基于Hoek-Brown强度准则的巷道围岩弹塑性研究

巷道围岩区域划分和分析是确定巷道里锚杆支护、松散地压的主要依据.巷道围岩位移是煤矿巷道断面设计、确定变形地压等的主要根据.本文采用Hoek-Brown强度理论和极限平衡方程通过对侧压力系数为1的圆形理想巷道的巷道围岩进行弹塑性分析.通过上述计算求出围岩巷道的塑性半径、应力及位移,与目前广泛采用的以Mohr-Coulom...     

巷道蝶形破坏强度准则低敏感性研究及工程应用

巷道围岩的塑性区形态对巷道的破坏形式及破坏程度有重要影响。为探究三向应力场下塑性区形态演化过程,基于弹性力学推导了轴向应力表达式,并依据蝶形塑性区边界方程求解思路,确定了三维强度准则下三向塑性区近似解的求解方法。通过等球应力p、等偏应力q以及不同Lode角θ_σ来确定围岩应力加载方案,对不同三维强度准则下的围岩塑性区形态演化规律进行深入研究,论证了蝶形破坏的准则低敏感性。基于蝶形破坏理论对羊场湾160206回风巷道的非对称变形破坏机制及控制技术进行深入分析。研究结果表明：(1)在相同p、q及不同θ_σ的应力加载条件下,5种强度准则下的塑性区形态均呈现圆形、类椭圆及蝶形的演化规律,且每种强度准则在相同θ_σ的情况下围岩的塑性区形态基本一致。(2)相同应力大小、不同应力方向的加载方案下,围岩的塑性区形态大不相同。圆巷围岩的塑性区形态很大程度上由水平侧压比决定,轴向侧压对围岩的塑性区尺寸影响较大,对塑性区形态影响较小。(3)羊场湾160206回风巷道在叠加采动影响下顶板呈现非对称大变形破坏,基于蝶形塑性区支护思路,应用非对称锚杆索+...     

考虑渗流和剪胀的圆形巷道围岩广义SMP准则解

本文基于广义SMP准则,综合考虑中间主应力、孔隙水压力和围岩的剪胀特性,建立了巷道围岩的理想弹塑性模型。根据弹塑性理论,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。结合具体算例对SMP准则计算得到的围岩应力分布和塑性区半径与Mohr-Coulomb（M-C）准则进行了对比,并对孔隙水压力和围岩剪胀角等影响因素进行了分析。研究结果表明:SMP准则计算得到的塑性区半径小于M-C准则,说明M-C准则相较于SMP准则更为保守;孔隙水压力对巷道围岩的位移场具有很大的影响,表现为孔隙水压力越大,巷道洞壁附近围岩位移量越大,且围岩塑性区半径和弹塑性交界面处的峰值切向应力与孔隙水压力成正比;采用相关联流动法则会低估围岩的强度,不考虑剪胀则会低估围岩的实际变形。      

基于Levy-Mises本构关系及D-P屈服准则的轴对称圆巷理想弹塑性解

如何判断巷道开挖后在无支护反力条件下的围岩弹塑性变形及围岩应力重新分布的力学行为一直是人们研究的重点问题。卡斯特纳方程(Kastner equation)的求解存在以下不足和缺陷：(1) 对支护反力的力学处理存在缺陷,不具有工程实际意义;(2) 塑性区应力求解,没有使用到假设的理想弹塑性材料的塑性本构关系;(3) 塑性区应力求解,没有考虑沿巷道轴向方向的应力的影响。基于增量型本构关系即Levy-Mises关系及D-P屈服准则,对轴对称圆巷进行了理想弹塑性条件的求解。公式计算结果与卡斯特纳方程计算结果和数值模拟计算结果分别进行了对比分析。由于该求解弥补了卡斯特纳方程求解中忽略的3个问题,因此,其结果更具有理论意义和实践价值。     

非轴对称荷载下圆形隧洞围岩弹塑性分析解析解

考虑岩石材料的应变软化及扩容效应,采用岩石材料的弹性-塑性软化-塑性残余三线性应力-应变软化模型和莫尔-库仑屈服准则,推导了非轴对称荷载下圆形隧洞围岩弹性区、塑性软化区和塑性残余区的应力场、应变场、位移场和塑性区半径的近似解析解,适用于围岩塑性区较大且侧压力系数1≤λ<3的情况。该近似解析方法与有限元法的计算结果较为接近,可代替有限元方法进行简单的圆形隧洞围岩弹塑性分析。     

对“深部开采圆形巷道围岩破损区与支护压力的确定”的讨论与答复

"深部开采圆形巷道围岩破损区与支护压力的确定"一文(见本期第226-231页)在审稿过程中专家对文中部分内容提出质疑,而作者针对评审意见给出了答复。这一问一答反映了采用解析方法寻求巷道围岩应力场的努力,以及当前的研究动态所面临的困难。征得作者和审稿专家的同意,本刊将这一讨论过程刊登出来,供有兴趣的读者参考。由于本刊篇幅限制,若有进一步的相关讨论,本刊将在网上转发,供各方切磋交流。     

考虑围岩软化特性和应力释放的圆形隧道黏弹塑性解

将围岩的塑性应变软化特性引入到考虑应力释放的圆形隧道黏弹塑性解中,并且在围岩的软化和残余强度阶段考虑围岩的塑性体积膨胀特性,提出了考虑塑性软化以及塑性体积膨胀和围岩应力释放的圆形隧道弹塑性解。当软化系数k = ∞、膨胀系数h = s时,该解转化为黏弹-脆塑性解;当k = 0、h = s时,则转化为黏弹-理想塑性解,进一步令h = s = 1,则转化为不考虑塑性体积膨胀的黏弹-理想塑性解。通过具体实例计算,分析了掌子面与研究断面间距x、围岩的软化系数k、膨胀系数h和s、支护结构等对围岩塑性区、破碎区半径和变形的影响。当开挖面与研究断面间距x在(0~4)D（D为隧道直径）范围内,随着时间增加塑性圈和破碎区迅速增大;超过4D,塑性区和破碎区半径增量逐渐变小,趋于稳定值;围岩中包含塑性区和破碎区时,二者半径的比值只取决于围岩的性质,与支护结构无关,但支护结构可以限制塑性区及破碎区的范围;考虑应变软化和塑性体积膨胀时,围岩径向位移和塑性区及破碎区半径均大于不考虑应变软化和塑性体积膨胀时的结果;软化系数k增大,围岩位移、塑性区和破碎区半径增加、塑性区半径和破碎区半径之间的比值变小。得到的结果对于隧道工程设计和施工具有一定的指导性和参考价值。     

应变非线性软化的圆形硐室围岩荷载-位移关系研究

基于峰值应力后具拐点的应变非线性软化本构模型,且同时考虑中间主应力 ,对岩体形变影响的条件下及等压荷载下圆形硐室围岩塑性区应力分布规律、围岩承载机制及围岩与支护之间作用关系进行研究,得到无支护硐室围岩自承地应力上确界 、围岩压力下确界 等反映实际硐室围岩工作状况的重要概念。给出了 、 的表达式以及它们与地应力 间的关系式。所得到的塑性区应力、塑性区半径、围岩压力和硐室周边位移等研究结果,与基于理想弹塑性体的Fenner解答相比,要更接近实际硐室围岩中的对应量值。     

基于巷道围岩自承特性的锚杆锚固效果研究

现有锚杆锚固效果研究很少关注整体锚固围岩的自承载特性。巷道围岩切向应力σθ对围岩承载结构的力学变化反应灵敏,研究了锚杆长度和锚杆强度对切向应力σθ曲线变化的影响,可为研究锚杆锚固效果提供重要参考依据。整体锚固巷道围岩σθ曲线形状与锚固端所处弹塑性围岩位置有关,当锚固端在塑性区内,对σθ曲线的峰值位置和大小影响不大;随着锚固端向弹性区深入,σθ分布曲线形成内外两个峰值,锚固巷道围岩出现弹塑性交替的现象。同时,锚杆强度与围岩自承强度存在一定程度的匹配关系,相应地提出了通过锚固σθ曲线的双峰值来判别锚杆锚固效果的新方法,该方法能较好地解释软弱地层条件下取消系统锚杆布置的问题。     

基于切向应变软化的深埋圆形隧道围岩弹塑性分析

为了研究深埋圆形隧道围岩的应变软化行为,首先通过引入应变软化度,即软化区与残余区交界面处的切向应变和弹塑性交界面处的切向应变的比值,来表征应变软化程度。其次,推导了求解软化区与残余区位移方程,并将该方法求得的位移曲线与Lee法和Cui法对比,验证了方法的正确性。最后,通过算例分析,研究不同力学模型对塑性区半径的影响,以及应变软化度对塑性区中软化区与残余区比例和位移的影响。结果表明：弹塑性交界面处的围压与软化度和支护力均无关,塑性区半径与支护力有关;软化度直接影响软化区与残余区的比例,随着软化度的增加,软化区范围增加,相应的残余区范围减小;软化区与残余区交界面的位移随着软化度的增加而逐渐增加,应变软化度的增加,支护力对其影响增加;洞壁处的位移受支护力的影响较大,随支护力的增加而减小。     

基于量纲分析的巷道围岩松动圈预测模型

为更合理地确定巷道围岩松动圈厚度,引入量纲分析理论,提出新的巷道围岩松动圈预测方法。选取岩石单轴抗压强度Rc、围岩节理系数F、围岩重度?、巷道埋深H、最大水平主应力?Hmax、巷道跨度B等物理量,应用量纲分析法构建巷道围岩松动圈厚度L与上述物理量间的无量纲关系式,其中L/H表征松动圈厚度L与巷道埋深H成正比,F表征巷道围岩的结构特征,?H/Rc、?Hmax/Rc 表征巷道围岩的力学特征,B/H表征巷道的几何特征。结合实测数据,推导了各无量纲量间的定量函数表达式,残差平方和为0.003 1,相关系数为0.937 9。选取3个矿山巷道围岩松动圈测试实例对所建立的松动圈预测模型进行验证,结果表明该方法计算结果与实测结果较吻合,平均相对误差为7.38%,能满足工程需要。     

考虑应变软化的巷道交叉段稳定性分析

在两巷道的交叉段两支承压力区和顶板卸载区会发生相互叠加,因此,相对于巷道其他部位来说交叉段的围岩扰动范围会扩大,且导致变形加剧和原有支撑应力增加等不利于巷道稳定的情形出现。为分析地下采场巷道交叉段的稳定性,利用有限元数值模拟软件并考虑岩土体的应变软化特性,对5种具有代表性的交叉情形进行了数值模拟研究。研究结果表明：由于巷道交叉使得交叉几何中心附近的围岩变形进一步增加,不同的交叉角度对巷道交叉段的变形存在不同程度的影响,交叉角度越小,主巷（巷道1）锐角侧的变形越大,而且由于交叉角度的不同也使得交叉段主巷的顶板最大沉降区向锐角侧呈不同程度的偏移,交叉角度越小,偏移越为明显。从结果可以得出巷道2的变形同样也受到交叉角度的影响,从距离交叉中心4远的地方开始,交叉角度越小,巷道2的变形越大。研究成果可以为类似条件下的巷道设计和支护提供借鉴与参考。     

Support capacity estimation of a diversion tunnel in weak rock

This paper presents the results of the support capacity estimation for the diversion tunnel of the Uru dam site in highly weathered tuff and weak zone. Tunneling in weak rock requires some special considerations, since misjudgment in support design results in costly failures. There are several ways of estimating rock support pressure and selecting support. However, all systems suffer from their characteristic limitations in achieving objectives. Thus, it is more useful to use different methods for estimating support pressure and type of support. The support pressure p_i was established by three different methods. These methods are the (1) empirical methods based on rock mass rating (RMR) and rock mass quality index (Q-classification systems), (2) ground support interaction analysis (GSIA) and (3) numerical methods, namely, Phase² finite element (FEM) program. Rock masses were characterized in terms of RSR, RMR, Q-system and GSI. Drill-core samples were tested in the rock mechanics laboratory to determine physico-mechanical properties. Rock mass strength was estimated by empirical methods. Finally, the required support system is proposed and evaluated by different methods in the highly weathered tuff and weak zone of the diversion tunnel.     

Face stability analysis of shallow shield tunnels in dry sandy ground using the discrete element method

Controlling the face stability of shallow shield tunnels is difficult due to the inadequate understanding of face failure mechanism. The failure mechanism and the limit support pressure of a tunnel face in dry sandy ground were investigated by using discrete element method (DEM), which has particular advantages for revealing mechanical properties of granular materials. The contact parameters of the dry sand particles were obtained by calibrating the results of laboratory direct shear tests. A series of three-dimensional DEM models for different ratios of the cover depth to the diameter of the tunnel (C/D = 0.5, 1, and 2; i.e., relative depth) were then built to simulated the process of tunnel face failure. The limit support pressure, failure zone and soil arching were discussed and compared with other methods. The results of DEM simulations show that the process of tunnel face failure can be divided into two stages. With the increase of the horizontal displacement of the tunnel face, the support pressure decreases to the limit support pressure and then increases to the residual support pressure. The limit support pressure increases with the rise of relative depth and then tends to be constant. In the process of tunnel face failure, the failure zone is gradually enlarged in size and expands to the ground surface. The numerical results also demonstrate that soil arching occurs in the upper part of the failure zone and the soil becomes loosened in the failure zone. Consequently, the comprehensive analysis of tunnel face failure may help to guarantee safe construction during tunneling.     

软岩巷道顶、帮、底全支全让O型控制力学模型及工程实践

软弱岩体的阶段性、持续性流变,导致软岩巷道围岩深度破坏和支护失效。软岩巷道顶、帮、底三者在围岩系统稳定过程中所起的作用不同,软岩巷道围岩稳定性控制应做到整体性和协调性支护。在分析巷道顶、帮、底相互作用效应基础上,针对软岩巷道强流变四周均表现出大变形的破坏特征,提出了全断面、全支全让O型封闭控制的支护原理。该原理强调,开挖初期就应对软岩巷道顶、帮、底全断面进行强力支护,同时全断面又适时让压,在高阻支护力作用下又能适当释放围岩应力,达到对软岩巷道的整体性和协调性控制。通过力学模型对软岩巷道围岩塑性区范围和表面位移与支护力的作用关系进行了分析计算,得出巷道围岩变形破坏与支护力呈负相关关系。工程实践表明,采用该支护原理有效控制了深部软岩巷道的大变形。研究成果对类似工程实践具有一定的参考借鉴价值。     

深部岩巷分区破裂围岩稳定性控制方法及应用

深部高地应力岩巷开挖后围岩内出现分区破裂现象,采用传统的原设计方案巷道稳定性差。根据巷道围岩变形破坏的现场监测结果,经过理论分析和支护试验,提出了“提高法向约束、锚杆增韧止裂、协调耦合支护、应力内部转移、分区充填注浆、增强围岩强度”的锚注一体化综合控制方法理念。并提出了相对应的综合支护技术,即首先采用高预紧力超强锚杆及时支护围岩,锚杆的长度和数量分别由监测结果和分区支护能量判据确定;其次采用高强锚索让压梁支护巷道顶板,实现锚杆、锚索的协调耦合支护和围岩应力内部转移;最后采用中空分段螺旋式注浆技术进行滞后加固。最后针对监测巷道采用锚注一体化综合控制方法和技术进行了支护优化设计并进行现场支护试验,监测结果表明,优化支护的巷道稳定性良好。     

深部软岩巷道锚注支护数值模拟研究

采用大型有限元数值模拟软件ANSYS,对深部软岩巷道锚注支护前后围岩变形破坏规律进行了数值模拟,对锚注支护前后围岩的应力、位移及塑性区的变化情况等进行了系统分析,结果表明,锚注支护显著提高了围岩的强度和承载能力,有效地控制了深部软岩巷道的损伤变形。     

上软下硬岩质地层浅埋大跨隧道松动压力计算

针对现有方法在上软下硬岩质地层中浅埋大跨隧道松动压力计算方面存在的问题,通过离散元数值模拟和正交试验,分析了围岩的松动破坏机制、风化层厚度和岩体中节理分布状态对隧道松动区形状和范围的影响规律及敏感性。结果表明：影响松动区的主要因素依次为风化层厚度、隧道埋深、贯通倾斜节理的倾角和间距、风化层水平节理间距;松动区可分为拱形和塌穿形两种类型,其边界曲线分别可用抛物线和乘幂函数近似表示。针对塌穿形松动区,通过回归分析建立了地表松动宽度和拱顶松动土条水平长度的计算公式。按照应力传递原理,在松动区内以梯形微分岩土条为对象,通过分层积分,推导出可反映节理产状和风化层厚度影响的浅埋大跨隧道围岩松动压力计算公式。工程实例计算表明,与现有方法相比,所提方法计算的松动压力值最小。     

真三轴应力条件下钻孔围岩塑性区及增透半径研究

深部岩体处于三维应力场中受开挖扰动影响钻孔、巷道围岩处于明显的真三轴应力状态。钻孔抽采技术是煤矿广泛用于瓦斯治理的重要措施,钻孔周围塑性区是瓦斯流动的优质通道,研究钻孔围岩塑性区特性对于抽采钻孔的优化布置至关重要。为研究钻孔围岩的塑性区特性,基于广义平面应变理论分析围岩应力分布,比较几种常用强度准则（MC、Mises、D-P、MLC、SMP）的适用性和精确性,对比试验结果表明,MLC准则能较好地表征岩石的真三轴强度特性。基于MLC准则推导了围岩塑性区半径公式,分析偏应力、中间主应力、岩石内摩擦角、岩石黏聚力和钻孔半径对增透半径的影响,结果表明,增透半径随着偏应力的增大而增大,随中间主应力的增加先减小后增大,随岩石内摩擦角、岩石黏聚力的增加而逐渐减小,随钻孔半径的增加而线性增大。研究结果可为实际工程中巷道支护、煤层瓦斯抽采等技术的参数设计等提供重要参考。