Lateral Earth Pressure Coefficient and Lateral Earth Pressure against Retaining Walls

According the Coulomb earth pressure theory,it is obtained that,for normally consolidated soils,the lateral pressure coefficient of a soil at rest is equal to 1,and it is independent of the soil type,either granular or cohesive;or that the material is in a loose or compact state;hard or a soft cohesive soil.Also,a methodology to calculate the earth pressure for intermediate states between at rest condition and the active pressure is presented.In addition,a methodology to calculate the earth pressure for intermediate states between at rest condition and the passive pressure is presented.Two practical examples are presented:one for a frictionless wall;and another for a coarse wall.Practical recommendations are given for the use of the lateral earth pressure coefficient for different applications.

K_(0)试验确定土的卸载回弹参数辨析

基于固结压缩仪和三轴仪进行K_(0)试验测得的数据,本文假设土在卸载回弹过程中表现为非线性弹性,对卸载过程中土的静止侧压力系数与超固结比关系提出了一个适用性良好的拟合函数,并由此推导出土的卸载回弹静止侧压力系数和泊松比算式,两者都会随着竖向应力的减小或超固结比的增大而增大;还推导出土的卸载回弹模量和变形模量的算式,它们都会随着竖向应力的减小和土的回弹指数的增加而减小,其中土的回弹变形模量的降低幅度因受回弹泊松比的影响而更为显著。本文对基坑开挖等卸载条件下地基土应力和变形计算的参数选取具有实用参考价值。

三维连续-非连续并行计算方法及其在岩爆过程模拟中的应用

随着深部岩石工程的发展,岩爆变得越发严重。在岩爆的数值模拟方面,连续方法和非连续方法均具有一定的局限性。兼具二者优势的连续-非连续方法更具优势,且正在快速发展。基于CUDA对自主开发的三维拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法进行了GPU并行加速。为了探索岩爆的机理和过程,模拟了不同静水压力、侧压系数和单元数目(最多达100×10^(4))条件下圆形洞室围岩V形坑的演化规律和单元弹射现象。考察了洞室围岩中裂纹的定量演化规律。研究表明:当静水压力较大时,基于芬纳公式的支护设计偏于不安全。由于V形坑的位置发生改变,V形坑的平均最大深度随着静水压力的增加先缓慢增加后快速增加。关于洞室围岩V形坑的模拟结果能与有关的实验结果、数值结果和现场观测结果吻合。上述研究很好地体现了岩爆并行计算较串行计算和商业软件计算的优势。

K_(0)≠1时条形基础地基临塑荷载公式

目前土力学教材中给出的条形基础临塑荷载公式都是假定侧压力系数K_(0)=1,其计算结果偏大。已有文献在推导K_(0)≠1的临塑荷载公式时,由于近似计算或假定不合理,导致给出的公式不准确。本文首先沿基底附加应力产生的地基中主应力方向建立局部直角坐标系,得到K_(0)≠1时地基中一点的应力表达式;再通过误差分析,确定出主应力开平方近似计算式中系数的合理取值;然后根据塑性区开展深度为0,得到局部坐标系与竖向的夹角;最后将应力表达式代入Coulomb准则,利用开平方近似计算式、三角函数级数展开式,通过求导得到临塑荷载公式。算例表明:对于通常情况下的条形基础,K_(0)≠1时地基土自重应力引起的主应力轴偏转角度较小,采用土力学教材中公式计算临塑荷载误差在10%以内,采用本文提出的公式计算临塑荷载,可以保证误差小于1.0%。

考虑地质影响的深基坑复合土钉墙最优支护参数选择技术

通过勘察一区域综合办公写字楼主楼获取土层详细指标,利用土钉抗力参数计算选取最佳土钉墙材料,并设计深基坑复合土钉墙支护方案与施工流程。将设计好的施工方案输入到FLAC3D软件中模拟深基坑支护结构,模拟不同地质影响下的侧压力系数。经试验验证:当土钉参数为5排、钢管嵌固深度参数为2 m时,支护结构可以最大程度降低深基坑的水平位移与沉降;在侧压力系数较大情况下,可以保持较低的竖直位移与深基坑坑底隆起值,具有较好的支护效果。

基于DP准则的巷道围岩塑性区影响因素分析

围岩塑性区的扩展是巷道事故频发的根本原因,确定塑性区影响因素及其发展规律对煤矿的安全生产至关重要。基于DP准则推导出非均匀场下的围岩塑性区边界方程,对非圆形截面巷道进行当量半径折算,分析不同侧压系数下塑性区形态,采用单因素法分析不同DP准则的塑性区影响因素。研究结果表明:当侧压系数在0.6~1.5范围时,塑性区呈椭圆形分布;当侧压系数小于0.6或大于1.5时,塑性区呈蝶形分布。巷道地压和围岩岩性显著影响了塑性区的形态及范围,根据工程实际合理选取巷道位置,能够有效降低巷道支护的难度及成本。中间主应力对巷道围岩塑性区范围的影响有着强烈的区间性。巷道支护可以通过注浆来改善岩体的黏聚力、内摩擦角,进而减小塑性区范围,但这一作用效果有限。塑性区半径随着支护阻力的增大而线性减小。根据不同DP准则计算出的塑性区半径有所差异,合理运用DP屈服准则既能够保证煤炭生产的安全性,又能够降低工程造价。

基于EDEM的粮食立筒仓卸料动态侧压力研究

立筒仓卸料过程中,贮料流态不断变化,仓壁压力随之表现出不同变化规律。为探究卸料过程中贮料在粮食立筒仓中的流动状态和速度分布、贮料对仓壁产生的动态侧压力以及相应超压系数,采用离散元仿真软件EDEM(engineering discrete element method)对粮食立筒仓卸料过程进行模拟,分别选定两种不同卸料速度工况,并结合试验结果对比分析动态侧压力。结果表明:通过直接观察和整体流量指数分析筒仓内贮料流动状态,贮料流态与其所处的筒仓位置有关,发展进程为整体流动-管状流动-漏斗型流动;EDEM仿真模拟与试验结果的静态侧压力值接近、动态侧压力分布规律一致,且超压系数误差在合理范围内;卸料整体过程中,流速快工况的超压系数均大于流速慢工况;筒仓仓壁下部1/3 h_(n)范围内的动态侧压力突增最为明显(h_(n)为装粮线至仓身下部的高度),贮料内部不断重复动态拱过程致使仓壁卸料压力呈现不同震荡分布,且该位置的超压系数高于现行规范的水平侧压力修正系数C_(h)。EDEM离散元卸料仿真进行动态侧压力研究具有可行性,研究成果可为筒仓结构安全设计提供参考。

圆形巷道围岩破坏机制解析及静动耦合响应力学行为

非等压圆形巷道围岩塑性区相关问题是影响围岩破坏失稳的重要因素。首先,基于Mohr-Coulomb破坏准则,分析非等压圆形巷道围岩塑性区边界条件,探究侧压系数对塑性区形成的影响机制。此外,利用ANSYS/LS-DYNA仿真平台对不同侧压系数下的巷道围岩力学行为进行静动载荷耦合响应数值模拟。结果表明:侧压系数的增大显著改变围岩有效应力的分布特征。有效应力场的分布特性与塑性区边界理论解具有一定的吻合性。不同侧压系数的应力场作用时,巷道围岩的变形具有显著的差异性,随着侧压系数的增大,围岩发生较大的非均匀性变形。静动耦合作用下顶板和底板的围岩破坏区域显著增加,但两帮围岩的破坏面积有减小的趋势。

DEM中砂土制样方法对浅基础承载力计算的影响

离散元数值模拟中,不同的制样方法会导致土体孔隙比和均匀性存在差异,进而对浅基础承载力的模拟计算结果产生影响,因此需要分析不同制样对浅基础承载力影响的问题.本文分别使用粒径放大法、Distribute法、GM(grid method)法和欠层压实法对无黏性砂土进行制样,且试样在10g的重力场下进行地应力平衡;利用测量圆对不同位置土体孔隙比、水平应力和竖直应力进行监测,得到试样平均孔隙比e和小于1的侧向土压力系数K0值;通过在试样表面放置刚性墙体并以相同的速度加载来模拟浅基础承载力试验,研究不同制样方法对浅基础承载力的影响.研究结果表明:GM法与欠层压实法生成的试样,其孔隙比接近最初设置的目标孔隙比,误差约为3.5%;而粒径放大法与Distribute法生成的试样,其孔隙比会小于目标孔隙比,误差为20.0%左右;在试样整体均匀性方面,GM法得到的试样均匀性最好,随后依次是欠层压实法、Distribute法和粒径放大法;由于不同制样方法所得的试样孔隙比和K0不同,在浅基础承载力模拟计算中不同制样方法得到的承载力关系为:GM法<欠层压实法<粒径放大法<Distribute法.

地应力环境对深埋硐室岩爆特性影响的数值模拟研究

为了探究地应力环境对深部硐室岩爆特性的影响,通过FLAC3D数值模拟软件,建立了高地应力环境下圆形硐室的数值模型,结合硬岩在某个特定围压状态下的实验数据,拟合出了硬岩的极限储能值经验公式,基于岩石应力强度比、弹性变形能岩爆判别指标和相关判据,研究不同地应力环境对岩爆的影响。研究结果表明,岩爆产生的风险和对应的岩爆烈度等级均会受到地应力环境的影响。具体表现为当侧向压力系数λ<1.00时,岩爆会产生在硐室两侧,随着侧向压力系数的增加,岩爆判别指标数值减小,硐室发生岩爆的风险降低;当侧向压力系数λ>1.00时,岩爆发生在硐室的顶部和底部,随着侧向压力系数的增加,岩爆判别指标数值增大,硐室发生岩爆的风险增大。

基于测井参数的煤储层地应力计算方法研究——以延川南区块为例

地应力对煤储层渗透率的影响贯穿整个煤层气开采过程,进而影响煤层气的运移和产出效果。为了探讨煤层地应力的有效计算方法,以鄂尔多斯盆地东缘延川南区块为例,基于研究区主力煤层测井、试井资料,及煤岩泊松比、弹性模量、储层压力等参数计算结果,构建适用于该区煤储层地应力的计算模型,并对研究区地应力分布特征进行剖析。结果表明:(1)相比于组合弹簧模型,修改后的葛氏模型计算的煤层水平主应力平均相对误差更小,更适用于延川南区块地应力预测;(2)研究区2号煤层最小水平主应力(σ_(h))为9.23~29.36 MPa,平均16.87 MPa,最大水平主应力(σ_(H))为10.74~44.71 MPa,平均25.49 MPa,垂向主应力(σ_(v))为15.64~39.51 MPa,平均27.07 MPa;(3)平面上,研究区以西掌断裂带为分界线,煤储层地应力呈现西北高、东南低的特征;垂向上,随煤层埋深的增大,3个方向的应力及侧压系数均呈现递增的趋势,应力场状态也由正断型(σ_(v)>σ_(H)>σ_(h))逐渐向走滑型(σ_(H)≈σ_(v)>σ_(h))转变,且区内煤储层侧压系数及应力场状态的变化与小型逆断层的分布密切相关。修改后的葛氏模型预测精准度达92.15%,且可通过修改构造应力系数应用到其他区块,对研究区深部煤层气乃至对其他区块深部煤层气开发具有重要意义。

深部高应力软岩巷道围岩变形机理及控制技术研究

为了研究深部高应力巷道围岩变形和破坏特征,通过理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法,对不同侧压系数与不同岩性下巷道围岩的塑性区分布规律进行探究,结果表明:随着侧压系数的增大,巷道围岩塑性区范围逐渐增大,且两帮的变化速率明显较小,使得塑性区由圆形变为椭圆形,当侧压系数为1.8时,顶底板处塑性区最大;不同岩性下的巷道塑性变形区均表现为顶底板范围大,两帮范围小的特点,且泥岩中的塑性区范围要明显小于煤层;通过数值模拟对比注浆加固前后巷道位移量,结果表明注浆加固后围岩顶板与两帮位移量平均减少了28%,现场实际应用“锚固+注浆”联合支护后,掘进期间巷道断面基本无变形。

基于椭球体理论的低含水率砂层隧道松动土压力研究

为研究低含水率砂层隧道土拱效应下的破坏模式与松动土压力,自制试验装置开展低含水率条件下Trapdoor试验,利用PIV技术得出破坏模式;分析主应力偏转对侧压力系数的影响。基于椭球体理论,考虑松动区内竖向荷载梯形分布形式与表观黏聚力作用,推导不同土拱效应发挥程度下隧道松动土压力计算公式。研究结果表明,表观黏聚力使模型试验最终滑动面呈现椭圆状,与Terzaghi假设的竖直面存在差别;φ为常数时,K值与埋深正相关,随土拱效应发挥程度增大而增大;土拱效应的发挥程度与埋深成正相关,相同埋深下,K随φ增大而减小,利用本文公式计算出K随φ值变化在0.2~0.7之间。算例表明,相同埋深时松动土压力在不同含水率下随土拱效应发挥呈递减趋势,体现出表观黏聚力随土体饱和度变化规律。

地应力条件下水压爆破顶板裂纹扩展规律影响因素研究

为研究地应力条件下水压爆破顶板裂纹的扩展规律,利用LS-DYNA非线性动力有限元模拟软件,以铺龙湾煤矿10602沿空留巷切顶卸压为工程背景,分析了不同侧压力系数、不耦合系数及导向孔与爆破孔间距对水压爆破在外加导向孔条件下孔间裂纹扩展及孔间峰值有效应力的影响,并进行现场验证。结果表明:在侧压力系数0.5~4.0范围内,随着侧压力系数的增大,孔间岩石的环向压应力逐渐小于连孔垂直方向的压应力,使得裂纹的扩展方向逐渐由连孔垂直方向过渡到连孔方向;随着不耦合系数的增大,孔间裂纹呈现先增多后减少的趋势,其中不耦合系数为2.5时,孔间裂纹最多,孔间峰值有效应力相比于其他情况高出1.16~1.45倍;当不耦合系数为2.5,侧压力系数分别为0.5、1.0、2.0、4.0时对应的最佳炮孔间距为500、600、700、700 mm。不耦合系数选取2.5、侧压力系数为2,炮孔间距为700 mm时的现场试验,顶板裂纹贯穿,液压支柱支护阻力降低20%左右,切顶效果良好。

充填散体材料侧限压缩试验径径比的确定方法

为了使矿山散体材料压缩承载试验结果具有科学性和代表性,确定其侧限压缩试验中合理的径径比D/d(试验钢筒内径D与试验散体最大颗粒粒径d的比值)是保证试验数据可靠性的关键。首先,基于7组不同径径比条件下河卵石颗粒堆积体的侧限压缩试验,探讨河卵石颗粒堆积体的压缩应力-应变曲线非线性行为、堆积体内部结构自组织过程中声发射(AE)振铃计数和侧压系数与径径比的关系;然后,根据散体材料在外载荷作用下所具有的压缩曲线非线性、内部结构自组织行为和侧压系数变化特性,找出颗粒堆积体侧限压缩试验结果同时满足散体材料这三大特征时的合理径径比。研究结果表明:当D/d≥7时,河卵石颗粒堆积体同时满足散体材料上述三大物理力学特征,即该径径比为河卵石散体侧限压缩试验的合理径径比。

侧压系数对矩形巷道应力及位移影响

使用复变函数对矩形巷道边界最大主应力进行理论求解,并基于理论计算结果进行数值模拟实验,分析矩形巷道围岩应力位移变化规律。结果表明:数值模拟的最大主应力求解结果与理论分析结果完全一致,验证了数值模型的科学性和正确性;巷道最大主应力的最大值在不同侧压下,均出现在巷道边界的4处拐角且4个值相等;随着侧压系数的增大,在不同侧压力下,巷道发生竖向位移的围岩主要发生在巷道的顶底板,两帮未发生明显的竖向位移,并且随着侧压系数的增大,发生的竖向位移量减小,发生竖向位移的围岩范围变小;当侧压系数k<1时,发生位移的围岩范围呈现出“8”形状;k=1时,呈现出“O”形状;k>1时呈现出“∞”的形状,并且侧压系数越偏离1,呈现出的“8”或“∞”形状越明显。

桩靴插桩动力过程的数值模拟方法研究

基于耦合的欧拉-拉格朗日方法(CEL),模拟黏土中自升式钻井船桩靴插桩过程,并对计算中的参数进行敏感性分析。结果表明:CEL方法中选取合理参数可有效模拟离心模型试验下压阻力结果;模型中最小网格尺寸较大会使计算结果产生震荡,建议取0.05倍桩靴直径;桩靴插桩速率v速度较慢时对下压阻力影响较小,建议取为1 m/s;桩靴与土摩擦系数f对桩靴下压阻力影响较小,黏土中建议设置为0即光滑接触;地应力步中侧压力系数K0应与其他土体参数协调,黏土中建议取值为1。

深厚复合软土地层力学参数试验对比研究

土体抗剪强度、压缩模量及静止侧压力系数是深埋引水隧洞设计和施工的重要力学参数。通过试验对滇中引水工程昆明城区深厚复合软土地层的力学参数分布特征进行研究,并对不同试验方法获得的力学参数其关联性进行分析。研究结果表明:三轴(UU)试验获得的土层摩擦角较快剪试验获得的摩擦角小,而黏聚力大于快剪试验土体黏聚力,两种试验获得的黏聚力、内摩擦角均具有良好的线性关系。土层埋深较浅时,旁压试验和固结试验获得的压缩模量相近;土层埋深较大时,旁压试验获得的压缩模量小于固结试验获得的压缩模量。深厚复合软土地层的静止压力系数K 0与深度不相关,其大小主要受土性的影响;利用旁压试验进行K 0测试与室内K 0测试获得的结果相近,验证了旁压试验在深厚复合软土地层中进行K 0测试的适用性。研究结果对指导滇中引水工程及类似深埋岩土工程的设计施工有较强参考意义。

基于圆孔应力势函数法的核桃峪矿煤柱宽度确定

为了研究不同工作面尺寸以及不同地应力条件下的沿空留巷煤柱宽度确定方法,以甘肃庆阳核桃峪煤矿为背景,使用等效圆孔模型对矩形采空面进行替代,将煤柱简化为遍布水平节理与竖直节理的节理模型,引用弹性力学中应力势函数,结合摩尔-库伦准则对水平节理的剪切强度以及数值节理的剪切与拉伸强度进行分析;同时探究了不同等效圆孔半径和不同侧压系数下的煤柱抗剪强度曲线。结果表明:水平节理的剪切破坏是造成煤柱失稳破坏的主要原因,竖直节理的拉伸破坏主要集中在煤柱表面;同时,较大的等效圆孔半径会造成更大的影响范围以及更大的煤柱破坏面积;而较大的侧压系数能够提供给煤柱较大的围压,提高煤柱的抗压能力,进而使得煤柱的失稳破坏面积显著减小。该研究可以为煤矿开采工程中的沿空留巷煤柱宽度确定提供一种新的方法。

缓倾层状岩体隧道底部结构变形和裂缝发展规律

以渝黔铁路(重庆—贵阳)老周岩隧道为工程背景,采用三维离散元数值模拟方法,分别研究了不同岩层层理倾角和侧压力系数条件下隧道底部结构变形特征和裂缝发展规律。结果表明:隧道底部结构隆起量和中轴线两侧隆起不对称程度均随倾角、侧压力系数的增大而增大,底部结构隆起量最大值出现在层理方向与隧道底部相切位置;底部结构裂缝张开量、剪切滑移量和分布范围均随倾角、侧压力系数的增大而增大;随倾角增大裂缝发展最显著位置由仰拱中心向右墙脚移动,随侧压力系数增大裂缝向深部扩展程度增大,底部结构三角形破裂区域范围也逐渐增大。