加卸载路径下岩体软化特性研究

The project is set in the failure and instability of surrounding rock mass with higher in-situ stress during the exploition of deep underground coal and aimes at the mechanical characters of post-failure rock mass with different loading and unloading stress path. Adopting the indoor tests and analytical methods, we develop a series of study on mechanical response and deformation characters of post-failure rock mass. Based on the axial loading tests and unloading confining pressure tests of intact rock, we can obtain the strength, elastic parameters and dilatancy charaters with different confining pressure and stress path. In the same way, the post-failure structure suface shear strength, stiffness and dilatancy character in normal direction of structer surface can also be obtained with different stress level and stess path. Based on the continum theory, the coupling mechanics between strength and deformation for post-failure rock and structure plane would be studied. Then, the elastoplastic coupling constitutive model, which can reflect the influence of loading and unloading path, is proposed. The results can provide meaningful theory foundation for correctly predicting rock mass deformation, support structure parameter optimization and evaluating the stability of surrounding rock mass correctly and objectively.

项目以深部煤炭开采过程中高应力巷道围岩的破坏失稳为背景，以巷道开挖过程中，围岩不同方向加卸载应力路径下的峰后力学特性为目标，采用室内试验与理论分析的方法，紧紧围绕岩体峰后破裂过程中的力学响应、变形特性开展研究。通过岩石试样轴向加载和环向卸载试验，获得在不同应力水平、不同应力路径下，岩石峰后软化段的强度、弹性参数和扩容特性；通过结构面切向加载试验和法向卸载试验，获得在不同应力水平、不同应力路径下，结构面峰后软化过程中的剪切强度、刚度和法向剪胀特性；然后基于连续介质理论，研究峰后段岩石、结构面的强度-变形耦合机理，建立能反映加卸载路径的岩体软化弹塑性耦合力学模型，为正确预测围岩变形、优化支护结构参数及正确、客观评价围岩稳定性提供理论基础。

岩土类材料在低围压时都呈现一定的应变软化特性。针对应变软化模型理论分析中某点的材料参数与应力和变形存在耦合效应、有限元数值计算中蜂后软化段塑性修正回映算法不稳定两个难题开展研究。.（1）对目前使用较为广泛的Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则进行了修正。修正后的强度准则不仅考虑了中间主应力的影响，而且保证了其在应力空间为光滑、连续的函数形式，并采用八种岩石三轴试验数据对修正准则进行了验证，结果表明研究修正后的模型具有更高的真三轴强度拟合精度，能够更合理表征岩石空间强度面。.（2）在应变软化岩体的解析研究中，峰后点的材料属性与围岩塑性变形存在着耦合效应，基于弹脆塑性岩石力学模型有闭合解的特点，对传统的应变软化模型进行简化，建立了多阶脆塑性逼近形式的应变软化力学模型(MBPM)，即：假定处于塑性状态的岩体是由多个区域足够小的环带组成的，在每个环带内材料参数是均质恒定的。在每个区域内由弹塑性理论和围岩边界条件可获得围岩应力和变形解析式，由每个环带内材料参数对应的软化因子可以得到一个再破坏补充方程，从而得到完整的闭合解表达式。针对常规方法对再破坏补充方程组的求解存在一定的困难，提出了一种各环半径遍历搜索求解方法，通过算例分析对既有半数值解进行对比，亮着具有良好的一致性，结果表明该方法是正确有效的。.（3）在有限元数值计算方面采用基于脆性跌落过程中最小主应力不变的假定，并编制了有限元应变软化计算程序。通过三轴压缩算例验证了程序的正确性。最后将上述研究成果应用于圆形洞室和水电厂房硐室的开挖分析。结果表明，在圆形洞室开挖模拟中，数值结果与解析解具有很好的一致性。在地下厂房硐室开挖研究中，分析了不同本构模型对围岩变形与塑性区的影响。数值模拟计算过程表明，所给出的算法具有良好的计算收敛性和稳定性。.（4）所获得的理论和数值计算方法，在多个软岩煤矿巷道稳定性分析中进行了应用，计算获得的破裂区范围与测试结果基本吻合，并基于此设计了巷道锚喷网支护设计方案，取得了良好的支护效果。