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三向非等压应力场下围岩主应力差与塑性区分布关系研究

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第1期55卷 291-306页

作者：刘洪涛韩子俊韩洲陈子晗韦晟杰刘勤裕程文聪吴双中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 煤炭行业巷道支护与灾害防治工程研究中心北京100083

首先,以弹性理论为基础推导出考虑巷道轴向应力影响的主应力差解析式,通过变化水平侧压比、轴向侧压比研究完全弹性条件时不同应力场下主应力差分布形态演化规律。其次,推导出考虑轴向应力作用的围岩塑性区近似解,研究不同应力环境下围... 详细信息

首先,以弹性理论为基础推导出考虑巷道轴向应力影响的主应力差解析式,通过变化水平侧压比、轴向侧压比研究完全弹性条件时不同应力场下主应力差分布形态演化规律。其次,推导出考虑轴向应力作用的围岩塑性区近似解,研究不同应力环境下围岩的塑性区形态演化规律。最后,对比分析主应力差及塑性区形态特征,研究二者分布形态的对应关系,并通过数值模拟验证理论分析的正确性。研究结果表明:在弹性理论下,三向应力场条件的主应力差值分布会呈现圆形、椭圆形、蝶形3种形态的演化规律;在考虑巷道塑性破坏的情况下,主应力差值在σx、σz较小一侧形成峰值壳,在较大一侧形成卸压壳。在不同水平侧压比及轴向侧压比情况下,围岩塑性区形态会呈现圆形—椭圆形、椭圆形—蝶形、蝶形恶性扩展3个阶段的演化过程。巷道主应力差的分布形态在一定程度上可以反映塑性区形态,主应力差和塑性区在相同应力条件下的形态特征具有逐一对应关系,且二者形态在很大程度上由水平侧压比决定,轴向侧压比对塑性区形态影响较小。160206回风巷在偏转式主应力差集中区形成非对称异化特征。本文基于分析及现场破坏情况提出的联合协同支护技术在现场应用效果较好。

关键词：主应力差轴向应力巷道塑性区非静水压力场围岩控制

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井孔在非静水压力场中的孔隙弹性响应分析

科技风 2009年第3期 14-15页

作者：金生吉刘继行曹鹏沈阳工业大学辽宁沈阳110000

饱和岩石表现为可压缩孔隙材料,遵循比奥定律。分析结果在拉普拉斯空间得出。此结果揭示了整个范围内孔隙弹性耦合结果,为研究井孔稳定性及岩石内部剪切破裂产生提供力学基础。

关键词：非静水压力场孔隙弹性响应井孔

巷道围岩蝶形塑性区蝶叶方向性形成机制及工程应用

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煤炭学报 2021年第9期46卷 2838-2852页

作者：李季强旭博马念杰张荣光李博西安科技大学能源学院陕西西安710054 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

针对经典巷道矿压理论在进行深部巷道矿压分析时适用性不强的问题,以非等压条件下圆孔周围塑性区边界方程及蝶形破坏理论为基础,理论推导出非静水压力场条件下圆形巷道围岩主应力方向偏转角度与塑性区边界上一点的极坐标角度的余弦四次... 详细信息

针对经典巷道矿压理论在进行深部巷道矿压分析时适用性不强的问题,以非等压条件下圆孔周围塑性区边界方程及蝶形破坏理论为基础,理论推导出非静水压力场条件下圆形巷道围岩主应力方向偏转角度与塑性区边界上一点的极坐标角度的余弦四次隐性方程。基于此隐性方程,采用理论分析、数值模拟和现场试验等综合研究方法,研究了巷道蝶形塑性区分布特征随围岩主应力方向偏转的演化规律,揭示了巷道蝶形塑性区蝶叶方向性的形成机制,并对不同巷道断面形状(圆形、矩形、拱形)、围岩力学参数(软岩、中硬岩、硬岩)以及层状顶板结构(下软上硬型、下硬上软型、软弱夹层型、坚硬夹层型)条件下围岩蝶形塑性区蝶叶方向性的适用性进行了分析;在此基础之上,探讨了蝶叶方向性与围岩变形破坏特征的关系,并对赵固二矿回采工作面运输巷围岩非对称变形破坏机理进行了研究。研究结果表明:蝶形塑性区蝶叶会随主应力方向的偏转而发生偏转,且两者的偏转角度基本相等;同时,巷道断面形状、围岩力学参数以及层状岩层顶板结构均对蝶叶方向性无显著影响,蝶叶方向性具有普适性;受蝶叶方向性的影响,巷道蝶形塑性区的分布特征与围岩变形破坏形态具有一致性,导致蝶形塑性区蝶叶位置的围岩变形破坏相对其他位置严重,造成巷道呈现非均匀变形破坏特征,工作面运输巷围岩现场探测破坏形态与数值模拟塑性区形态基本吻合。

关键词：蝶形塑性区巷道非静水压力场应力方向围岩稳定性

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深埋圆隧围岩变形特征及支护结构受力研究

深埋圆隧围岩变形特征及支护结构受力研究

作者：沈强华中科技大学

学位级别：硕士

深埋隧道在开挖时围岩将出现较为复杂的变形特征,支护结构的受力状况与力学响应关系到工程安全,因而对围岩与支护间的相互作用分析十分重要。本文的研究以隧道工程中围岩变形与支护受力为出发点,运用理论分析与数值模拟相结合的方法,对... 详细信息

深埋隧道在开挖时围岩将出现较为复杂的变形特征,支护结构的受力状况与力学响应关系到工程安全,因而对围岩与支护间的相互作用分析十分重要。本文的研究以隧道工程中围岩变形与支护受力为出发点,运用理论分析与数值模拟相结合的方法,对深埋圆形隧道围岩与支护之间的相互作用机制开展了深入的研究。主要内容包括以下几点:(1)采用理论分析的方法,研究收敛-约束法中:纵向变形曲线、围岩特征曲线及支护特征曲线的计算方法及耦合求解过程。将FLAC解得的纵向变形曲线与解析公式计算的结果对比,进而提出适用性更强的纵向变形曲线新解。在此基础上,编制了一种新的围岩-支护相互作用解析解计算程序;定量讨论支护刚度、支护时机等因素的影响。研究表明:可通过延迟支护时机以及采用弹性模量和厚度均较小的混凝土支护来避免支护结构受力过大。(2)结合理论与数值的方法,通过虚拟支护力量化空间约束效应。首先,解析求解围岩初始变形,虚拟支护力;其次,数值求解支护受力以及围岩最终变形。并探讨了地应力、围岩质量和支护时机对上述四个参量的影响;进而研究了围岩注浆加固及锚杆支护的作用效果。研究表明:硬岩自承能力强,软岩自承能力差;围岩注浆加固和施加锚杆是限制软岩变形的有效措施。(3)采用数值模拟的方法,研究了非静水压力场中,均质岩层和复合岩层的围岩变形特征,以及不同应力释放率下围岩与衬砌相互作用情况。研究表明:均质岩层中,隧道最大位移点与侧压力系数、竖向地应力和应力释放率均有关联,衬砌受力随围岩应力释放的演化规律变化复杂。复合岩层中,隧道最大位移发生在软硬交界面法线方向附近,衬砌最大受力点和最小受力点均发生在软硬交界面附近。(4)结合理论与数值的方法,研究了深埋隧道TBM开挖全过程。首先,理论阐述围岩与TBM相互作用机制,评估围岩挤压程度与TBM护盾受力;然后,采用FLAC建立TBM三维模型,研究不同岩性参数、隧道洞径和回填层厚度下围岩变形及支护的力学响应。研究表明:衬砌的弯矩值在上软下硬岩层中最大,在均质软岩中次之,在均质硬岩中最小;隧道洞径越大,衬砌弯矩呈现增大的趋势;相对于刚度较大的衬砌而言,回填层厚度的变化对围岩变形的约束作用影响较小。

关键词：深埋圆形隧道围岩-支护相互作用 TBM 收敛-约束法虚拟支护力非静水压力场