边坡稳定分析的自适应性局部网格加密解法

常规的有限元强度折减法在确定边坡塑性区时,不能直观地反映出塑性区的形状和滑裂面位置,计算结果精度低。在塑性区范围内进行网格局部加密,不仅使安全系数的计算精度大幅度提高,而且可求出滑裂面的形状和位置。针对求解塑性区搜索滑裂面这一具体问题,提出塑性应变界限值网格加密准则,采用自适应性网格局部加密技术求解边坡的滑裂面和稳定安全系数。数值计算结果表明,所提出的加密准则能正确地确定滑裂面的形状和位置,计算所得稳定安全系数和理论稳定安全系数仅相差0.2 %。     

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。      

基于广义张-朱强度准则的深埋隧道围岩塑性分析及应用探讨

深埋隧道是交通建设中关键性和控制性的工程,近几年得到了迅速和蓬勃的发展。目前,深埋隧道围岩塑性分析,多采用Hoek-Brown强度准则,该准则只考虑了最大、最小主应力对围岩屈服的影响,与深埋隧道围岩三向受力的特征不符。根据Lee和Pietruszczak提出的递推计算方法,对围岩服从广义张-朱（generalized Zhang-Zhu strength criterion,简称GZZ）强度准则时的变形及周边应力分布进行了研究。发现当采用GZZ强度准则时,深埋隧洞洞壁位移、塑性半径明显减小,塑性区径向应力、环向应力均增大;中主应力系数增大,隧洞周边应力进一步提高。上述解法与引入面外应力解法相比,洞壁位移减小了26.6%,但塑性半径相差不大。应用GZZ强度准则计算了建平隧道围岩变形控制值,解决对深埋隧道围岩变形控制值认识模糊和无法有效判定的问题;继而改进开挖方案,有效提高了Ⅳ、Ⅴ围岩的掘进速度,实现了建平隧道安全快速的施工,获得了良好的工程效果。     

考虑渗透力和原始Hoek-Brown屈服准则时圆形洞室解析解

采用原始Hoek-Brown非线性屈服准则,推导了渗透力作用下圆形洞室弹塑性解析表达式。根据解析公式,绘制了渗透力作用下基于原始Hoek-Brown屈服准则的围岩特性曲线、塑性区半径与洞壁支护力关系曲线、塑性区半径与围岩自重应力关系曲线,并与基于Mohr-Coulomb屈服准则以及不考虑渗透力的图形进行了对比研究,研究表明：应用原始Hoek-Brown屈服准则求出的洞室径向位移和塑性区半径都大于应用Mohr-Coulomb屈服准则求出的结果;在围岩情况较好的条件下基于原始Hoek-Brown屈服准则计算的塑性区半径远大于基于Mohr-Coulomb屈服准则算出的值;渗流效应对地下洞室的塑性区半径和洞壁径向位移的影响十分显著。     

考虑轴向力和渗透力时圆形隧道广义Hoek-Brown解

为了研究渗透水压力和轴向应力共同作用时隧道围岩的应力和位移变化趋势,将圆形隧道简化为轴对称模型,假定渗透场以渗透体积力作用在原应力场,以围岩开挖断面为假定平面,引入垂直于该平面的轴向应力。基于广义Hoek-Brown强度准则和非关联流动法则,推导出考虑轴向应力和渗透场共同作用时弹-脆-塑性围岩的应力和位移非线性解,采用数值算例分析了轴向应力和渗透力共同作用时隧道围岩塑性区应力场和位移场的分布规律。计算结果表明：与无渗透水压力作用下的模型相比,渗透力作用使得围岩塑性区各点位移增大,并且内外水头差越大,位移增大越明显。当轴向应力为中主应力时,围岩塑性区半径和塑性区各点应力增大,轴向应力为大主应力和小主应力时,围岩塑性区半径和塑性区应力变化较小。因此,渗透力的存在不利于隧道围岩的稳定性,并且轴向应力的大小对于富水地区隧道围岩的应力和位移分布具有较大影响。在施工设计时考虑渗透力以及轴向应力的共同影响对于保证隧道围岩稳定性具有重要意义。     

基于Hoek-Brown准则的隧洞围岩变形研究

由于在许多实际条件下,比如节理岩体中,线性的M-C准则不太适用,非线性的Hoek-Brown比较适用,因此,可以尝试使用这一非线性屈服准则对洞室变形进行研究。研究隧洞变形时,将围岩分为弹性区、应变软化区、塑性流动区。采用Hoek-Brown准则和非关联流动法则对洞室变形进行了理论推导;软化区域围岩参数随着塑性变形增加而变化,解析法难以求得应力,采用龙格－库塔方法进行数值计算,求解得到塑性软化区和流动区半径,并最终求得洞室变形。通过算例计算表明,在不考虑软化区和流动区时,方法和Carranza-Torres计算结果相差甚小;随着原岩应力的增加,膨胀角对洞室变形的影响增大。     

考虑地下水、注浆及衬砌影响的深埋隧洞弹塑性解

对于深埋隧洞,地下水-围岩-注浆圈-衬砌共同形成了一个水压平衡体系,传统的隧洞应力与塑性区计算方法均未同时考虑上述4个因素的共同作用。以深埋隧洞为研究对象,将围岩、注浆圈、衬砌视为均质各向同性连续弹塑性介质,基于地下水动力学、弹塑性力学及摩尔-库仑屈服准则,推导了4个因素共同作用下深埋隧洞轴对称问题的应力弹塑性解与塑性区计算公式;利用Matlab编制程序对某隧洞工程进行了计算,并与传统计算方法进行了对比,验证了公式的正确性,指出了传统计算方法的缺陷;讨论了注浆参数对塑性区的影响规律,提出了最优注浆圈厚度的确定方法。     

位移释放率对双护盾TBM护盾压力的影响研究

为了研究隧洞纵向位移（LDP）释放率对双护盾隧洞掘进机（TBM）围岩变形及护盾压力的影响,在FLAC3D中采用应力释放法对LDP曲线实现了较好的控制,并指出采用计算时间步控制的缺陷,在考虑护盾与围岩之间不均匀间隙情况下,详细分析了应力释放率对TBM掘进中围岩LDP曲线变化规律、护盾所受挤压力及围岩塑性区的影响。得出了以下结论：（1）不同岩体力学参数下,LDP曲线受应力释放率的敏感程度不同;（2）随着应力释放率的逐渐增加,围岩LDP曲线特征及与TBM护盾相互接触的部位有所不同,TBM护盾接触挤压力和所受摩擦阻力逐渐增大;（3）护盾外围塑性区的形状与应力释放率和护盾与围岩之间的不均匀间隙有关,当在较大的应力释放率下,塑性区呈现自上而下逐渐减小的特征。     

深部围岩非规则破裂化的温度效应分析

利用FLAC3D中应变软化模型和温度模式建立数值计算模型,考虑初始地应力中温度热应力的修正并以函数的形式嵌入,讨论了非规则破裂化现象中应力及塑性区的特征。考虑地层温度和岩体热力学参数对深部围岩非规则破裂化的影响,分析围岩最大最小应力及塑性区特征。数值分析表明:FLAC3D塑性区图中呈现明显的非规则破裂化现象,而且随着地层温度升高和线膨胀系数增大,深部围岩非规则破裂化趋于严重;线膨胀系数大的围岩受温度影响较大。比热容和导热系数对深部围岩非规则破裂化影响微弱。得到了震荡的最大最小主应力曲线,最大剪应力与塑性区呈现出与最大剪应力理论相似却又不同的关系,即非规则破裂塑性区外边界和最大剪应力曲线的主峰值存在对应关系,但最大剪应力曲线主峰值相对于塑性区外边界存在滞后性。     

单轴压缩非贯通节理岩石尖端塑性区及弹塑性断裂模型研究

基于Drucker-Prager（下简称D-P）准则,建立压缩载荷作用下的非贯通节理岩石的弹塑性断裂模型。针对节理岩石小范围屈服翼裂纹尖端塑性区,推导了D-P屈服准则的纯I、纯II及I、II复合型3种翼裂纹无量纲塑性区径长函数,并与Mises准则的塑性区进行对比;结果表明,D-P准则的I型和复合型塑性区较Mises屈服准则的塑性区大,且其II型及I、II复合型塑性区在翼裂纹上下表面不连续。进一步,引入断裂软化因子以表征节理岩石裂隙断裂扩展后的断裂软化规律,考虑非贯通节理岩石复合型断裂软化,是由于节理尖端翼裂纹应变能密度超过最小应变能密度导致其成核扩展引起的,提出用应变能密度的指数函数形式表征断裂软化变量的演化;塑性屈服函数采用Borja等的应力张量3个不变量的硬化/软化函数,反映塑性内变量及应力状态对硬化函数的影响;建立节理岩石的弹塑性断裂本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了弹塑性断裂模型的程序。以单轴压缩下非贯通节理岩石为例,分析岩石断裂韧度、节理摩擦系数和节理倾角等参数的影响,结果表明,所提出的弹塑性断裂模型与数值和试验结果比较吻合。     

浅埋隧道掌子面稳定性二维自适应上限有限元分析

为研究浅埋隧道掌子面稳定性及获取精细化的破坏模式,提出了一种上限有限元非结构化网格自适应加密策略。以单元耗散能权重指标作为网格自适应加密评判准则,该策略同时兼顾了单元尺度与塑性应变。应用高阶的6节点三角形单元并建立上限有限元线性规划模型,以多次反复计算和网格加密的方式实现了二维自适应上限有限元分析并编制了计算程序。利用条形基础地基极限承载力课题,从上限解精度和网格加密形态方面验证了该程序的有效性。针对浅埋隧道掌子面稳定性问题,展开多参数条件下的自适应上限有限元计算,分析了网格加密过程中单元总数与上限解精度的关系,列出不同隧道埋深和内摩擦角对应的隧道掌子面稳定性临界值的上限解,揭示出掌子面稳定性变化规律及精细化的破坏模式。     

考虑中主应力时土体劈裂灌浆力学机制的大变形分析

在塑性力学和大变形理论的基础上分析土体在劈裂灌浆初始阶段的力学机制,将劈裂灌浆的初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,并将圆孔周围土体中的应力分布分为两个区域。在弹性区中土体服从小变形假设,在塑性区中服从大变形假设。假设初始劈裂灌浆压力是圆孔扩张到极限时极限扩孔压力;当土体在灌浆压力作用下,大小主应力正好换位时,则出现劈裂时的灌浆压力就为二次劈裂灌浆压力值,推导出塑性区半径、劈裂灌浆的竖向劈裂灌浆和水平向劈裂灌浆压力的理论解答,同时也获得了弹塑性区中的应力场分布规律。该理论的计算结果与工程实测结果比较接近,初步证实了该理论的可靠性。     

盾构隧道施工土体扰动范围研究

盾构隧道施工,隧道周边土体应力场发生改变,临近隧道土体因应力扰动出现塑性区,塑性区的分布范围与注浆压力、注浆量等注浆参数密切相关。塑性区被认为是施工扰动比较严重的区域,为分析盾构施工扰动范围,基于小孔扩张理论研究了注浆压力、注浆量对土体扰动塑性区的影响,推导了塑性区与注浆压力和注浆量之间的函数关系。在定义扰动评价标准基础上,提出应用有限元计算盾构施工塑性区和扰动范围的一种简捷实用的数值方法。最后采用静力触探现场测试盾构施工扰动范围,并与理论公式及有限元方法进行比较,理论公式、有限元及现场测试三者取得了较为一致的结果,验证了推荐方法的有效性。其研究结果可对盾构施工注浆参数的正确选择提供理论支持。     

重复采动巷道塑性区调控原理与稳定控制

为研究双巷布置工作面留巷受重复采动影响围岩的变形破坏规律及稳定控制问题,综合运用数值模拟、理论分析和现场观测等方法,研究双巷间距对重复采动下留巷围岩塑性区空间分布特征及偏应力的影响规律,揭示二次采动对留巷塑性区的诱导扩展机制,提出围岩塑性区二次扩展抑制方法。结果表明：重复采动巷道围岩塑性区在巷道轴向上均可划分为6个区域,整体表现为双巷间距越大,则塑性区破坏深度越小的特征,且其形态由非对称分布向对称分布状态转化,双巷距离增加造成的应力旋转程度和偏应力峰值低是主要原因。一次采动滞后影响稳定区维护距离及周期最长,且为二次采动塑性区叠加扩展的基础,是重复采动巷道围岩稳定的关键控制区域。据此提出通过调整巷道空间位置,达到改善应力环境、调整巷道围岩破坏状态的目的,并建立了分区补强支护相结合的调控方法和控制技术体系。现场实测结果表明,该技术体系能够达到巷道安全稳定目的,效果良好。     

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。     

基于混合常应力−光滑应变单元的极限分析方法

极限分析是岩土工程稳定性评价的重要方法之一。传统的有限元极限分析方法,采用低阶三角形单元时需要引入速度间断面并采用特殊网格布局,或者采用高阶三角形单元等措施来克服体积锁定问题和提高数值精度。在光滑有限元法（smoothed finite element method,简称SFEM）的基础上,提出了一种基于新型混合常应力−光滑应变单元的极限分析方法（mixed constant stress-smoothed strain element limit analysis,简称MCSE-LA方法）。在服从关联流动法则和Mohr-Coulomb屈服准则的基础上,MCSE-LA方法最终将数值极限分析转化为以应力和极限荷载乘子为基本未知量的二阶锥规划（second order cone programming,简称SOCP）问题。MCSE-LA方法具有形式简单、优化变量相对较少和无需显式的写出塑性内能耗散函数的优点,并且根据凸锥优化的对偶理论,可以从对偶问题中获得速度场和塑性乘子等信息。此外,还采用基于最大塑性剪应变率的网格自适应加密算法,该算法在塑性区细化网格,显著提高了新数值极限分析方法的计算效率和精度。最后通过边坡稳定分析的结果对比,验证了MCSE-LA方法的计算精度和效率均高于传统的有限元极限分析方法。