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应用FLAC3D数值模拟软件,分别对不同剪胀角与围压作用下,岩样的剪切带分布及强度特征进行模拟研究。结果表明:随着剪胀角的增加,单轴压缩试验岩样由单一剪切破坏向共轭剪切破坏转变,同时韧性有所增强;围压的增加使得剪胀角为零的岩样由单一剪切破坏发展为双"X"形剪切破坏,剪胀角大于零的岩样由复合共轭剪切破坏过度到单一"X"形剪切破坏,剪切带宽度不断增大;岩样的剪切带倾角随着剪胀角的增大而增大,随围压的增加而减小;围压使得岩样峰值强度与残余强度增加,对岩样残余强度的提高显著;相同围压条件下,剪胀角越大岩样的强度越高但增加幅值不大;随着巷道围岩剪胀效应的增强,围岩的变形量增加显著,合理有效地控制巷道围岩的剪胀变形是支护的关键。
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第 31卷 第 2期
2011年 03月
西 安 科 技 大 学 学 报
312
2011
文章编号1672 9315201102 018107
岩石剪胀效应的数值模拟研究
张 春
1 2
茅献彪
1 2
倪海敏
1 2
李 凯
1 2
李 明
1 2
1中国矿业大学 力学与建筑工程学院 江苏 徐州 2210082中国矿业大学
深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 江苏 徐州 221116
摘 要 应用
3
数值模拟软件 分别对不同剪胀角与围压作用下 岩样的剪切带分布及强度
特征进行模拟研究 结果表明 随着剪胀角的增加 单轴压缩试验岩样由单一剪切破坏向共轭剪
切破坏转变 同时韧性有所增强 围压的增加使得剪胀角为零的岩样由单一剪切破坏发展为双
形剪切破坏 剪胀角大于零的岩样由复合共轭剪切破坏过度到单一 形剪切破坏 剪切带
宽度不断增大 岩样的剪切带倾角随着剪胀角的增大而增大 随围压的增加而减小 围压使得岩
样峰值强度与残余强度增加 对岩样残余强度的提高显著 相同围压条件下 剪胀角越大岩样的
强度越高但增加幅值不大 随着巷道围岩剪胀效应的增强 围岩的变形量增加显著 合理有效地
控制巷道围岩的剪胀变形是支护的关键
关键词 剪胀效应 数值模拟 围压 剪切带 围岩变形
中图分类号 315文献标志码
目前 对于岩石材料的破坏过程 峰后岩样的应力应变特性及破坏带的形成与发展规律等还没有足
够的 认识 岩石材料进入峰值阶 段后 受力与变形的非线 性 剪切变形过 程中的剪胀效应等 表现显
著
1 3
由于实际工程问题的需要 岩石峰后力学性质 尤其是剪胀特性越来越受到广大学者及工程界的
关注
对于岩土材料剪胀效应研究 文献 4 5 应用有限元方法 研究了剪胀角对土体材料受力变形的影
响 文献 6 基于俞茂宏统一强度理论 用弹性 塑性软化 塑性残余三线性应力 应变模型推导了洞室
围岩的弹塑性统一解 指出在无支护条件下 随着剪胀性增高 塑性残余区半径增大 但增加量较小 而洞
室表面位移量增加明显文献 7通过试验手段研究了大理岩在三轴压缩下局部化变形特征 将岩石的局
部化变形分为稳定稳定增长及快速发展 3个阶段 认为岩石在局部变形稳定增长达到一定程度后表现
短暂的应变硬化并开始剪胀 文献 12 13讨论了在数值计算中 岩土材料参数剪胀角的选取及确定问
题 文献 15 中建立了岩石单轴压缩试验平面应变数值模型 研究了剪切扩容对剪切带图案及岩样全部
变形特征 但研究中只涉及岩石的单轴压缩试验 未考虑围压对岩样变形破坏影响的问题 未考虑岩石
的剪胀角随塑性应变变化的特点 未涉及到岩样峰后强度的问题
本文中考虑了剪胀角随塑性应变变化的性质 应用
3
数值模拟软件建立了岩样三轴压缩数值试
验模型 研究了具有围压时 岩样的剪胀效应 破坏及强度特性分析了剪胀效应对围岩变形的影响
1岩石剪胀效应的概念
岩石在其载荷强度达到峰值强度后产生破裂 破碎岩块在应力峰后区将出现显著的体积膨胀现象
收稿日期 2010 12 15
基金项目 国家重点基础研究发展计划 973计划 项目2007209400国家自然科学青 年基金项目 50904065国家自 然科学
基金重点项目 50834 005国家自然科学基金面上项目 50974107江苏省自然科学基金项目 2009092
通讯作者 张 春1986 男 安徽固镇人 硕士研究生 从事岩土工程数值仿真分析研究
DO I :1013800/j cnki xakjdxxb201102018
中国煤炭期刊网
www.chinacaj.net
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