考虑损伤与剪胀及中间主应力的巷道围岩弹塑性分析

为研究圆形巷道围岩的稳定性,考虑了巷道围岩的损伤、剪胀特性以及中间主应力效应,建立了圆形巷道围岩弹塑性损伤力学模型,推导出圆形巷道围岩的弹塑性应力场和位移场解析解。研究结果表明:考虑损伤时围岩塑性区范围更大,所需支护阻力增长明显,塑性区位移明显增加;剪胀对位移场影响较大,对应力场影响较小,剪胀系数越大,需要提供的支护阻力就越大;随着中间主应力系数的增大,所需支护阻力降低,塑性区位移减小,最大位移减小幅度高达79.74%,不考虑中间主应力的强度准则偏于保守;考虑损伤、剪胀和中间主应力的新的位移解更加合理,研究成果为圆形巷道的设计支护提供了一定的理论基础和参考价值。     

考虑脆性损伤和渗流的圆形水工隧洞稳定性分析

为获得更准确的隧洞围岩塑性范围和力学特征,基于非线性脆性损伤和统一强度理论,考虑渗流场和中间主应力系数,推导出隧洞围岩弹塑性应力和塑性范围表达式。通过算例分析,得出渗透比（围岩与衬砌渗透系数之比）等相关参数对隧洞塑性范围和应力的影响规律。研究结果表明:隧洞切向应力具有不连续性,在衬砌、塑性区交界处及弹塑性交界处均发生突变;随渗透比和围岩脆性程度的增大,围岩塑性半径逐渐增大,塑性区切向应力逐渐减小;中间主应力系数越大,围岩塑性半径越小,塑性区切向应力越大。采用注浆加固圈进行支护,可有效地降低围岩渗透性,减小塑性范围。研究成果可为水工隧洞支护设计和稳定性分析提供一定的理论指导。     

考虑损伤的圆形巷道围岩弹塑性分析

如何判断巷道开挖后,围岩弹塑性变形及围岩的力学行为一直是人们研究的重点问题。考虑岩石材料的损伤特性,建立了巷道围岩弹塑性损伤力学模型,对侧压力系数为1时圆形巷道围岩的弹塑性应力场及范围进行分析。结合具体算例,得出在相同塑性范围内,随着λ/E比值的增大,所需要的支护阻力也随之增大;当原岩应力一定时,随着λ/E比值的增大,巷道围岩的塑性区范围也随之增加。研究表明,考虑损伤作用使得分析结果更加接近于实际,从而为巷道围岩稳定性分析和合理选择支护形式及强度提供理论依据。     

考虑渗流剪胀和中间主应力的隧洞围岩稳定性分析

为研究隧洞围岩的稳定性,在考虑渗流、剪胀和中间主应力的基础上,依据弹塑性理论和非关联流动法则推导出隧洞围岩应力场和位移场的解析式,分析衬砌反力和洞壁位移的关系,并得到围岩-衬砌特征曲线。结果表明:渗流和中间主应力对隧洞围岩应力场和位移场均有较大的影响,考虑渗流相对于不考虑渗流时,切向应力峰值更大,塑性区半径更小;随着中间主应力的增大,塑性区半径变小,塑性区位移增大;剪胀仅影响围岩位移场,对应力场无影响,剪胀角越大,塑性区位移越大;围岩和衬砌存在相互协调作用的关系,中间主应力越大,最佳衬砌力越小。     

考虑峰后软化的圆形巷道稳定性分析及工程应用

为获得更准确的巷道围岩应力分布和变形特征,基于统一强度理论,考虑围岩塑性软化和中间主应力的影响,引入塑性软化参数,推导出巷道围岩弹塑性区应力、塑性区范围和位移的表达式。通过算例分析,得到塑性软化系数和中间主应力等相关参数对巷道围岩应力分布、塑性区半径和位移的影响规律。研究结果表明:随内摩擦角软化系数和黏聚力软化系数的增大,围岩塑性区半径和位移呈现先急剧后缓慢的减小趋势;中间主应力系数对巷道围岩弹塑性应力有着显著影响,中间主应力系数越大,围岩塑性区半径和位移越小。     

基于D-P准则巷道围岩应变软化与破裂膨胀弹塑性分析

为了得到考虑围岩应变软化、破裂膨胀和中间主应力情况下的巷道围岩弹塑性解,基于非关联流动法则和DruckerPrager准则,引入中间主应力系数,建立软化和膨胀模型,得到了巷道变形、破裂区和塑性区半径的解析式,并进行了应用分析。研究结果表明:随中间主应力增大,巷道变形、破裂区和塑性区半径先减后增;围岩软化越严重,对巷道变形、破裂区和塑性区半径影响越显著;软化阶段的膨胀行为对塑性区半径不产生影响,但影响巷道破裂区半径和变形;残余阶段的膨胀行为对破裂区和塑性区半径不产生影响,但影响巷道的变形;巷道变形、破裂区和塑性区半径随支护阻力增大而减小,且原岩应力越大,支护对变形影响越显著。     

考虑中间主应力对圆形巷道Hoek Brown准则解的影响

为了建立更加适用于深部巷道围岩塑性解分析的Hoek Brown准则,获得更加准确的巷道围岩塑性区范围及其支护变形量。通过将洛德参数表示的中间主应力带入Hoek Brown准则中,经过理论公式的推导,获得巷道围岩塑性区的应力和半径以及巷道周边位移的解析解。经算例分析,随着中间主应力的减小,塑性区范围也减小,当中间主应力趋近于第三主应力时,塑性区范围为最小;并且支护阻力和原岩应力对巷道塑性区范围也有一定影响;最后将计算的结果与Mohr-Coulomb准则对应的卡斯特纳解进行比较,发现文中建立的Hoek Brown强度准则更加适用于深部巷道塑性区分析。由此可知考虑中间主应力的Hoek Brown强度准则,更能全面分析巷道围岩塑性区的范围,获得更为准确的结果;在工程实践中,在易破坏的地段取地应力值时,应适当的增大中间主应力的取值,并且刚开挖巷道应及时支护,这样可有效的维护巷道围岩的稳定。     

考虑应变硬化和扩容特性的巷道围岩稳定性分析

为获得更为准确的巷道围岩应力分布和位移特征,在考虑围岩峰前应变硬化和扩容特性的基础上,由围岩平衡方程推导出围岩弹性区和塑性区应力表达式以及塑性区半径和位移的解析表达式,运用FLAC3D软件模拟巷道围岩应力分布,并通过算例分析围岩应变硬化、扩容特性、强度特征等因素对理论解的影响。研究结果表明:考虑应变硬化后,围岩径向应力呈光滑无尖峰分布,围岩应力分布特征与数值模拟结果一致;应变硬化和扩容对巷道围岩弹塑性解均有影响,围岩稳定性分析中,不可忽略这两者的作用;增大支护阻力、强化围岩有助于提高围岩稳定性。     

非等压下考虑渗流和剪胀的圆巷围岩弹塑性统一解

对于富水地层中深埋圆形巷道,为研究多种因素影响下巷道围岩塑性区范围和洞周位移的变化规律,对巷道围岩进行了弹塑性理论分析。对围岩应力场和渗流场进行耦合分析,基于统一强度理论和非关联流动法则,推导出多种因素影响下深埋圆形巷道围岩应力、位移和塑性区半径的解析计算式。结合工程实例进行计算分析,结果表明:中间主应力参数、围岩侧压系数、初始孔隙水压和剪胀角对围岩塑性区径向位移和塑性区范围均有显著影响,但影响规律各不相同;考虑中间主应力作用时,其他各因素的影响效应减弱。综合考虑以上各因素对围岩稳定性的影响,计算结果更加接近工程实际情况。     

井下防水型避难硐室支护结构稳定性研究

为研究在淹井条件下防水型避难硐室的安全性,以归来庄金矿为例,采用FLAC~(3D)软件数值模拟开挖、锚杆支护、初喷、复喷、二次支护以及三次支护等6个支护阶段。得到应力、位移变化曲线以及塑性区范围。分析在无水压和1.5 MPa水压条件下围岩的变形特征和避难硐室支护结构的稳定性。结果表明:开挖过程引起的围岩形变和围压变化不大;在无水压条件下,锚杆支护后经过一系列喷浆支护可加固整体支护结构的稳定性;在1.5 MPa水压条件下,喷浆支护能够保证避难硐室稳定。     

深埋隧洞围岩稳定性分析

为研究深埋隧洞围岩的稳定性,依据弹塑性理论推导衬砌支护反力与洞壁周边位移的解析表达式,得到围岩和衬砌支护特征曲线。基于数值模拟和现场实测方法,研究隧洞围岩和衬砌变形过程。结果表明:围岩的裂纹扩展可以划分成裂纹萌生、裂纹迅速扩展、裂纹缓慢增加和裂纹稳定4个阶段;衬砌支护反力与洞壁周边位移相互影响,衬砌支护反力越大,洞壁位移越小;洞壁周边的移动速度表现出先增大后减小的变化规律。对隧洞围岩进行衬砌支护后,围岩破坏裂纹总数和移动速度明显减小。     

大型地下厂房洞室群施工开挖顺序及围岩稳定分析

选择合理的施工开挖顺序,不但可以缩短大型地下洞室群的施工工期,而且有利于提高洞室围岩的稳定性和减少支护成本。通过弹塑性损伤有限元法和平面地质力学模型试验相结合的方法,分别对3个不同开挖方案进行了地下厂房围岩稳定性对比分析。研究结果表明,数值计算和模型试验的位移、应力及塑性区分布符合地下洞室群的一般规律,且两者的分布规律一致。不同施工开挖顺序方案洞室的围岩稳定性不同,应选择合理的施工开挖顺序方案,以利于地下厂房洞室群的围岩稳定。3个方案相比较而言,方案二开挖完成后,洞周位移、围岩应力和破坏区范围以及应力集中程度均较小,且具有一定的超载安全储备,能够满足地下厂房洞室群围岩整体稳定要求。     

基于强度折减与刚度退化小净距隧道围岩稳定性研究

运用刚度退化的基本原理和方法,将泊松比ν和弹性模量E进行调整,提出变刚度隧道围岩强度折减法。以某小净距隧道为例,在只调整ν或E、同时调整ν和E、保持ν和E不变4种情况下,探讨了刚度退化对小净距隧道围岩稳定性的影响。结果表明:ν对隧道拱顶下沉、拱底沉降、最大主应力的影响要强于E;隧道两拱脚向内位移随折减系数的增大而增大,内侧拱脚向内位移比外侧拱脚的要大,且在刚度调整时拱脚位移要比保持刚度不变时大;等效塑性应变随折减系数的增大而增大,刚度调整导致等效塑性应变区减小,考虑刚度退化推迟了中夹岩柱塑性区贯通;将变刚度隧道围岩强度折减法应用于小净距隧道工程围岩稳定性评价,可依据安全系数的大小来评判设计的合理性,为支护参数及施工技术的选用提供参考。     

水平应力对半圆拱形巷道围岩应力分布及变形特征影响

水平应力是影响巷道围岩应力分布及变形破坏特征的重要因素,通过数值模拟方法研究了水平应力对直墙半圆拱形巷道围岩应力场、塑性区、位移场分布规律的影响,进而为确定巷道支护形式提供一定的理论依据。研究表明:影响巷道稳定性的关键因素是巷道周边的环向应力集中,随侧压力系数λ的增大,帮部围岩的竖向应力集中向顶、底板转移,从而引起塑性区向顶、底板转移,塑性区范围向顶、底板围岩内部扩展,巷道稳定性降低。当λ取值不同时,在巷道顶底板会产生相应的环向或径向拉应力区域,在拉伸作用下围岩整体性能降低,易发生压拉破坏。随λ增大,巷道帮部变形量逐渐增大,顶板下沉量先减小后增大最后减小,底鼓量先减小后增大。     

基于D-P准则的煤层钻孔封孔深度分析

为了确定合理的煤层钻孔封孔深度,提高瓦斯抽采效果,基于D-P屈服准则,提出关于中间主应力、煤岩剪膨胀的巷道开挖模型,推出钻孔周围煤体应力应变及钻孔封孔深度表达式。结合工程实例,以煤巷掘进工作面平均瓦斯抽采浓度和钻屑量为基础进行封孔深度的验证。研究结果表明:中间主应力、残余黏聚力、内摩擦角和剪胀角对于封孔深度有重要影响;在一定区间内,钻孔封孔深度随中间主应力的增大而增加,超过某个值后会随着中间主应力的增加而减小;剪胀角越大,扩容系数越大,钻孔封孔深度越大;平均瓦斯抽采浓度和钻屑量测试结果验证了封孔深度的准确性。     

深部软岩煤巷围岩变形分析与控制技术研究

根据深部软岩煤巷围岩力学性质,借助有限差分软件FLAC程序,模拟软岩煤巷开挖未支护巷道和U型钢支护巷道围岩变形破坏全过程,得到围岩应力场、位移场和塑性区变化规律。结果表明,解决底板问题是维护深部软岩煤巷整体稳定的关键,巷道底鼓与两帮收敛两者是相互关联的,提高围岩本身强度参数是围岩控制的重点。由此提出大刚度高阻力联合支护技术,即应用高阻力预应力锚杆进行锚网支护的基础上,以注浆加固和反底拱对底板进行控制,同时配合大刚度U型钢支护,适时实施围岩二次注浆加固及锚索加强支护,且将此技术应用于工程实践。     

多因素影响下巷道变形特性数值模拟研究

基于FLAC3D有限差分软件对开挖深度、侧压力系数、断面形状等多因素影响下的巷道变形参数进行正交试验，根据正交试验分析结果，分别选取同一深度条件下的圆形、马蹄形、直墙拱形、矩形巷道进行模拟试验并以圆形巷道作为典型断面，对不同深度下的巷道变形特征进行模拟试验。研究结果表明:开挖深度对巷道开挖后的应力差变化影响明显，断面形状对巷道围岩内的塑性区深度和具有显著影响；巷道开挖后的塑性区深度和随形状指数增加而呈线性增长趋势，圆形巷道的塑性区深度和最小，矩形最大；应力差随着巷道开挖深度的增加呈线性增加，深部开采应重视巷道内的应力分布情况。     

倾斜岩层大断面隧道塌方机制的数值模拟

塌方是隧道施工中出现的主要安全事故,研究隧道塌方产生的机制对于保证隧道施工安全具有重要意义。以穿越倾斜岩层段某隧道塌方事故为工程背景,基于围岩的工程力学特性,采用数值分析和现场监测方法研究隧道塌方的力学机制。结果表明:在开挖爆破振动荷载作用下,隧道断面拱部左侧节理岩层极易出现超挖,隧道左侧拱腰处的塑性区显著大于右侧,使左侧拱腰处内侧出现拉应力;左侧拱腰处围岩压力显著大于右侧,造成支护结构的受力不均,初支喷层极易开裂,随着松动区范围逐渐增大,围岩压力逐渐增大,隧道变形迅速增大,极易造成围岩失稳而导致隧道坍塌。     

基于双强度折减法的浅埋偏压隧道安全性与破坏模式研究

基于双强度折减系数法,探究了以特征部位沉降、最大塑性应变和最大主应力是否突变及塑性区发展作为隧道失稳判据的适用性。基于双强度折减理论,采用不同埋深与高跨比、不同地表坡度及不同围岩级别,对浅埋偏压隧道进行了安全度分析,探讨了浅埋偏压隧道的破坏模式。结果表明,拱顶沉降对隧道围岩失稳有很好的突变响应,建议采用拱顶沉降作为隧道的围岩稳定性判据;黏聚力c及内摩擦角φ对隧道稳定安全系数的贡献受地表坡度及围岩级别影响较大;浅埋偏压条件下隧道开挖后产生的潜在破裂面主要有5处,不同破坏模式下的破裂面状态不同。     

不同应力条件下裂隙岩体广义流变特性及稳定性研究

裂隙岩体开挖后形成扰动区，随着时间的延长，应力和应变同时变化的这种流变现象确实存在，在刚性支护后，随着时间的延长，强度会恢复，且在强度恢复过程中应力和应变又同时变化，这种流变现象用一般的蠕变和应力松弛很难解释清楚，通过广义流变来研究不良地质裂隙岩体的稳定性和长期强度非常重要。首先，对广义流变特征、力学机制进行了总结分析，将隧道开挖扰动区分为开挖破碎区(Excavation Fracture Zone, EFZ)、开挖损伤区(Excavation Damaged Zone, EDZ)和原岩弹性区(Inner Elastic Zone, IEZ),将峰后卸荷损伤区(Unloading Damage Zone, UDZ)和塑性流变区(Plastic Disturbed Zone, PDZ)合并为广义流变损伤区(Generalized Relaxation Disturbed Zone, GRDZ),重点探讨了不同裂隙岩体开挖扰动区岩石广义流变的工程物理意义；然后，开展了不同条件下的广义流变试验，得到裂隙岩体开挖扰动区岩石的广义流变特性；对比分析了单轴压缩、单轴拉伸和三轴压缩条件下广义流变特征...