渗流作用下深埋岩石巷道不同强度准则对比分析

强度准则的选取是否得当,会直接影响到巷道围岩的稳定性评价与控制。为了研究强度准则效应对渗流环境下深埋圆形巷道围岩稳定性的影响规律,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论(UST)和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行了归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后针对受孔隙水压力作用的深埋圆形巷道建立理想弹塑性模型,综合考虑渗流体积力、中间主应力效应、围岩的剪胀特性以及不同的塑性区弹性应变处理方式,基于弹塑性理论推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解,并通过具体算例对新解的多方面影响因素进行了对比分析。研究结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配多种常用的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的MC准则和DP系列准则的计算结果相对保守;考虑中间主应力效应时,可优先选用外接圆DP准则和权系数为0.5的统一强度理论,谨慎选用权系数为1的统一强度理论;中间主应力对围岩强度具有区间效应,不考虑中间主应力效应的强度准则普遍偏于保守;岩土材料的剪胀特性不仅与围岩剪胀角有关,而且还与建立的塑性势函数有关;剪胀不会改变围岩的塑性区半径,但会影响塑性区的位移分布,若不考虑剪胀将会低估围岩的实际变形;不建议将塑性区的弹性应变视为常数,应当考虑塑性区应力重分布的影响,采用广义胡克定律进行分析。     

考虑软化和扩容的圆形巷道围岩Z-P准则弹塑性解

巷道围岩受应力作用表现出的软化、扩容行为对巷道的变形和破环有重大影响。为了研究软化、扩容特性对巷道围岩稳定性的影响,根据岩体的软化特性,建立理想的弹性软化模型,将围岩分为弹性区、塑性软化区和破裂区;基于Zienkiewicz-Pande准则和非关联流动法则,考虑围岩的软化、扩容特性,推导出含中间主应力的圆形巷道弹塑性解析解;将Z-P准则与M-C、D-P等准则进行比较,分析了软化模量、扩容等因素对巷道围岩的影响。结果表明:Z-P准则可良好地适用于发生软化、扩容的巷道;中间主应力系数为0.4时,围岩塑性区范围最小,围岩位移最小,塑性区内应力最大;软化模量越大,围岩破裂区半径越大;剪胀角越大,塑性区位移越大,破裂区半径越大;支护阻力越大,巷道塑性区范围越小,且提高支护阻力能有效控制巷道围岩的变形。     

考虑流变和中间主应力的巷道围岩变形分区

考虑流变特性,将巷道围岩分为弹性区、塑性硬化区、塑性软化区和塑性流动区,并考虑围岩峰前应变硬化、峰后应变软化、扩容特性及中间主应力的影响;基于Drucker-Prager准则推导了各分区应力、位移和半径的封闭解析解,然后以实例为基础分析了围岩变形的影响因素。研究结果表明:中间主应力和围岩流变特性对巷道围岩位移和塑性区的大小均具有重要影响且中间主应力表现出强烈的区间性,在一定范围内提高中间主应力能够有效的控制巷道变形和塑性区的扩展。理论研究及工程实际中,若忽视围岩流变特性则无形中"高估"了围岩岩性,不利于巷道长期稳定性评估及支护设计参数的确定;合理运用中间主应力的Drucker-Prager准则,较Mohr-Coulumb准则更能保证工程实践的安全性。研究结果可为巷道围岩相关理论研究和工程设计提供借鉴。     

蠕变和中间主应力影响下围岩变形分区弹塑性分析

考虑蠕变和中间主应力的影响,基于巷道变形稳定后围岩的峰值应力应为一定围压下岩石的长期强度的观点和统一强度理论,同时考虑围岩峰后阶段的应变软化和扩容特性,求得了围岩变形分区的弹塑性解析解。最后通过实例分析了蠕变和中间主应力对围岩应力、位移和塑性区半径的影响。研究表明：当忽略蠕变的影响时,一定程度上高估了围岩岩性,塑性区半径的理论结果仅为3.05m,与现场实测结果5.5m相差较大,当考虑蠕变的影响时,塑性区半径的理论结果为5.68m,接近于实测结果|验证了围岩的位移及塑性流动区半径随中间主应力增大而减小的性质,在设计支护时可适当考虑增大中间主应力。研究结果可为软岩巷道的支护力学计算及支护方案设计提供参考。     

巷道围岩弹塑性解析解及工程应用

基于统一强度理论和非关联流动法则,合理考虑中间主应力、围岩塑性区弹性应变和剪胀特性等影响,建立了巷道围岩弹塑性应力和位移解析解。研究结果表明：中间主应力和围岩剪胀特性对围岩特征曲线和支护压力的影响显著,考虑中间主应力的影响能充分发挥围岩的强度潜能;不考虑塑性区体积变化所得支护压力较小,设计偏危险;巷道支护设计应考虑围岩剪胀特性的重要影响。     

考虑非线性峰后损伤的圆形巷道围岩稳定性分析

为研究巷道围岩的稳定性,考虑围岩损伤后弹性模量的变化,采用统一强度准则,对巷道围岩进行极限平衡状态分析,推导出巷道损伤区半径及应力分布的解析表达式,通过算例分析损伤区弹性模量、中间主应力和扩容对理论解的影响。结果表明:损伤区半径随扩容系数的增大而增大;随着损伤区弹性模量的增大,损伤区半径逐渐增大,切向应力峰值逐渐减小且距离巷道壁面越远;中间主应力系数越大,损伤区半径越小,切向应力峰值越大且离巷道壁面越近。     

基于Lade-Duncan准则的巷道围岩抗力系数

基于Lade-Duncan屈服准则,合理考虑中主应力、剪胀特性以及塑性区真实弹性应变的综合影响,推导出巷道围岩抗力系数表达式。结果表明：与Mohr-Coulomb强度准则下的围岩抗力系数计算值对比,考虑中主应力影响的Lade-Duncan准则能充分发挥围岩的强度潜能,提高围岩抗力系数;剪胀特性对围岩抗力系数影响不可忽视,不考虑围岩剪胀特性,将高估巷道围岩抗力系数,设计偏危险;另外,假定塑性区的弹性应变为常数将高估围岩抗力系数,在围岩剪胀性较强时误差更明显,实际工程中应考虑围岩塑性区真实弹性应变。     

考虑中间主应力和软化的圆形隧道围岩弹塑性分析

为研究中间主应力在圆形隧道围岩承载力所发挥的作用,根据统一强度理论和塑性增量的非相关性流动法则,提出了考虑中间主应力影响的应变软化围岩特征曲线的有限差分计算方法,并通过实例验证该方法的正确性。由于围岩的力学模型对特征曲线的影响较大,采用3种不同力学模型——弹塑性模型、弹脆性模型和应变软化模型,分别研究了中间主应力和支护力对圆形隧道围岩塑性区半径,应力分布和隧道洞壁处位移的影响。结果表明:当围岩采用弹塑性模型时,计算的塑性区半径和洞壁处的位移均较小,没有考虑岩体强度在塑性区的弱化,建议慎重选择;中间主应力对塑性区半径和洞壁处的位移发展均有抑制作用,特别是在无支护状态下弹脆性模型的抑制作用最显著;中间主应力对塑性发展的抑制作用随着支护力的增加而减小;弹塑性交界处围压,应变软化模型下软化区与残余区交界面的围压均与支护力无关,且随中间主应力影响系数的增加而减小。     

基于Drucker-Prager准则的深部巷道破裂围岩弹塑性分析

基于Drucker-Prager屈服准则和非关联流动法则,考虑中间主应力、塑性区弹性应变及岩体剪胀性的影响,推导了深部圆形巷道围岩应力、变形及塑性区半径的封闭解析解。结合工程实例,对比分析了不同屈服准则和围岩参数对围岩状态变化的影响,研究结果表明：中间主应力对围岩破裂范围和表面位移均具有重要影响,且表现出明显的区间效应;剪胀角越大,扩容系数越大,围岩破裂范围与表面位移也就越大;围岩参数(残余黏聚力、残余内摩擦角、初始黏聚力)和支护阻力越大,围岩塑性区及破裂区范围均越小;D-P准则解分别与统一强度准则解、双剪强度准则解和M-C准则解相比,围岩破裂范围及表面位移均偏大,但与M-C准则解最为接近;在满足相同围岩变形条件下,D-P准则解所需支护阻力较其他3种准则解均较大,更偏向于刚性支护形式,分析结果可为巷道围岩稳定性评价与支护设计提供重要理论依据。     

基于Drucker-Prager准则下的深部软岩巷道粘弹塑性分析

通过建立深部巷道的力学模型,针对深部软岩巷道的流变问题,利用德鲁克-普拉格强度准则作为岩石塑性屈服条件进行粘弹塑性解析,避免了以往使用库仑强度准则没有考虑中间主应力影响的缺点,用于更全面描述巷道围岩的屈服和塑性破坏.结合粘弹塑性流变模型进行粘弹性区和粘塑性区的应力、位移分析,并且考虑塑性区扩容效应,最终得出结论:粘塑性区的应力解比经典解大,巷道周边位移是一个随时间变化的量,若不及时支护,巷道将破坏.     

基于Drucker-Prager屈服准则的圆形巷道围岩弹塑性分析

考虑不同程度的中间主应力对屈服的影响,以Drucker-Prager屈服准则作为巷道围岩的塑性条件,推算出巷道围岩弹塑性区应力、塑性区半径和位移的解析解。研究表明,中间主应力对塑性区半径和位移的大小以及围岩应力的分布均有重要影响,并且验证了中间主应力效应的区间性。用单因素分析法,分别考虑不同内聚力、内摩擦角、原岩应力和支护阻力情况下,塑性区半径和位移的Drucker-Prager准则解、Mohr-Coulomb准则解和统一强度准则解的变化规律并对其进行比较,分析表明：相同条件下,塑性区半径及位移的Drucker-Prager准则解比Mohr-Coulomb准则解和统一强度准则解大,并且在较高内聚力、较低内摩擦角或较低原岩应力情况下Drucker-Prager准则解接近于Mohr-Coulomb准则解。采用Flac3D进行数值模拟,模拟结果与理论分析结果较为吻合。因此,适当的应用 Drucker-Prager屈服准则将更能保证工程实践的安全性,更具实践价值。     

基于修正Hoek-Brown准则的巷道围岩弹塑性解分析

利用考虑中间主应力的Hoek-Brown强度准则,结合巷道围岩塑性解的推导方法,进而获得较为准确的巷道围岩塑性区的范围以及支护变形量。通过理论推导了巷道围岩塑性区的半径和位移的表达式,得出塑性解与围岩初始二向等压应力、岩体质量、地质工程参数以及支护反力有关。结论为考虑中间主应力的Hoek-Brown强度准则更加适应巷道围岩塑性区分析过程,获得的结果更加准确,对工程实践有一定的理论指导意义。     

考虑塑性区强度参数劣化的圆形巷道冲击地压临界条件研究

针对大量冲击地压事故发生于巷道的实际情况,综合考虑开挖面空间效应、中间主应力效应、塑性区剪胀特性、塑性区强度和变形参数的变化5个影响因素,得到了巷道围岩应力与位移分布规律,基于统一强度理论和塑性软化本构模型,应用扰动响应判别准则,建立圆形断面巷道冲击地压发生的临界条件,结合试验模拟验证分析,结果表明:巷道冲击地压的临界条件与围岩支护方式、初始强度参数及塑性区强度参数的变化密切相关;临界塑性半径、临界载荷均随支护力的增大而单调增加;在开挖面附近,虚拟支护力较大,巷道围岩以发生弹性变形为主,发生冲击地压概率较低,只有在距开挖面一定距离位置处,虚拟支护力逐渐降低,巷道围岩出现塑性区,且塑性区达到一定值时,冲击地压才具有发生的可能性;临界塑性半径随初始黏聚力增大而降低,临界载荷随初始黏聚力增大而增加;当塑性区黏聚力劣化较快时,容易发生冲击地压。     

考虑非线性脆性损伤和中间主应力影响的圆形巷道围岩分析

针对岩石的脆性破坏特征及峰后力学性能的劣化损伤,引入非线性脆性损伤本构模型,得到三维连续损伤演化方程。将圆形巷道围岩划分为松动破裂区、脆性损伤区、弹性区,考虑中间主应力的作用,采用统一强度准则和连续损伤力学方法,对巷道围岩力学状态进行极限平衡分析,推导出围岩损伤破裂半径及应力场分布的解析表达式。通过算例,分析了中间主应力、围岩脆性特征和损伤程度对理论解的影响。分析表明:中间主应力作用越大,围岩的损伤破裂半径越小,切向应力峰值距离巷道越近;脆性强弱对围岩应力分布的影响只局限在脆性损伤区内,围岩的脆性越强,损伤破裂半径越大,脆性损伤区内的切向应力随深度的增大而增大;围岩的残余强度越小,松动破裂程度越大,损伤破裂半径越大,切向应力峰值向围岩深部转移。     

考虑流变特性的两向不等压巷道围岩塑性区近似解

针对巷道围岩受两向不等压地应力作用下的平面应变问题,分析围岩流变特性对其塑性区的影响。深埋巷道围岩因流变的发展而持续变形,其达到稳定后的峰值应力为一定围压下的长期强度。基于此,以皖北恒源煤矿-950 m进风井井底车场巷道为例,通过三轴压缩与蠕变试验测定了巷道岩石的抗压峰值强度、长期强度和残余强度。然后,考虑岩体峰后脆性软化特性将巷道围岩分为弹、塑性区,并从既有文献轴对称应力场塑性区公式出发,结合围岩总荷载不变的规律推导了两向不等压巷道围岩水平(及竖向)轴上的塑性区半径,再结合既有文献求解的塑性区形状,相对准确地给出了两向不等压巷道围岩塑性区边界的近似解。该近似解在不考虑岩体峰后脆性软化时的结果与既有文献给出的相应解析结果完全吻合;并且轴对称应力场圆巷围岩塑性区半径的解析解是该近似解在侧压系数为1时的特例。最后,结合试验数据,就考虑岩体流变特性与否的两种情况进行了对比。结果表明:考虑流变,视岩石长期强度为围岩峰值应力,得到的塑性区范围与工程实际基本吻合;否则围岩仅产生弹性变形,与实际偏差较大。可见,岩体流变特性对围岩塑性区分布具有重要的影响,理论研究及工程实际中,忽视岩体流变特性实则无形中高估了围岩岩性,不利于巷道围岩长期稳定性与安全性的评估。