基于统一强度理论的隧洞弹塑性应力解析

基于统一强度理论对第一主应力为径向应力及环向应力2种情况进行弹塑性应力分析,推导得出了围岩应力及塑性区半径计算公式。隧洞围岩有完全弹性状态、最大主应力为径向应力的弹塑性状态及最大主应力为环向应力的弹塑性状态3种状态,隧洞弹塑性分析时,首先判断围岩所处状态,进而选择正确的公式进行计算。分析结果表明中间主应力有利于围岩充分发挥其强度潜能,从而提高隧洞围岩稳定性,而且中间主应力系数越小,围岩稳定状态对中间应力敏感度越高;当洞内压力小于第二临界应力时,增大洞内压力有利于提高围岩稳定性,而当洞内压力大于第二临界应力时,则围岩稳定性随洞内压力增大而降低。     

基于Drucker-Prager屈服准则及加卸载判据的圆形隧道围岩-支护作用机制探讨

隧道围岩-支护相互作用机制是隧道力学中的基础理论,为了准确描述围岩与支护结构对隧道应力变形的影响,假定围岩本构模型为理想弹塑性模型,采用适用于岩土材料的Drucker-Prager屈服准则,考虑加卸载判据,证明了圆形隧道的开挖过程是一个加载过程,支护过程是卸载过程。通过大型有限元仿真软件Abaqus计算了平面应变情况下圆形隧道开挖与支护过程的弹塑性解。数值分析结果与理论公式结果相吻合,表明开挖的过程是解除内压、增大压差的加载过程,支护过程为施加内压、减小压差的卸载过程。支护后的围岩应力增量和位移增量符合弹性规律,且支护过后的应力等于开挖后的应力减去弹性应力。支护过程的卸载效应使得开挖过程产生的塑性区变成了残余变形区。研究结果可为工程应用提供参考。     

深部开采巷道软弱围岩塑性区和剪裂区研究

考虑开挖二次应力场对圆形巷道软弱围岩的实际影响,基于双剪统一强度理论及力学原理,探讨了深部圆形巷道围岩塑性区应力及范围.考虑矿体回采爆破振动,对巷道软弱围岩弹性区域内产生的剪裂区应力进行了研究.最后,利用莫尔-库伦强度理论,推导了深部矿体回采爆破时巷道软弱围岩剪裂区范围,并对它进行了分析.     

圆形巷道围岩弹性变形区应力分布模拟实验研究

通过相似模拟实验,探讨了圆形巷道围岩在弹性变形阶段应力分布规律,得出巷道围岩周边应力函数表达式,分析了侧应力系数对围岩应力分布的影响。     

考虑围岩松动圈支护体影响的深埋圆形隧道衬砌优化设计

首先考虑围岩松动圈支护体的影响,在完全接触条件下,根据弹塑性力学理论,推导出深埋圆形隧道每层衬砌切向应力和径向应力分量的解析解;然后根据混凝土和围岩材料受力状态的不同,选用不同的破坏准则,引入功能梯度材料思想,构建了不同弹性模量双层混凝土圆形衬砌优化设计的目标函数,即当目标函数为最小值时,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ层结构同时接近或达到预设破坏状态,在设计上才最为合理;最后对衬砌材料的弹性模量和衬砌厚度分别进行了优化设计.算例分析表明:(1)随着围岩应力的增大,E2/E1和E2/E3都减小.在相同大小的围岩应力作用下,总有E2/E1＜E2/E3,故而建议设计时Ⅰ层衬砌的弹性模量应大于围岩松动圈支护体的弹性模量.(2)随着围岩应力的增大,Ⅰ层衬砌的厚度增大.在相同大小的围岩应力作用下,当E2/E1＞E2/E3时所求得的Ⅰ层衬砌最优厚度总是小于E2/E1＜E2/E3时所求得的Ⅰ层衬砌厚度,故而可通过改变Ⅰ层衬砌和围岩松动圈支护体的弹性模量相对大小来调整Ⅰ、Ⅱ层衬砌的厚度.     

基于应变非线性软化的海底隧道围岩力学特性

采用弹性、峰后具有拐点的应变非线性软化本构模型,且同时考虑中主应力效应,在海水渗流和不同排水工况下,对海底隧道围岩弹塑性区应力分布规律、围岩与支护之间作用关系以及最小支护阻力进行研究,分析海水压力、上覆岩层厚度、有效孔隙度对围岩力学特性的影响,提H{渗流作用下隧道围岩稳定的海水压力临界值的概念,并绘制围岩(支护)特性曲线.研究结果表明:海底隧道排水越充分,围岩有效孔隙度越大,则塑性区开展范围越大,且递增幅度较大,围岩(支护)特性曲线也不同;当隧道埋深较浅时,在隧道周围只形成塑性区域,只有当埋深进一步加大时,才可能形成松弛区域.     

非均匀应力场下圆形隧洞围岩弹性应力分析

为了能更好的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模型特点,将隧洞围岩周围应力划分为两部分进行叠加。基于D-P准则与理想弹塑性本构关系,采用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,并通过Flac3D数值模拟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。     

非圆形洞室围岩压力弹塑性计算的工程方法

在松软地层内开挖坑道,围岩常处于弹塑性状态。按弹塑性方法分析坑道围岩的应力和变形。经典的方法是把坑道的形状视为圆形,同时在多数场合下还要假定坑道所处的初始应力状态为静水压力状态,从而使分析和计算大为简化。这种大量采用的方法具有分析简单,思路明确等优点,得到的结果具有明显的规律性,便于分析应用,具有一定的工程意义。当然,这种经典方法所要求的条件是严格的,对于非静水压力、非圆形洞室的弹塑性分析目前尚无精确解。然而,这种非圆形、非静水压力条件却是工程中普遍和大量遇及的情形,有必要加以讨论。     

考虑中间主应力的深埋圆形隧道弹塑性统一解

为了充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,在平面应变假设下将统一强度准则精确匹配为Drucker-Prager强度准则,推导了考虑剪胀特性的理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式,并结合非关联流动法则推导出深埋圆形隧道塑性区的应力与位移统一解.结果表明,经典的Kastner解为所得应力与位移统一解的特殊情况.同时,根据应力与位移统一解公式并结合实际算例,分析了中间主应力和围岩剪胀角对深埋圆形隧道塑性区的影响规律.     

120m直径无缝贮煤筒仓的非线性有限元分析

对120 m直径无缝钢筋混凝土圆形贮煤筒仓进行线性与非线性有限元对比分析。在有限元建模时,考虑了筒仓及地基基础的上下部协同作用。钢筋混凝土筒仓分别采用了线弹性模型和非线性弹塑性损伤模型。得出了环梁、仓壁、桩基础、承台、土体等部位的应力、位移结果。分析发现,线弹性模型各向应力峰值比弹塑性损伤模型大而变形则相反,弹塑性损伤模型更为合理,筒仓薄弱部位位于环梁与下部承台处。     

注浆锚杆对围岩加固作用机理及应用案例分析

不良地质条件下进行隧道开挖时,隧道围岩原有应力平衡状态遭到破坏,若控制不当,可能会引起隧道大变形等不良现象的发生。为进一步研究注浆锚杆在隧道开挖过程中的支护作用机理,以圆形隧道开挖过程为例,对其围岩塑性变形区域、围岩潜在破裂面等进行了分析计算,同时对锚杆阵列布置、锚杆有效长度等进行了优化设计,推导出了对应的计算公式。结合一个圆形开挖隧道的锚杆布设方式实例,考虑三种锚杆加固方案,对理论研究成果进行了验证,研究结果表明：(1)隧道围岩的拉应力会通过注浆锚杆向周围进行转移,以增强其开挖隧道围岩的抗压强度和弹性模量;(2)提高隧道围岩的抗压强度、弹性模量,可以有效地降低隧道的土压力和沿径向的变形,且可提高隧道开挖效率;(3)注浆锚杆对围岩的加固作用,受到锚杆材质、长度、抗拉强度、直径以及布设方式等多种因素的影响。     

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。     

普立特大桥隧道式锚碇围岩系统的变形规律及破坏机制

针对普立特大桥普立岸隧道式锚碇围岩系统的变形规律及破坏机制问题,采用有限差分法对其进行三维弹塑性模拟,分析了随着荷载的增加系统的塑性区、位移及应力的发展情况.数值结果表明:1设计缆力时,锚碇-围岩系统的位移均维持在mm级;继续加载,锚碇和周围岩体的位移形成的驼峰逐渐明显;至极限状态时,根据锚碇围岩的位移矢量图可勾勒出围岩的破坏范围,其中锚碇上、下部围岩的破坏范围分别为锚碇后锚面宽度的1.1倍和0.5倍;2系统在设计缆力下具有足够的安全稳定性,加载至8倍缆力时,锚碇的环向和径向的围岩塑性区均达到贯通,加载至极限状态时,锚碇周围岩体的塑性区分布形态呈倒塞体状;3根据监测点的位移变化、锚碇围岩塑性区分布及应力扩展情况得到,系统的破坏由锚碇带动周边部分岩体发生整体拉-剪破坏.     

Discussion on measurement and calculation principle of petrogenetic depth

Geologic and geophysical data certificate that lithosphere and its down rock behave as solid, therefore, it is better to measure petrogenetic and metallogenetic depth according to internal stress of solid states. Lithomechanic experiment found that the bigger the confining pressure, the bigger the tensile and shear strength of rocks,so rock can bear very high differential stress but it is not broken. Sibson put forward that the property of rocks under 10–15km of the surface changes from brittle to ductile (rather than from elastic to plastic). Rock with ductile deformation is still solid with elasticity, and it is not in the hydrostatic pressure state. Now ingored differential stress has already been measured at deeper place, it cannot be used to measure depth with the static fluid model but with the elastic model for lack of rheological experiment data. The more correct depth could be calculated by the elastic model rather than the static fluid model. It is an advance to describe rock property with the viscoelastic or elastic-viscosity model, but it is not the progress to come back to the static fluid model from the elastic model. Generally speaking, isotropic equante normal stress in the tectonic stress field, namely tectono-original additional hydrostatic pressure is one order of magnitute more than differential stress in the tectonic stress field, which, superimposed on additional hydrostatic stress of gravity, will bring about ultrahigh pressure metamorphism (UHPM), no matter how big the differential stress is.     

平行四边形采场结构上行分段充填法的数值模拟

在分析分段充填法的应用现状及存在问题的基础上,以鲁中冶金矿业集团公司莱新铁矿为背景,综合考虑采场矿岩冒落特征,尽可能提高回采效率和爆破效果,避免采准巷道布置在充填体内等因素,提出了平行四边形采场结构的上行分段充填采矿方法,应用2D-σ有限元程序对其进行了数值模拟研究.研究结果表明:该方法在回采过程中不出现拉应力和较大应力集中,围岩应力周边分布均匀;回采后除下部充填体出现局部塑性区外,两边围岩及顶板不出现塑性区,说明莱新铁矿在破碎的厚大矿体中采用该方案是可行的.对比分析不同分段高度下围岩应力和塑性区分布,并考虑工艺要求,确定分段高度为10 m;考虑对相邻矿房回采的影响,提出充填体强度应在1 MP...     

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。     

架后充填对巷道稳定性的作用

架后空隙使支架变形增加,破碎带扩大和围岩移近量增大,因而加剧了巷道的不稳定性。架后充填可以提高围岩自承能力,并改善支架的受力状态。降低充填体的模量,则使巷道应力降低。     

均匀单轴压应力场下岩石的力学性质

为了研究在均匀压应力场下岩石的力学性质,制作了中等壁厚的环形岩石试件,该试件在承受均布外压时,其内壁处于均匀单轴压应力状态,且内壁的应变可直接量测。控制试件的壁厚,内壁的应力可在一定的误差范围内由静力平衡条件求得。试验在自行研制的中壁圆环抗压试验机上进行,结果表明:在均匀压应力场下,岩石的应力——应变曲线无明显的峰后段,且其强度高于常规单轴抗压强度并具有较小的变异系数。     

地面荷载下浅埋隧道围岩应力的复变函数解法

采用复变函数解法，研究地面荷载作用下浅埋圆形隧道围岩的平面弹性应力问题。该解法利用复变量将物理平面上的研究域保解映射到像平面上的圆环域内。应力函数的罗伦级数展开的系数可通过边界条件得到用单个常数表达的递推公式，而这个常数可用级数的收敛性来确定。文末给出了围岩应力的解析解形式和算例。