D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2000.05.002 第22卷第5期 北京科技大学学报 Vol.22 No.5 2000年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2000 混凝土结构软岩大巷断裂过程 非线性数值模拟 来兴平) 蔡美峰) 伍永平2) 1)北京科技大学资源工程学院，北京100083 2)西安科技人学，西安710054 摘要引入断裂力学原理，以某混凝土结构副大巷中复杂结构为研究对象，通过相似模拟实验 和现场观测等手段对有关材料物理力学参数进行识别和修正，结合现场矿压观测结果和相似 材料模拟试验结果，对该巷道内部应力破坏敏感部位的内力和变形机理进行了系统的分析、模 拟计算.研究结果对现场支护设计、维护加固和提高岩层稳定程度具有重要的意义， 关键词非线性：软岩大巷：本构模型：数值模拟 分类号TD32文献标识码：A 近年来，矿山岩体采动影响的理论研究取 得了新的进展"，巷道围岩中存在许多微裂纹、 R=[P0HCcosp[aJ-Ccosp. 通常认为塑性区4→0.5.按塑性区体积变 裂隙和断续节理等，巷道开挖后，这些裂纹、节 形为零条件，推演粘弹一塑性围岩中的位移公 理有可能扩展或连通，造成损伤开裂破坏.研究 式.考虑粘弹一塑性界面上位移协调条件，即： 材料在复杂应力状态下的力学特性，建立新的 眼=R, 计算理论和方法是岩土工程学科的主要研究内 容.90年代以来，主要以三轴试验为基础的三 P,()H(P,+C-cosφ1-sinp)R/R0]-C-cos中， 维本构模型处理空间问题的研究，在我国还是 R()-R.)P+C( PG+C·cos中 近几年的事情.本文引入断裂力学原理对某副 2 sino 大巷加固（主要是锚固）进行过程分析，应用数 x=1-sinφ' y=1/x. 值模拟过程分析方法，结合现场实际观测现象 则得： 与相似材料模拟的试验结果，对巷道围岩的变 40-91-er) 4G. 形破坏机理进行了研究，为现场设计和施工提 MR(t) 4G。 expl 供了依据. MR(t) 4Gr 1-expnc) 1本构方程 MR(t)。-t 4Gor exp 1.1围岩塑性区的应力与位移 12开裂区的应力与位移 考虑到在粘弹性巷道围岩中存在许多微裂 由于地质构造、采动、爆破影响，巷道围岩 纹、裂隙及断续节理等，巷道受力后，这些裂纹、 中存在许多微裂纹、裂隙及断续节理等，巷道受 节理有可能扩展或连通.因此，通过平衡方程、 力后，这些裂纹、节理有可能扩展或连通.根据 Mohr-Coulomb塑性条件及弹塑性界面上应力 断裂力学原理进行分析：假设在围岩开裂区中 协调条件，即可求得塑性区应力方程 有2组完全不相切的断续节理，其平均长度为 塑性与开裂区界面上的接触力P()和塑性 a,(i=1,2),其裂隙扩展符合线弹性断裂力学理 区半径R()的关系式) 论，若只考虑剪切破坏，其剪切应力强度因子 =[P(t+Ccosφ] (1+sin)r 为： 1-sinp(R(⑥/ -C.coso, 2000-02-21收稿 K-aa /na 来兴平男，28岁，讲师，博士生 可得围岩裂隙打扩展的临界条件为：第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ’ 混凝土结构软岩大巷 断裂过程 非线性数值模拟 来兴平 ” 蔡美峰 ” 伍永平 ” 北京科技大学资源工程学院 ， 北京 西安科技大学 ， 西安 摘 要 引入 断裂 力学 原理 ， 以某 混凝 土 结构副 大巷 中复杂结构为研 究对 象 ， 通过 相似模拟 实验 和 现场 观测 等手 段对 有 关材 料 物 理 力学 参 数进 行 识 别和 修 正 ， 结合 现场 矿 压 观测 结果 和 相 似 材料模拟试验结 果 ， 对 该巷 道 内部应 力破坏敏 感部位 的 内力和 变形机理 进行 了系统 的分析 、 模 拟 计算 研 究 结果 对现场 支 护 设 计 、 维护 加 固和 提 高岩层 稳 定 程度具 有 重 要 的 意 义 关键 词 非 线 性 软 岩 大 巷 本 构 模 型 数 值 模 拟 分 类 号 犯 文 献标 识 码 近 年 来 ， 矿 山岩 体 采动 影 响 的理 论 研 究取 得 了新 的进 展 ‘ 巷 道 围岩 中存 在 许 多微 裂纹 、 裂 隙和 断续节 理 等 ， 巷 道 开 挖 后 ， 这 些 裂 纹 、 节 理有可 能扩 展 或连 通 ， 造成 损伤 开 裂破坏 研 究 材料 在 复杂应 力状 态 下 的力学特 性 ， 建立 新 的 计 算理论和 方 法 是 岩 土 工 程学 科 的主 要 研 究 内 容 年 代 以来 ， 主 要 以三 轴 试验 为 基 础 的三 维本 构 模型 处 理 空 间 问题 的研 究 ， 在 我 国还 是 近 几年 的事情 「 本 文 引入 断裂力 学 原理对 某副 大巷 加 固 主 要 是 锚 固 进行 过 程 分 析 ， 应 用 数 值 模拟 过 程 分 析 方 法 ， 结 合 现场 实 际 观 测 现 象 与相 似材料模拟 的试验 结 果 ， 对 巷道 围岩 的变 形 破坏 机理进行 了研 究 ， 为现 场 设计 和 施 工 提 供 了依 据 衅 一 〔 · ，〕 渝」 ’ 一 一， · 通 常 认 为 塑 性 区 产 一 按 塑 性 区 体积 变 形 为 零 条 件 ， 推演 粘 弹一塑 性 围岩 中的位 移 公 式 考 虑 粘弹一塑 性界 面 上 位 移 协 调 条件 ， 即 吴二 吴 ， 尸 ，一 。 · ， 一 ，「 。 」 ’ 一 · 。 ， ， 一 。 价 「 一 沪 ’ · 价 二 则得 本构方程 围岩塑性 区的应 力与位移 考虑 到在粘弹 性 巷道 围岩 中存在 许 多微裂 纹 、 裂 隙及 断续节 理 等 ， 巷道受力 后 ， 这 些裂纹 、 节 理 有 可 能 扩 展 或连通 因 此 ， 通 过 平 衡 方程 、 。 址‘ 塑 性 条件 及 弹 塑 性 界 面 上 应 力 协调 条件 ， 即可 求得 塑 性 区 应 力 方 程 塑 性与开 裂 区 界 面上 的接触 力 尸 和 塑性 区 半 径 的关 系 式 〔 。 ， 、 ， 苗 昨 尸， ’ “ 价 仁丢舔八瓦丈司 一 ’ “ 价 ， 一 一 收稿 来 兴 平 男 ， 岁 ， 讲师 ， 博 士 生 ‘ 一 鲁 ‘一 命 · 鲁 影 ， 、 一 臀 ，一 影 漂黔 诺 · 开 裂 区 的应 力与位移 由于 地质 构 造 、 采 动 、 爆 破 影 响 ， 巷 道 围岩 中存在 许 多微 裂纹 、 裂 隙及 断续节 理 等 ， 巷道受 力后 ， 这 些 裂纹 、 节 理 有 可 能扩 展 或 连通 根据 断 裂 力学 原 理进行 分析 假 设在 围岩 开 裂 区 中 有 组 完全 不 相 切 的断续节 理 ， 其平 均长 度为 ‘ 二 ， ， 其 裂 隙扩 展 符合线 弹 性 断裂 力 学理 论 若 只 考 虑 剪 切 破 坏 ， 其 剪 切 应 力 强 度 因子 为 一 罕 、 玩瓦 可得 围岩裂 隙扩展 的临界条件为 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．05．002