【正文】 時(shí)，巷道上的最大豎向位移也隨之增加。巷道上的最大水平位移也隨之增加，當(dāng)角度再由 90176。在兩側(cè)存在最大壓應(yīng)力。 （ 2）不同尺寸非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎向位移 非連續(xù)結(jié)構(gòu)面為不同尺寸時(shí)圍巖豎向位移云圖如圖 313 所示。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 23 頁 (a)無非連續(xù)結(jié)構(gòu)面 (b)h=25 (c)h=20 (d)h=15 (e)h=10 (f)h=0 (g)h=10 (h)h=15 (i)h=20 (j)h=25 圖 39 不同高度非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎向應(yīng)力 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 24 頁 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 5 10 15 20 253 4 .0 03 4 .2 53 4 .5 03 4 .7 53 5 .0 03 5 .2 53 5 .5 03 5 .7 53 6 .0 0h sy / M pa 圖 310 隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度變化巷道附近最大豎向應(yīng)力 由圖 39 可以看出巷道整體受壓，并且在巷道的兩側(cè)底部出現(xiàn)了最大壓應(yīng)力，豎向應(yīng)力關(guān)于 y 軸對(duì)稱。與 135176。 150176。 ②研究非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸的變化對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響：巖性為砂巖，非連續(xù)結(jié)構(gòu)面距離巷道高度為 10m。 接觸問題按接觸對(duì)象分為兩種基本類型 ：剛體 — 柔體的接觸，柔體 — 柔體的接觸問題。 非連續(xù)結(jié)構(gòu)面圍巖穩(wěn)定性分析的 數(shù)值計(jì)算模型及計(jì)算方案 （ 1）數(shù)值計(jì)算模型 本章根據(jù)工程中常見的馬蹄形斷面巷道，采用 ANSYS 軟件建 立巷道圍巖的平面應(yīng)變模型。 ANSYS 軟件包括前和處理模塊，計(jì)算模塊和模塊后。 Ⅲ . 撕開型（ III 型）由于橫向力偶使上下表面斷向（ z 方向）相對(duì)位移產(chǎn)生橫向扭剪。而裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展的條件是由裂紋擴(kuò)展時(shí)所釋放的彈性應(yīng)變能和形成新表面所吸收的表面能之間的失穩(wěn)現(xiàn)象所引起的。 斷裂力學(xué)圍巖穩(wěn)定性分析的應(yīng)用 斷裂損傷力學(xué)的發(fā)展，是對(duì)經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一個(gè)重要貢獻(xiàn)。在材料力學(xué)中有關(guān)于材料強(qiáng)度破壞決定性因素的各種假說，這些假說也被稱為強(qiáng)度理論。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)用的巖樣就是巖塊。形狀多種，不規(guī)則 散體結(jié)構(gòu) 構(gòu)造破碎帶、強(qiáng)烈的 風(fēng)化帶 裂隙和節(jié)理很發(fā)達(dá)，無規(guī)則 巖屑、碎片、碎塊、巖粉 巖石中普遍存在的結(jié)構(gòu)面，無論是物質(zhì)分異面還是物質(zhì)不連續(xù)面，都會(huì)使結(jié)構(gòu)面兩側(cè)附近的巖石物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)不連 續(xù)變化。在這種情況下，對(duì)巖體工程的安危起主要控制作用的，通常不再是被各種結(jié)構(gòu)面分割的巖石塊體，而主要是巖體中存在的結(jié)構(gòu)面，或者是由巖石和結(jié)構(gòu)面共同控制。然而，任何一種分析方法都不是萬能的、唯一的、排它的，如果能把 2 種或多種方法融合起來，取長補(bǔ)短，則對(duì)問題的分析更有用。 塊體 彈簧元分析法該模型在分析節(jié)理巖體的穩(wěn)定性時(shí)具有一定的優(yōu)點(diǎn) ,可以反映圍巖不連續(xù)的變形和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 塊體單元法是以塊體單元的剛體位移為基本未知量 ,根據(jù)它們?cè)谕饬ψ饔孟碌钠胶庵袊V業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 4 頁 條件、變形協(xié)調(diào)條件及塊體之間夾層材料的本構(gòu)關(guān)系 ,建立起塊體單元法的支配方程 ,用于確定塊體位移及夾層材料的應(yīng)力狀態(tài) [14][15]。但是解析法分析目前多限于深埋的地下工程 ,對(duì)于淺埋隧道圍巖分 析在數(shù)學(xué)處理上存在一定的困難。對(duì)圍巖失穩(wěn)的判斷主要還停留在依靠經(jīng)驗(yàn)的判斷上，建立定量的失穩(wěn)判斷標(biāo)準(zhǔn)仍然需要廣大的研究人員長時(shí)間的艱辛勞動(dòng)。 圍巖在工程中的理論基礎(chǔ)是什么？如何描述？它與人工支護(hù)體的相互作用特征怎樣？這些基礎(chǔ)問題至今仍然未得到解決。其中第二個(gè)內(nèi)容目前主要包括兩個(gè)步驟 :一是用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)進(jìn)行定量化描述和分析；第二是用計(jì)算機(jī)模擬巖體結(jié)構(gòu)，分析其特征。因此研究巷道圍巖穩(wěn)定性的力學(xué)機(jī)理與影響因素，探討其定性定量的規(guī)律，對(duì)工程實(shí)際具有重要的指導(dǎo)作用。 [2]若按同等熱值計(jì)算，燃用天然氣、石油的運(yùn)行成本比燃用動(dòng)力煤成本大得多。近年來，全球經(jīng)濟(jì)迅猛增長，石油 及天然氣價(jià)格明顯上漲，導(dǎo)致全球煤炭需求增長趨勢(shì)越來越明顯，價(jià)格逐步攀升。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 (1)圍巖穩(wěn)定性研究發(fā)展歷史 巷道圍巖穩(wěn)定性分析是圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行全面評(píng)價(jià)的基本方法的其中之一，也是地下工程設(shè)計(jì)中必然進(jìn)行的基礎(chǔ)，也是礦山建設(shè)投資的重要依據(jù)，是進(jìn)行科學(xué)管理與評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益的工具，巷道圍巖穩(wěn)定性分析發(fā)展，歸納起來可認(rèn)為經(jīng)歷了以下四個(gè)階段： 經(jīng)驗(yàn)判定階段 ：在巷道圍巖穩(wěn)定性研究的初期，由于對(duì)巖體的理論基礎(chǔ)和破壞因素認(rèn)識(shí)不足，局限于研究人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) , 嚴(yán)重依賴某單一因素的定性判定階段 [3]。 在巖體結(jié)構(gòu)面的定量化統(tǒng)計(jì)研究方面，國內(nèi)研究人員做了很多的工作，為通過結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律研究奠定了堅(jiān)實(shí)的的基礎(chǔ)。當(dāng)然，計(jì)算技術(shù)與數(shù)學(xué)方法為我們提供了廣闊的應(yīng)用空間，其成熟程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地下工程基礎(chǔ)理論的成熟程度，這就啟示著我們研究工作的重點(diǎn)，這也是我們不可回避的事實(shí)。 這些問題仍然來自于地下工程圍巖穩(wěn)定分析中影響因素的繁多及其復(fù)雜性。 (2)數(shù)值分析方法 在圍巖穩(wěn)定性分析中 ,解析法適用于那些邊界條件較為簡單及介質(zhì)特性簡單的情況。該法特別適用于具有地質(zhì)結(jié)構(gòu)面巖體的穩(wěn)定分析，與有限單 元法相比，可減少未知量個(gè)數(shù)，提高計(jì)算精度和速度。根據(jù)節(jié)理巖體的特性 ,按 彈簧塊體理論模擬節(jié)理巖體中大型地下硐室開挖與錨桿支護(hù)的變形特征 [16]。如：將解析法與數(shù)值方法相結(jié)合的半解析元法被應(yīng)用于模擬雙孔平行隧道施工過程 [21]；模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法也已被應(yīng)用于圍巖的穩(wěn)定性分類中 [22]。在巖石力學(xué)中常用到“巖塊”、“巖體”、“巖石”等術(shù)語，一般地被結(jié)構(gòu)面切割成的巖石塊體或從地殼巖層中切取出來的無顯著軟弱面的巖石塊體稱為巖塊，而把自然埋藏條件下的大范圍分布的由巖塊和各種結(jié)構(gòu)面（軟弱面）網(wǎng)絡(luò)組成的地質(zhì)體稱為巖體。巖石裂隙性的情況，通常采用裂隙頻率作為定量評(píng)價(jià)巖石被裂隙切割后破碎程度的指標(biāo)。巖體是指地質(zhì)體的一部分。分別是： （ 1）解釋材料強(qiáng)度理論 —— 脆性斷裂的最大拉伸應(yīng)力，拉伸應(yīng)變理論 （ 2）塑性屈服強(qiáng)度理論 —— 最大剪應(yīng)力，有效剪應(yīng)力理論 但是，由于（巖面）材料的破壞，從微觀顆粒脫離情況而言，不外遠(yuǎn)離、錯(cuò)開兩種可能，物體破壞只有拉壞和剪壞兩種。它們是 把介質(zhì)看成是存在許多缺陷和裂紋的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。 他將含有裂紋的受力系統(tǒng)分為兩類： ：物體在外力作用下產(chǎn)生彈性應(yīng)變能，應(yīng)變能并且被儲(chǔ)存下來，如果物體受力出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象或者裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，則儲(chǔ)存在物體內(nèi)的彈性應(yīng)變能將有一部分被釋放出來或轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。 本課題主要探討的是Ⅱ型裂紋，裂紋尖端附近應(yīng)力場與位移場的主要表達(dá)式為： 圖 27Ⅰ型裂紋 ? ?? ??????????????????????????????????????23c o s2c o s322823s i n2s i n322823s i n2s i n12c o s223c o s2s i n2c o s223c o s2c o s22s i n2???????????????????????krKvkrKurKrKrKIIIIIIxyIIyIIx () 這里： 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 15 頁 ]2[lim,143(430,rKKxrrkGxyrIIII????????? ???????????其定義為型應(yīng)力強(qiáng)度因子—軸（裂紋長軸）夾角矢量與—與裂紋尖端的距離—泊桑比—（平面應(yīng)力）平面應(yīng)變）—表示）剪切模量（以前用— (2)斷裂判據(jù) 在復(fù)雜荷載作 用下，如何判斷裂紋是否開裂，這就需要象強(qiáng)度理論一樣的斷裂判據(jù)理論。并且 ANSYS 產(chǎn)品家族中有七種結(jié) 構(gòu)分析的類型：靜力分析、模態(tài)分析、諧波分析、瞬態(tài)動(dòng)力分析、譜分析、屈服分析、顯示動(dòng)力分析。斷面尺寸為跨度 8m、高度 8m，根據(jù)巷道圍巖開挖后影響區(qū)域的相對(duì)局部性，取計(jì)算模型尺寸為斷面的 5~8 倍，為 2m6060? 。在一般情況下，軟材料和硬材料接觸時(shí)，問題可以被認(rèn)為剛體 — 柔體的接觸，許多金屬成形問題都屬于此類接觸；另一類，柔體 — 柔體的接觸，是一種更普遍的類型，在這種情況下，兩個(gè)接觸體都是變形體（有近似的剛度）。分別考慮非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸： 60m、 45m、 30m、 、 18m、15m、依次模擬非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響。依次模擬非連續(xù)結(jié)構(gòu)面角度對(duì)巷道的影響。； 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 20 頁 由圖 34 可以看出，當(dāng)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面靠近巷道，但是并未貫穿巷道時(shí)，巷道上的最大橫向位移有明顯增加；遠(yuǎn)離巷道時(shí)，巷道上最大位移就明顯減少；但是當(dāng)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面貫穿巷道時(shí)，巷道上 最大位移明顯減少。由圖 310 可以看出，當(dāng)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面靠近巷道，但是并未貫穿巷道時(shí)，越靠近巷道，巷道上最大的豎向應(yīng)力越大；當(dāng)非連續(xù)面貫穿巷道時(shí)，出現(xiàn)了巷道上的壓應(yīng)力卻最小。 (a)w=15 (b)w=18 (c)w= (d)w=30 (e)w=45 (f)w=60 圖 313 不同尺寸非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎向位移 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 26 頁 1 0 .0 1 2 .5 1 5 .0 1 7 .5 2 0 .0 2 2 .5 2 5 .0 2 7 .5 3 0 .0 3 2 .5 3 5 .0 3 7 .5 4 0 .0 4 2 .5 4 5 .07 .7 07 .7 17 .7 27 .7 37 .7 47 .7 57 .7 67 .7 77 .7 87 .7 97 .8 07 .8 17 .8 27 .8 37 .8 47 .8 57 .8 67 .8 77 .8 87 .8 9w i d t h u y / cm 圖 314 隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸變化巷道附近最大豎向位移 由圖 313 可以看出：隨著圍巖深度的增加，圍巖的豎 向位移隨著慢慢減少，所以巷道最大的豎向位移在其頂部。由圖 316 可以看出：隨著非連續(xù)結(jié)構(gòu)面增加，巷道上最大豎向應(yīng)力也在逐漸增加，但是增加到 30m后，非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的尺寸再增加，最大豎向位移反而隨之減小。到 180176。當(dāng)角度再由 90176。增加到 90176。到 90176。 (a)w=15 (b)w=18 (c)w= (d)w=30 (e)w=45 (f)w=60 圖 315 不同尺寸非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎直應(yīng)力 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 28 頁 10 15 20 25 30 35 40 453 3 .0 03 3 .2 53 3 .5 03 3 .7 53 4 .0 03 4 .2 53 4 .5 03 4 .7 53 5 .0 03 5 .2 53 5 .5 03 5 .7 53 6 .0 0w i d t h sy / M pa 圖 316 隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸變化巷道附近最大豎向應(yīng)力 由圖 315 可以看出：巷道整體受壓，并且豎向應(yīng)力分布關(guān)于 y 軸對(duì)稱。由圖 312 可以看出，隨著非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸的增加，巷道上的最大水平位移也隨之逐步增加。 （ 2）巷道圍巖的鉛垂應(yīng)力 非連續(xù)結(jié)構(gòu)面處于不同高度時(shí)圍巖豎向應(yīng)力云圖如圖 39