支护压力对围岩的力学形态、塑性区大小都有很大的影响;随着侧压系数的增加,巷道两帮处的塑性区范围在减小;软化模量的降低可以减小塑性区的半径;支护压力增加也可以减小塑性区半径。了解岩石的侧压系数,控制岩体的软化模量,适时加大支护压力均能有效地控制巷道围岩的稳定性。

基于D-P准则的非均匀应力场受扰动轴对称巷道安全性分析

为分析在非均匀应力场下受到扰动的轴对称巷道的稳定性和安全性,基于Drucker-Prager(简称D-P)准则,推导非均匀应力场下巷道塑性区范围解答方程。利用算例,分析侧压系数、原岩应力扰动系数、支护阻力等因素对巷道断面不同位置(由于对称性,只研究轴对称巷道的第1象限部分)塑性区范围的影响,并利用FLAC3D软件模拟不同侧压系数下巷道围岩塑性区的范围。结果表明:在非均匀应力场中,原岩应力扰动系数和侧压系数以及支护力对巷道围岩塑性解的影响很大;适时加大支护反力能有效控制巷道围岩的稳定性。

超声测量非均匀应力场及应力梯度的研究

利用临界折射纵波对高强度7050-T7451铝合金预拉伸板中的不同位置的应力进行了测量,并对1MHz和5MHz频率的临界折射纵波在含有应力梯度材料中的传播规律进行了研究。结果表明:临界折射纵波的速度与材料中的应力具有较好的线性关系,能够用来对应力大小进行无损评价。温度和耦合条件是影响超声法应力测量的主要因素。温度不变时,不同部位的实测误差小于40MPa,在测量较高应力时,这一误差可以忽略不计。非均匀应力场的测量结果与实际应力分布基本一致。在含有应力梯度的材料中,1MHz临界折射纵波的速度变化大于5MHz临界折射纵波的变化,这说明不同频率的临界折射纵波能反映不同深度的应力。利用这一规律,将可能对材料中沿深度方向变化的近表面应力梯度进行超声无损评价。

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。

7:24主轴/刀柄联接非均匀应力场的有限元分析

针对 7:2 4主轴 /刀柄联接设计中常用的拉美公式计算误差大的问题 ,采用有限元法分析了 7:2 4主轴 /刀柄联接的非均匀应力场 ,研究了联接过盈量对主轴 /刀柄接触压力、刀柄在主轴锥孔内轴向位置的影响 ,为主轴

用解析法反演非均匀应力场巷道围岩的物性参数

本文用解析法对非均匀受压巷道进行位移反分析，推导了岩石物性参数的表达式。并讨论了在已知垂直位移和水平位移的情况下，水平侧压力系数、弹性模量等与位移比的关系．

断层附近非均匀应力场页岩压裂缝网扩展模拟

压裂过程中水力裂缝的延伸行为对页岩气增产改造效果至关重要。然而部分页岩地层断层较发育,附近地应力场呈现非均匀分布,最大水平主应力方向随空间位置发生变化,若水平井井筒仍沿垂直于原始最大水平主应力方向部署,水力裂缝可能出现非平面偏转延伸行为,进而影响缝网体积。文中为揭示页岩地层断层发育对水力裂缝延伸及缝网体积的影响,建立了断层附近非均匀应力场计算模型,并在此基础上构建了断层影响下的页岩气水平井分簇裂缝偏转延伸模型和缝网体积计算模型,模拟并分析了非均匀应力场下的水力裂缝延伸及压裂缝网扩展规律。结果表明:平移断层附近水力裂缝趋向平行于断层方向延伸,而正断层附近水力裂缝趋向垂直于断层方向延伸。页岩气水平井井筒垂直于最大水平主应力方向部署后,可以减小射孔孔眼摩阻,减少施工压力损失,提高缝内净压力,增大缝网体积。该研究可为页岩地层内断层附近的水平井井眼轨迹部署提供重要的理论依据。

非均匀应力场对构件疲劳强度的影响——应力梯度效应

目前的构件疲劳强度设计及疲劳模拟试验,所控制的都是危险点的最大应力,没有考虑危险点周围材料的应力场状况对构件疲劳强度的影响,这是导致工程设计准确性不足及疲劳模拟实验鲒果不很理想的一个重要因素。本文从金属的疲劳机理出发,考虑到应力的场效应,提出了一个非均匀应力场状况下构件疲劳特性的 SGEF 模型,重点研究了不同方向应力梯度的实质及其对构件疲劳强度的影响,并通过试验研究,以及引用一些工程实例对该模型进行了验证。

非均匀应力场下的铲状正断层带位移场和应力场特征

本文利用新的有限元方法研究了铲状正断层带在非均匀应力场下错动引起的位移场和应力场。研究发现:①铲状正断层错动引起的断层面上的最大错距不是发生在地表,而是发生地表下面断层的中部;②地表面最大水平位移和垂直位移都不是发生在地表断层上,而是发生在偏离断层一定距离的地方;③铲状正断层错动会在地表附近产生两个破裂区,一个在地表断层附近,一个在远离断层的上盘地表附近,这两个区与野外观测到的次生正断层区一致;④断层错动的应力降在断层内不是均匀的,最大值也是位于断层中部。

非均匀应力场下圆形隧洞围岩弹性应力分析

为了更好地研究隧洞围岩在非均匀应力场下开挖过程中整体的稳定性,根据隧洞围岩在非均匀应力场下的应力分布特征,将隧洞围岩应力划分为两部分进行叠加。通过Drucker-Prager准则与理想弹塑性本构关系,结合双调和方程和半逆解法,推导出非均匀应力场下圆形隧洞弹性区围岩应力的解析表达式,并采用FLAC^3D数值模拟软件对理论分析结果加以验证。结果表明:考虑中间主应力系数的影响时,中间主应力系数越大与之对应的侧压系数范围越小;侧压系数越大隧洞帮部集中应力降低,拱顶的集中应力增大;同时理论分析结果与数值模拟结果基本一致。在考虑非均匀应力场分布的力学模型更为准确地反映了隧洞围岩应力分布特点,对隧洞围岩的支护方案具有一定的意义。

汤加—克马德克俯冲带现今非均匀应力场特征及其动力学意义

汤加—克马德克俯冲带是太平洋板块向澳大利亚板块俯冲碰撞的动力作用区,是全球俯冲带动力学研究的热点区域.本研究基于EHB地震目录,对汤加—克马德克俯冲带（18.5°S—28.5°S）区域进行平面拟合,得到该范围内俯冲带走向约为196°,倾角约为48°;利用该俯冲带研究区域内Global CMT目录,对不同位置、不同深度进行区域应力张量反演,得到汤加—克马德克俯冲带研究区内精细的应力图像.结果显示：（1）俯冲带浅部（60-300km）应力结构非均匀特征明显,主应力轴倾伏角变化多样,并且最大主压应力轴方位在24°S左右发生明显偏转,我们推测这可能与洋底构造路易斯维尔海链俯冲有关;（2）中部（300-500km）最大主压、主张应力轴由北向南逐渐发生偏转,这可能与由北向南流动的地幔流对俯冲板片产生推挤作用有关,并且这种推挤作用向南逐渐减弱;（3）深部（500-700km）最大主压应力轴沿俯冲方向分布;（4）本文的结果还发现了主俯冲带深部西侧＂偏移＂板片与主俯冲带应力结构不同,表明＂偏移＂板片与主俯冲带是分离的.

非均匀应力场中巷道围岩变形控制研究

根据岩石的力学特征及峰值应力前后的力学性能,结合岩体损伤特性,得到三维连续损伤演化方程。利用Mohr-Coulomb强度准则和连续损伤力学方法,考虑巷道开挖过程中的空间效应,分析并推导出巷道围岩处于非均匀应力场中损伤应力场的分布,以及围岩—支护达到平衡时的相互作用力解析解。通过现场支护设计和监测,验证了计算分析的有效性,在实际工程计算中有一定的应用前景。

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。

非均匀应力场下隧道围岩弹塑性分析统一解

为深入研究非均匀应力场下隧道围岩的弹塑性分析方法,基于统一强度准则,推导了非均匀应力场下隧道围岩应力及塑性区半径解析解.分析表明:隧道围岩弹塑性交界面上径向应力和切向应力均受中主应力系数b的影响,呈现出随着b值的增大,径向应力减小,切向应力增大的特点;同时隧道围岩塑性区半径随着b值的增大而减小,以b为0时隧道顶板围岩塑性区半径作为参照,b为0.25、0.5、0.75和1时塑性区半径分别减小19.2%、29.8%、36.3%和40.8%.表明在工程实践中若能不同程度地考虑中间主应力的影响具有重要意义.

渗流作用下非均匀应力场巷道围岩稳定性分析

将巷道围岩视为多孔介质,考虑地下水渗流作用的影响,应用弹塑性理论,分析了非均匀应力场圆形巷道围岩的力学性态,推导出了非均匀应力场下圆形巷道弹塑性的解析解,基于Mo-hr-Coulumb强度准则,得出了渗流作用下巷道围岩的塑性区边界线方程,并通过具体实例,对比分析了当λ=0.5时渗流作用对应力场的径向应力与切向应力在巷道两帮和顶底板的分布情况。研究表明,考虑渗流作用,对应力场的影响作用更为显著。

隧洞压力引起的非均匀初始应力场对饱和土的纵向动力响应的影响研究

基于增量弹性动力理论研究了初始隧洞压力引起的非均匀应力场对初始均匀且各向同性饱和土体的纵向动力响应问题。研究了土体在初始应力场作用下的非均匀性,在平面应变的假定条件下建立了饱和土体的纵向动力方程并得到纵向振动的解析解答。最后分析了初始隧洞压力引起的初始应力场对土体纵向阻抗的影响,并与现有的解答进行对比。

2015年智利M_W8.3地震震源区构造应力场分析

自GCMT目录收集2015年9月16日智利MW8.3地震震中周围深度在70km以上的震源机制解,应用MSATSI软件反演了该地震震中周围的应力场.反演结果显示,主压应力轴方向的整体一致性较好,张轴的非均匀性明显,即大致以31.5°S为界,南部处于EW向和NS向的双轴压缩状态,以WE向挤压为主,兼有NS向挤压,拉张轴近乎垂直;北部压轴方位仍为近EW向,但张轴方位旋转至近NS向.