准静力拉格朗日元与离散元耦合方法及应用——以常村煤矿S6-7工作面为例

为了探究采动条件下采场上覆岩层的变形-开裂-运动过程,利用自主开发的适于准静力计算的拉格朗日元与离散元耦合的连续-非连续方法,针对常村煤矿S6-7工作面开展研究.结果表明,1)随工作面推进距离增加,首先,直接顶出现裂缝;然后,采场上覆岩层发生一定程度的弯曲变形、下沉和离层;之后,直接顶垮落,其上岩层破断,并发生明显的弯曲变形、下沉和离层,采空区局部闭合.此后,上述过程循环往复.2)将工作面煤壁前方和开切眼后方上覆岩层最大主应力大于0的最大范围定义为采动影响范围,通过分析悬露岩层长度和弯矩的变化解释了上述两部分采动影响范围的演化规律.3)通过分析工作面煤壁前方煤层支承压力峰值的变化解释了该部分煤层破碎区尺寸的演化规律.     

黏土半巷道围岩模型过巷道轴线平面破坏过程实验观测∗

为了观测过巷道轴线平面上应变局部化带及裂纹的发展演化规律,开展了黏土半巷道围岩模型三轴压缩实验研究。半巷道围岩模型的观测表面处于平面应变状态,且分步开挖巷道。在每次巷道开挖之前,对半巷道围岩模型卸荷。每次巷道开挖之后,再对半巷道围岩模型加荷。采用数字图像相关方法观测了观测表面的最大剪切应变场,并统计了裂纹面积百分比随纵向应变的演化规律。得到以下结论:当纵向应变较高时,在半巷道围岩模型的观测表面上,出现了由巷道两帮或两帮与掌子面交点处发展出的应变局部化带;另外,还出现了距离巷道表面较远的应变局部化带。由此可以推出,垂直于巷道轴线平面上将会出现分区破裂化。裂纹面积百分比随纵向应变的增加而增加;随着阈值(可识别的裂纹面积的最小值)的增加,裂纹面积百分比降低,但降低的速度越来越慢。剪裂纹主要位于巷道的两帮;拉裂纹遍布各处,呈现一定的等间距性。     

基于数字图像相关方法的单轴压缩煤样应变场破坏前兆评价

为探索煤样的破坏前兆,进行煤样的单轴压缩试验,利用数字图像相关方法计算煤样破坏过程中的应变场,并对应变数据进行处理(当水平线应变小于0时令其为0且当垂直线应变大于0时令其为0),统计了5种应变的变异系数随纵向应变的演变规律。结果发现:1)从水平线应变场、剪应变场、最大剪切应变场和体积应变场上均能观察到不同程度的破坏前兆,即应变局部化;2)对比其他应变的变异系数变化规律,处理后的水平线应变、处理与否的最大剪切应变的变异系数随纵向应变演变的平稳-突变规律具有普适性,变异系数的突变能很好地表征应变局部化的出现,煤样的破坏前兆易于识别。     

基于非线性屈服准则及主应力判据的圆形巷道围岩岩爆过程的数值模拟

鉴于考虑拉伸截断的线性莫尔-库仑屈服准则不能考虑岩石在高应力条件下的非线性屈服特征,根据虎克-布朗本构模型,将上述屈服准则在受压区的线性屈服函数修改为非线性形式。采用3种岩爆的主应力判据,判别圆形巷道开挖之后围岩中各种级别岩爆的分布及演变规律。计算采用"先加载,后挖洞"的方式,岩石服从弹—脆—塑性本构模型。研究发现,发生高级别岩爆的单元数少于发生低级别岩爆的单元数;轻微岩爆区的形态更接近于塑性区及剪切应变增量的高值区。根据巴顿判据,发生重岩爆的单元数较多,而且主要发生的是拉伸岩爆;根据陶振宇判据,发生轻微及中等岩爆的单元数均多于根据谷明成-陶振宇判据判别的结果。上述两种判据判别的结果均表明,在不考虑拉伸岩爆的条件下,只有位于围岩内部的单元才有可能发生高级别的岩爆,而位于巷道表面的单元一般仅发生轻微岩爆。     

单轴压缩土样剪切带上主应变轴偏转角的分布及规律统计北大核心CSCD

根据土样纵向应变较高时最大剪切应变场中清晰剪切带所处位置沿剪切带方向布置平直测线,获得6条测线上从剪切带萌生至微裂纹刚出现过程中主应变轴偏转角的分布及演变规律,并对其进行了统计。研究发现：当微裂纹刚出现时,测线上主应变轴偏转角的高峰和低谷对应于2条共轭剪切带的交汇处附近或剪切带上最大剪切应变的局部高值区附近;在土样中部,剪切带上主应变轴偏转角主要分布在-5°-5°;随着纵向应变的增加,剪切带上主应变轴偏转角的标准差先降低,后趋于稳定;对于发生顺时针剪切的剪切带,主应变轴偏转角的均值主要为负值,而对于发生逆时针剪切的剪切带,主应变轴偏转角的均值以正值为主。     

不同轴压/侧压下逐步开挖马蹄形巷道围岩分区破裂化数值模拟

基于空间局部化视角研究分区破裂化的发生机制。采用三维非均质应变软化模型,在逐步开挖和不同轴压与侧压之比条件下研究了马蹄形（U形）巷道围岩不同剖面和测线上剪切应变增量的分布特征。结果表明：U形巷道围岩的分区破裂化呈圆环形;分区破裂化可出在现掌子面的前、后方;在掌子面前方,随着远离掌子面,分区破裂化有所减弱,直至消失;轴压与侧压之比越大,分区破裂化越明显;在垂直于巷道轴线的不同平面上,分区破裂化有所不同,这与不同剪切带的特征不同及发育不同有关;共轭剪切带的出现,会使分区破裂化变得复杂。启动于巷道表面的空间圆锥剪切面的充分发展产生了分区破裂化。     

不同强度岩石中开挖圆形巷道的局部化过程模拟

利用FLAC模拟了不同粘聚力条件下圆形巷道的局部化过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的F ISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。文中模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的F ISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,随着粘聚力的降低,巷道围岩的破坏模式首先由孔壁附近零星单元的破坏向4个对称的小V形坑式剪切破坏转变,然后由包含若干小V形坑的大V形坑式剪切破坏向巷道全断面的破坏转变。前三者破坏发生后,巷道围岩仍然能保持稳定。与最大塑性拉伸应变相比,最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变要高得多;最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变相差不大;随着粘聚力的增加,三者均越来越小。     

颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及界面参数对它的影响

采用连续介质快速拉格朗日分析程序(FLAC),模拟了颗粒体材料在压缩位移控制加载条件下的力学行为及破坏过程.颗粒及它们之间的界面被离散为尺寸相同的单元.颗粒被视为各向同性的弹性材料,而界面被视为弹性-应变软化-理想塑性材料.界面完全破坏之后,其内聚力为零而内摩擦角不为零,因而适于模拟颗粒之间的摩擦行为.在双轴压缩条件下...     

多重线性软化材料的拉伸应变局部化及力学行为分析

峰后线性应变软化本构关系的拉伸局部化带内部的塑性应变分布及试样的峰后应力—应变关系的理论解答不适用于复杂情形,在双线性应变软化条件下,得到了拉伸局部化带内部的塑性拉伸应变分布及试样的峰后应力—应变关系的理论表达式,又将其推广为多重线性应变软化情形,这在一定程度上拓展了考虑峰后应变局部化的单向拉伸试样力学行为模型的适用范围。拓展后的模型具有广泛的适用性,可模拟峰后的Ⅰ类及Ⅱ类(回跳)行为。通过选择适当的塑性模量(依赖于应力水平)与拉伸局部化带宽度的比值,本文的模型可以精确地模拟多种准脆性材料(例如岩石及混凝土)在单向拉伸条件下的复杂的峰后力学行为。     

不同围压条件下的圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了不同围压条件下圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟结果表明:当围压较低时,剪切应变集中区域呈圆环状,围岩能保持稳定,不出现剪切带;当围压增加到一定程度时,围岩中出现了"狗耳"形的V形坑,发生岩爆,但围岩也还能保持稳定;当围压进一步增加时,围岩中出现了多条狭长的剪切带,巷道的整个断面均遭到了破坏,发生强烈的岩爆。随着围压的增加,V形岩爆坑变大、变深,剪切带花样的对称性变差;在高围压时,剪切带花样与塑性力学中的滑移线网有类似之处。