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。     

破碎岩体巷道围岩承载结构应力分布规律

为解决深部破碎围岩巷道支护困难的问题,以卡斯特纳及基尔斯等理论为基础,着重考虑支护阻力对破碎围岩巷道应力分布规律的影响,建立非静水压力下圆形巷道围岩应力力学模型,并推导出围岩破碎区、塑性区的应力及影响范围的解析解,对比分析两者的不同侧压力系数与支护阻力的变化特征。针对不同区域内围岩破碎程度不同,提出先分层后整体支护、“锚网(索)+底板锚索+喷射混凝土+全断面注浆”修复方案。研究结果表明：巷道开挖后,围岩出现以纵向破坏为主的破坏形式,围岩破碎区和塑性区的环向应力均大于径向应力,且在破碎区、塑性区及弹性区的交界处均出现应力不连续现象;随着侧压力系数不断增大,破碎区与塑性区的半径随之增大,与塑性区半径的增长率相比,破碎区的半径增长率明显较大,围岩越来越趋于破碎;随着支护阻力增大,塑性区和破碎区的半径随之减小,但当支护阻力的强度达到一定强度后,破碎区和塑性区影响范围明显减小,说明支护阻力初期能够起到维持巷道稳定的作用,但一味地增加支护强度,只能增加支护成本,对围岩大变形控制效果十分有限;提出巷道支护向稳定控制转变,而不是强调变形控制;采用修复方案后,顶底板位移以及两帮位移都可以得到明显控制,说...     

末采期回撤通道围岩破坏机理及稳定性控制

针对万利一矿3-1煤层回撤通道末采期间矿压显现剧烈的问题,通过现场监测、数值模拟、理论分析等方法,研究工作面前方应力分布、非等压巷道塑性区分布、末采期间巷道围岩破坏特征和区域应力场矢量分布规律.研究表明：万利一矿工作面前方20 m为受支承压力剧烈影响导致的高偏应力场范围,在此高偏应力环境下,巷道易发生蝶形失稳;末采期间,工作面前方煤柱内应力由双峰非对称分布向单峰对称分布转化,回撤通道间的煤柱应力始终处于双峰非对称分布,但辅回撤通道的区域应力场极值较小,有利于巷道的稳定;末采期间,回撤通道在不间断变化的复杂移动支承压力的作用下逐渐塑性失稳,但在保护煤柱作用下,辅回撤通道的围岩应力分布模式未变,塑性区蝶形扩展有限.基于此,提出针对性的锚杆索联合支护配合末采期加强支护的围岩稳定性控制技术,现场应用有效地控制了围岩失稳,效果良好.     

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。     

大跨度矩形巷道围岩失稳破坏机制及数值模拟

巷道围岩的失稳破坏是资源开采阶段面临的重要问题。首先,对巷道围岩失稳机制进行了理论分析,探究巷道稳定性的主要因素,并基于ANSYS/LS-DYNA仿真平台对不同跨度巷道（4 、6 、8 、10 m）进行动静荷载耦合响应数值模拟分析。结果表明：当巷道埋深、底板梁厚度等因素一定时,巷道跨度是影响巷道围岩失稳的主要因素。巷道围岩在初始静应力场作用时,第一主应力随着跨度的增加呈现逐渐增大的趋势;跨度的增加（10 m）会使巷道围岩x和y方向的应力发生突增现象,均在巷道底板处有相对较大的拉应力。巷道跨度的增大,导致左右两帮的移近量有所增加;顶板下沉和底板隆起的程度显著增加,加剧巷道失稳破坏风险。在静动荷载耦合作用下,巷道围岩发生失稳破坏,破坏程度随跨度的增加而增加。     

基于广义Hoek-Brown屈服准则的圆形巷道围岩弹塑性力学分析

考虑不同巷道埋深对支护压力的影响,采用广义Hoek-Brown屈服准则对圆形巷道围岩进行弹塑性力学分析。利用在弹塑交界处应力连续的条件及巷道周边的应力边界条件,得到了塑性区的应力和巷道的支护压力与原岩应力之间的解析式。研究表明:塑性区的应力和巷道的支护压力不仅与本身的力学特性有关,而且还与原岩应力有关;并针对质量较差的软岩,分析了在不同支护压力条件下巷道所能承受的最大原岩应力及其所对应的最大的埋深。分析结果表明:支护压力与原岩应力及其所对应的巷道埋深存在明显的线性关系。     

高地应力不稳定围岩巷道整体耦合让均压支护技术研究及实践

本文依据整体耦合让均压基本理念,提出千米深井巷道新型支护方案与支护工艺,通过先让后抗,由被动支护转化为主动支护．增强高地应力和软岩等复杂地质条件下了围岩的稳定性,实现巷道整体稳定性。     

富水区深埋巷道围岩微裂纹裂尖塑性区研究

利用断裂力学原理,考虑到水压力对微裂纹尖端应力场的实际影响,对巷道围岩单节理微裂纹的Ⅰ、Ⅱ型及其复合型裂纹应力强度因子进行了探讨.然后,采用双剪统一强度理论,研究了富水区巷道围岩微裂纹扩展角及裂纹尖端塑性区范围,并给出了包含反映岩石拉压性能差异的参数α、反映中间主应力效应的参数b及水压力的巷道围岩微裂纹裂尖塑性区统一解.     

巷道支护力作用及影响因素分析

采用库伦-莫尔理论,对巷道圃岩出现塑性区前后支护力与圆岩应力之间的关系,以及不同塑性区力学参数下支护力与巷道围岩塑性区半径之间的关系进行了研究。结果表明,由于巷道实际支护力与原岩应力比值只有1／10～1／100,对不出现塑性区和破裂区的完整岩体巷道,支护力的作用是很小的,可以忽略不计。而当围岩中出现了塑性区和破裂区之后,支护力的作用才开始显现。提高支护力可直接减小圃岩破裂区（塑性区）范围,但提高支护力的主要作用是提高弹塑性区围岩压应力,达到提高破裂区（塑性区）岩体宏观强度的目的,从而减小塑性区和破裂区的范围。影响支护力作用效果的主要因素是塑性区力学参数。     

热-结构耦合的高炉炉壳静强度及疲劳强度分析

通过工程传热分析计算出冷却模块内冷却水与水管内壁的对流换热系数以及炉壳外表面的综合换热系数,并根据还原炉的工作流程,确定了3种载荷工况;然后借助大型通用有限元分析软件ANSYS,采用热-结构耦合的方法计算了高温状态下炉壳的温度分布、热-结构耦合应力场。模拟计算结果表明,在工况载荷作用下,炉壳各部位最大Von mises应力均远远小于材料的屈服极限,炉壳静强度满足要求。对各节点按Goodman-Smith疲劳极限图进行疲劳评定,炉壳的疲劳强度也满足要求。     

动力扰动下含软弱夹层巷道围岩力学响应特性

 为了研究动力扰动下有无软弱夹层对巷道围岩稳定性的影响,利用大型通用有限元软件Abaqus 对冬瓜山铜矿深部出矿巷道受到采场爆破作用下围岩的力学响应进行了数值分析并提出支护优化方案。结果表明：由于软弱夹层的存在,巷道拱顶和底板竖向应力波动幅值大于无软弱夹层巷道,底板竖向应力波动幅值变化较明显,而巷道拱顶和底板水平应力波动幅值却小于无软弱夹层;巷道拱顶和两帮的变形明显大于底板,对于无软弱夹层的巷道围岩变形明显大于有软弱夹层巷道,且变形速率较大;离爆炸源越远巷道围岩的应力和变形越小,但变化不明显,并在动力扰动0.15 s 左右后趋于稳定;基于对冬瓜山铜矿现场调查,发现巷道顶板冒落破坏形式,从而提出支护优化方案,使得巷道围岩变形是无支护时的1/3,有效地控制了巷道围岩变形。     

动力扰动下高应力巷道围岩动态响应规律

 采矿过程中,爆破震动等动载荷常会导致高应力巷道失稳塌陷,诱发岩爆发生。根据弹性力学和应力波理论,分析扰动波诱发高应力巷道失稳破裂的机制。针对用沙坝矿高应力巷道受到动力扰动破坏的情况,运用颗粒流软件PFC^2D对动载荷作用下高应力巷道的稳定性进行数值计算,通过改变动载荷幅值的大小,探讨扰动应力波强度的变化对巷道围岩应力场、位移场及破坏区范围的影响,对模型采用静力和动力两种计算方案。研究表明：动载作用下巷道围岩应力场、位移场及破坏区范围相对静力计算结果显著增大;随扰动应力波强度增加,巷道顶、底板的应力、位移及裂纹数量也显著增加。为了避免动力扰动诱发高应力巷道失稳塌陷,给出了几条建议。     

采矿动压对附近巷道围岩应力影响的分析

为弄清采矿动压对附近巷道围岩稳定性的影响,并为对巷道变形破坏显著地段和冲击地压的危险性预测提供依据,以某矿工作面开采为研究对象,建立三维数值模型,分析了采矿围岩应力演化规律;探讨了采矿动压对巷道围岩应力及应变的影响.研究表明：采场应力数值逐渐增大,应力集中区域自临空面向周边扩展、向前推进、且连续变化;掘进进度相同时,右帮围岩应力数值和增加梯度大于左帮围岩;同一选取路径上,右帮围岩应力呈阶梯状变化,而左帮的围岩应力呈规则状的曲线变化;采动动压引起巷道围岩应力集中,围岩中积聚的弹性变形能增加,具备发生冲击地压的内在条件.     

动压软岩巷道钢管混凝土支架支护围岩稳定性分析

 南山矿-225机道距离18煤工作面底板的距离小于5.8m,受回采动压影响明显,采用了高强度钢管混凝土支架进行巷道支护,高强度钢管混凝土支架的主体钢管为Φ159mm×8mm的无缝钢管,内部充填混凝土采用C40强度标准,通过理论计算可得钢管混凝土支架的极限承载能力为1894.3kN,并结合FLAC^3D数值模拟和现场监测分析18煤工作面回采对-225机道表面位移和围岩应力状态的影响.研究结果表明,距离工作面30m的范围内围岩受18煤工作面回采动压影响明显,最大垂向应力为27.4—42.9MPa,应力集中系数为2.27—3.57;钢管混凝土支架支护下动压巷道-225机道表面位移小于20mm,满足现场巷道围岩稳定性要求.     

巷道衬砌与围岩相互作用的有限元—边界元耦合数值计算

本文依据地下巷道衬砌(或支护)与围岩的相互作用关系,将边界元域的所有未知量全部凝聚到耦合面上来实现有限元与边界元的耦合数值计算,并且对耦合计算中所能遇到的奇异性问题进行了讨论,给出了求解的途径,文末还对两个工程实例进行了计算研究。     

深部工程围岩松动圈范围确定及变形破坏机理

随着埋深增加,深部工程围岩在开挖后应力重分布形成支撑压力区,破坏后将形成新的破裂面,稳定的支撑压力区即为围岩的松动圈。围岩松动圈范围的确定以及变形破坏机理的研究,关乎围岩变形稳定控制支护的方式方法。利用围岩的平衡方程和泰勒展开方法,得到松动圈的初始半径,并采用Maxwell方程来表征岩体中缺陷应力演化,推导了围岩松动圈发生劈裂破坏的条件。     

高速磁浮车-轨耦合系统动态机理与振动响应

对高速磁浮车-轨耦合系统进行动态机理和振动响应研究。首先,对高速磁浮中的各类耦合关系进行建模;其次,分别分析了动态和静态条件下的车-轨耦合作用机理;然后,建立了高速磁浮车-轨耦合动力学有限元模型;最后,对磁浮列车高速通过桥梁时轨道梁、功能件的动力响应和车-轨共振速度进行分析。结果表明：高速运行时车-轨作用频率不同,长时间共振速度下运行时车-轨振动明显增大;若桥梁动力放大系数小于1.2,则基频比最小值为1.16;若桥梁动力放大系数小于1.3,则基频比最小值为1.04。     

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。     

复杂岩体介质动态耦合变形特征综合分析

西龙池地下洞室群围岩呈缓倾角互层状结构，层理发育，岩性复杂，洞室开挖过程中，各种地质因素交互作用，洞室间相互影响，本文对复杂变化地质环境下的主厂房围岩进行了各种因素耦合作用下的综合稳定分析，并依据多种测试手段，对开挖后围岩的稳定性和变形进行实时监测，掌握了岩体介质动态耦合变形破坏特征。