软岩洞室最优支护的广义SMP准则解与对比研究

现有洞室最优支护设计均基于Mohr-Coulomb（简称M-C）准则,不能真实反映岩石强度的中间主应力效应以及围岩的三向不等应力状态。基于广义SMP准则和稳定蠕变J3准则,考虑中间主应力对岩石强度的提高作用,建立了软岩洞室最优支护力与围岩允许最大位移的理论解答。洞室最优支护解答对M-C准则、外接圆Drucker-Prager（简称D-P）准则均具有很好的拓展性,且工程实例验证了其正确性。研究结果表明：3种强度准则结果间的差异实际反映的是对中间主应力效应的不同考虑,M-C准则和外接圆D-P准则对应的结果是两个极端情况,推荐选用广义SMP准则解答;岩石长期强度是洞室最优支护设计的关键参数,围岩凝聚力与内摩擦角的影响亦很显著,应合理测定岩石的强度参数并充分考虑变异性。     

基于ADINA、ANSYS、FLAC的强度折减法

与传统极限平衡法相比,强度折减法有众多优势。计算程序和屈服准则是影响强度折减求安全系数的重要因素。以某复杂边坡为例,通过ANSYS-ADINA和ANSYS-FLAC接口程序,建立ADINA、ANSYS、FLAC同套网格模型,克服网格对安全系数的影响。计算中分别选用M-C和D-P准则,分析得出:相对于D-P准则,M-C准则求得的安全系数偏于保守;对于一系列的D-P准则,外角点外接圆D-P和内切圆D-P求得的安全系数分别对应上限和下限;对于同种屈服准则,有限差分法比有限元法求得的安全系数略大。     

SMP准则在计算煤柱极限强度中的应用

基于黏性材料的SMP（spatially mobilized plane）破坏准则,分析了煤柱在三维应力状态下的应力问题,并推导了煤柱极限强度的计算公式。通过改变煤体的内摩擦角? 和凝聚力c,与Mohr-Coulomb准则下煤柱极限强度以及简化的A. H. Wilson公式得到的煤柱极限强度进行对比,结果表明,Mohr-Coulomb准则和A.H.Wilson公式由于忽略了煤柱中主应力的影响,其得到的极限强度计算公式低估了煤柱实际极限强度,说明基于黏性材料的SMP准则下的煤柱极限强度计算符合实际,对于分析煤柱的稳定性具有一定的现实指导意义。     

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。     

平面应变条件下土的强度准则分析及验证

应用Mohr-Coulomb、Lade-Duncan、广义Mises、Matsuoka-Nakai、AC-SMP强度准则,以及平面应变条件和相关联流动法则,建立了平面应变条件下土的强度准则。通过分析不同平面应变条件强度准则,确定最大、最小主应力比随土的内摩擦角的变化规律,分析了各强度准则的适用性。当内摩擦角小于30°时,各强度准则的差异性较小;当内摩擦角大于30°时,各强度准则的差异逐渐增大;内摩擦角较大时,广义Mises平面应变强度准则已不适用于描述土的破坏应力条件。同时,考虑黏聚力的作用,将无黏性土平面应变强度准则推广应用于黏性土,根据黄土的平面应变试验结果对各强度准则进行了初步验证,结果表明:Matsuoka-Nakai强度准则适用于描述砂土的强度,Lade-Duncan、AC-SMP强度准则可以很好地描述黄土的强度。     

采用不同Drucker-Prager屈服准则得到的边坡安全系数的转换

研究了边坡稳定分析的有限元强度折减过程中（平面应变条件下）Drucker-Prager（简称D-P）屈服面的变化特点,从而提出了有限元强度折减法采用不同屈服准则计算得到的边坡安全系数之间的转换关系式。在利用有限元强度折减法计算边坡稳定安全系数时,ANSYS有限元软件采用的岩土材料屈服准则为Mohr-Coulomb（简称M-C）六边形外接圆D-P准则,可先求出外接圆D-P准则条件下的安全系数,然后利用所提出的安全系数转换公式就可直接计算出各D-P准则条件下的安全系数。因此,通过转换就可以在ANSYS程序中实现不同M-C准则,而不需要进行二次开发。采用ANSYS软件通过算例分析,比较了由转换关系式得到的安全系数与实际计算的结果,讨论了转算结果的误差。算例结果表明：通过转换关系式得到的安全系数与计算得到的结果非常接近,具有比较高的计算精度,同时也证明所提出的方法是可行的。     

修正Hoek-Brown准则的等效Mohr-Coulomb强度参数确定方法研究

合理确定岩石材料强度参数是工程设计的关键问题之一。为有效描述岩石的强度特性,众多学者提出了大量三维强度准则,其中基于两参数偏函数的修正Hoek-Brown(H-B)准则取得了良好效果,能够有效地反映岩石的静水压力效应、Lode角效应及中间主应力效应等强度特性。确定修正H-B准则的等效Mohr-Coulomb(M-C)参数有利于提高其在工程应用中的便利性,因此提出一种基于I_1-■平面计算三维强度准则瞬时等效M-C参数的方法,应用于修正H-B准则,并对计算方法的合理性及瞬时等效M-C参数与岩石强度特性的关系进行讨论。结果表明:瞬时等效M-C参数可有效表征非线性静水压力效应,且合理反映Lode角效应和中间主应力效应的区间性特点;瞬时等效M-C参数可有效表征静水压力对Lode角效应的影响和最小主应力对中间主应力效应的影响,静水压力增大时,Lode角效应更为明显,且当最小主应力增大时,瞬时等效内聚力反映出更为显著的中间主应力效应;该方法能够合理地计算瞬时等效M-C参数,修正H-B准则具有准确预测岩石强度的能力。上述成果对修正H-B准则在实际工程中的应用具有较强的指导意义。     

含盐冻结粉质砂土的强度参数和强度准则试验研究

对含盐冻结粉质砂土进行温度-2 ℃、-4 ℃、-6 ℃和围压0.3~16 MPa的三轴强度试验. 结果表明: 含盐冻结粉质砂土应力-应变曲线在低围压和高围压表现为应变软化特征, 中围压为理想塑性变形特性; 随着围压的增大, 强度先增加后减小. 在围压小范围内得到广义黏聚力和广义内摩擦角, 并得到广义黏聚力和广义内摩擦角随围压和温度的变化规律; 同时, 针对强度随围压的变化, 提出非线性强度准则.     

橡胶颗粒改良粉煤灰土的动力特性试验研究

对橡胶颗粒改良粉煤灰土的动强度、动模量、黏聚力和内摩擦角进行了动三轴试验研究,并将试验结果与粉煤灰土的动力特性加以对比,分析表明：粉煤灰土及橡胶颗粒改良粉煤灰土在同一围压下动强度均随破坏周数的增加而减小;在同一破坏周数下动强度随着围压的增加而增加;粉煤灰土的黏聚力为203.73 kPa,内摩擦角为11°;橡胶颗粒改良粉煤灰土的黏聚力为227.26 kPa,内摩擦角为17°,橡胶颗粒改良粉煤灰土的黏聚力增大了23.53 kPa,提高了11.55%;粉煤灰土的初始切线模量及平均动模量高于橡胶颗粒改良粉煤灰土的初始切线模量及平均动模量。研究表明,橡胶颗粒改良后的粉煤灰土具有动强度高、黏聚力和内摩擦角大的特点,从而说明橡胶颗粒改良后的粉煤灰土可以作为季冻区路基冷阻层材料     

孔隙水压作用下岩石抗剪强度参数计算

为了研究孔隙水压作用下岩石抗剪强度参数,进行了不同岩性岩石、不同孔隙水压条件下的三轴压缩试验,研究了抗剪强度参数计算方法.通过最小二乘法计算了采动岩体不同孔隙水压条件下黏聚力和内摩擦参数.研究表明:随着孔隙水压的增大,岩石黏聚力降低,当孔隙水压增至9MPa时,破坏岩体黏聚力降低至0MPa;细砂岩和粗砂岩黏聚力水压效应符合指数关系,随着水压的增高,黏聚力水压效应强度降低;除灰岩外,岩石内摩擦角随着静水压力的增高而降低.研究成果能够为分析孔隙水压下采矿围岩破坏规律提供依据.     

有限元强度折减法计算边坡稳定的对比分析

采用目前边坡稳定性分析比较流行的强度折减法,对比研究了MIDAS/GTS、FLAC、ANSYS配合Drucker-Prager（简称D-P）屈服准则和Mohr-Coulomb（简称M-C）屈服准则时软黏土、硬黏土、弱膨胀土3种工况下计算结果的偏差。软黏土工况下D-P准则和M-C准则计算结果的偏差相对较小,当边坡土体为硬黏土时,采用D-P准则与采用M-C准则计算结果的偏差明显增加。3种软件2种屈服准则下的计算结果都反映出,硬黏土的滑动面比弱膨胀土和软黏土的滑动面浅,而且同等情况下MIDAS计算得到的滑动面比ANSYS计算得到的滑动面浅;坡度较小时FLAC（M-C）计算的安全系数比MIDAS（M-C）计算得到的大,坡度较大时则相反;坡度较小时计算过程中先出现塑性区贯通,后出现计算不收敛;坡度较大时计算过程中先出现计算不收敛,后出现塑性区贯通。坡度较小时计算不收敛时的折减系数与出现塑性区贯通时的折减系数差别较大;坡度较大时这一差别较小,甚至计算到不收敛时塑性区仍未贯通,在用MIDAS计算时这一现象反映得更加明显。     

定向渗流诱导的非均质冻结壁力学特性分析北大核心CSCD

为了合理分析定向渗流诱导的非均质冻结壁的力学特性,将冻结壁最迟交圈的位置视为“危险截面”,通过分段等效的方法结合温度特征点的分布规律,得出该截面的温度曲线表达式;根据冻土力学参数与冻结温度的线性关系,将冻结壁视为随温度函数变化的非均质材料;分别基于M-C准则、D-P准则、广义Tresca准则及双剪强度准则,推导得出定向渗流诱导的非均质冻结壁应力计算公式。基于该公式,结合实际冻结方案的设计参数对冻结壁的力学特性进行计算分析。计算结果表明:冻结壁的承载力随着水流速度的增大而减小,当水流速度为5m·d时,基于M-C、D-P、广义Tresca、双剪强度准则计算得出的弹性极限承载力以及塑性极限承载力分别为2.480、2.462、2.741、3.202以及4.349、4.318、4.561、5.779;当地下水流速增加至10m·d时,对应的弹性极限承载力以及塑性极限承载力降低至2.087、2.085、2.203、2.784以及3.700、3.707、3.908、4.939。冻结壁的径向应力随着相对半径r的增大而增大,而环向应力的分布具有明显的区域差异性;在弹性极限状态下,冻结壁的环向应力的最大值出现在靠近冻结壁中间的位置;在塑性极限状态下,冻结壁的环向应力的最大值出现在冻结壁的分区界线(r=1.685)处。     

基于室内试验的条带煤柱稳定性研究

对建新矿13煤进行了室内力学性质研究,研究了煤岩的尺寸效应,得到了建新矿13煤煤岩体单轴抗压强度为 6.928 MPa;进行三轴压缩试验确定该层煤符合摩尔-库仑弹塑性力学模型。以试验研究结果为基础,结合建新矿的实际情况,在选定采出条带宽度25 m时,应用FLAC3D对条带开采进行煤柱应力和地表最大下沉分析,并研究煤柱稳定性。结果表明选择20 m宽度的煤柱时,可以保持煤柱稳定性。基于室内煤岩试验研究的结果,采用数值模拟的方法,通过多方案条带开采研究煤柱安全性,在减小煤柱尺寸的同时,确保煤柱安全稳定,避免仅仅使用经验公式计算带来的盲目性。     

非线性Mohr-Coulomb准则适用范围及其改进研究

SINGH M为克服（Mohr-Coulomb M-C）准则只能线性表征岩石强度随围压变化这一局限性,在M-C准则的基础上添加一个修正项对其进行改进,提出非线性M-C准则。该准则认为,岩石在围压达到其单轴抗压强度时岩石就进入临界状态,此观点与部分岩石的试验结果有较大的出入,使得该准则的适用范围受到影响。为拓宽非线性M-C准则的适用范围,通过对其修正项的进一步改进,提出M-C准则修正一般表达式。应用11种岩石三轴试验数据对M-C准则修正一般表达式、非线性M-C准则和目前岩石力学界认为较好的双曲线型准则的精度进行比较,结果显示,M-C准则修正一般表达式对岩石三轴强度的拟合精度高于其他两种准则,且由岩石三轴试验强度的一致性更好。证明M-C准则修正一般表达式优于非线性M-C准则,且适用范围更广。     

基于形状改变比能对M-C准则与 D-P系列准则匹配关系的研究

在一定前提下可导出与Mohr-Coulomb（M-C）屈服准则相匹配的Drucker-Prager （D-P）系列准则。首先解释了基于M-C准则与D-P系列准则匹配关系的能量含义,在此基础上重点研究了 平面内,在Lode角相同的情况下进入M-C屈服面与D-P屈服面所需形状改变比能的差值,并应用最小二乘法,推导了在所有可能的加载方式下到达屈服面所需形状改变比能差值平方和最小时M-C准则与D-P准则的参数匹配关系。结果表明,在此能量偏差极小意义下的匹配与等面积匹配等价,由此给出了等面积匹配的力学意义。     

沿空掘巷合理煤柱宽度综合分析与确定

在总结分析经验法、理论计算法、数值模拟法、现场实测等确定煤柱宽度方法优缺点的基础上,提出了采用现场实测和数值模拟相结合的方法来确定保留煤柱宽度。根据石炭井二矿生产实际,分别对巷道开挖前后,不同煤柱宽度下围岩应力、变形进行了模拟,同时利用21053工作面异型煤柱的有利条件,对不同煤柱宽度下巷道围岩变形、支护结构受力等进行了实测。经过对监测数据的分析,得出了巷道围岩变形、支护结构受力与煤柱宽度之间的关系,结合数值模拟结果,确定了石炭井二矿煤柱宽度。     

大断面综放沿空巷道煤柱合理宽度与围岩控制

确定合理的区段煤柱宽度及巷道支护型式和参数,对于提高资源回采率和巷道安全性及实现综放开采高产高效意义重大。以王家岭煤矿20103区段运输平巷为工程背景,采用FLAC3D数值分析了不同煤柱宽度下围岩主应力差、变形及破坏演化规律,认为合理煤柱宽度为6～10 m,并结合实际地质和生产条件确定试验巷道煤柱宽度为8 m。采用理论分析和现场钻孔窥视方法综合确定基本顶断裂线位于距采空区约7 m处,认为由于综放沿空巷道围岩性质结构和应力分布沿巷道中心线呈明显非对称性,将引发煤柱侧顶板严重下沉和肩角部位煤岩体错位、嵌入、台阶下沉等非对称破坏特征,靠煤柱侧顶板及肩角部位是巷道变形破坏的关键部位。在此研究基础上,针对性地提出了以高强锚梁网、不对称锚梁、锚索桁架为主体的综合控制技术,详细阐明了具体支护措施的控制机制,并进行现场应用。工程实践表明,8 m煤柱宽度合理,该支护技术能够保证窄煤柱沿空巷道围岩稳定,并已在王家岭煤矿大面积推广应用,对类似工程条件的支护技术具有一定的理论意义和实用价值。     

基于M—C准则的差异面积D—P准则及其应用研究

为了克服基于M-C准则的D-P系列准则缺乏明确物理意义的缺点,提出了基于M-C准则的一个新D—P准则——差异面积D—P准则。差异面积反映的是M-C和D—P两准则在偏平面上投影不重合区域的面积,在同一个偏平面上该面积越小,认为两准则近似程度越高。而差异面积D—P准则是在偏平面上使得与M-C准则差异面积近似最小的D—P准则,因此认为它是对M-C准则最为合理的D—P准则近似。通过分析,推导了D—P准则和M-C准则在偏平面上的差异面积表达式,进而给出了差异面积D—P准则,得到了等效圆的洛德角及值。此外,还得到了差异面积D—P准则相对于外角点外接D—P准则的折减系数,方便了工程府用。最后将蒡异面积D—P准则运用干访埔分析当中。证明了该方法旱可行的．