压剪荷载下的岩石破坏判据及缓倾斜矿柱强度模型

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地下岩体工程结构经常受到压缩与剪切联合荷载的作用,剪应力集中程度高,结构稳定性差,形成安全隐患。采矿工程中,缓倾斜矿柱是典型的压剪联合受载的支撑结构体。受矿柱倾角的影响,压缩与剪切荷载组合不同,矿柱承载能力差异大。现阶段缺乏有效计算缓倾斜矿柱承载能力的方法,增加了矿柱安全管理难度,亟需就缓倾斜矿柱的安全稳定开展深入研究。采用实验室试验、数值模拟及理论分析等手段,研究压剪荷载联合作用下岩石的变形与强度特性,建立了压剪荷载下随压剪比变化的岩石破坏判据。采用压剪荷载下岩石的破坏判据,引入初始应力比和矿柱倾角,建立了缓倾斜矿柱强度模型。开展了岩石的压剪联合加载试验,揭示了岩石的破坏规律与强度特性。设计了控制斜面倾角(加载角)获得不同压剪比的岩石压剪试验装置,实现了不同压剪比例下岩石的压剪试验。制备了高宽比分别为1.0、1.5及2.0,截面为50 mm ×50 mm的三种规格的试样,分别在不同压剪比例下开展压剪试验,获取试样的强度和破坏模式,拟合了强度随加载角的分布规律。结果表明随着加载角的增大,试样逐渐由轴向劈裂破坏向单斜面剪切破坏转化,强度逐渐减小,表现出对加载角的依赖。建立了压剪荷载下岩石的破坏判据。基于Mohr强度理论,推导了表征压剪荷载下岩石应力状态的应力圆方程,分析表明压剪荷载下岩石的极限应力小于单轴压缩下岩石的极限应力。考虑加载角对岩石强度影响,分别建立了直线、抛物线及双曲线型Mohr强度准则对应的岩石破坏判据。基于直线型Mohr准则建立的破坏判据包含单轴抗压强度、内摩擦角、泊松比以及加载角等四个参数,采用该破坏判据预测了不同压剪比例下岩石的强度,结果与试验吻合。揭示了缓倾斜矿柱的破坏机制和应力演化路径。针对压剪受载的缓倾斜矿柱,采用数值模拟方法,研究了不同倾角和高宽比矿柱的变形与破坏特征。分析了矿柱宽高比和倾角对矿柱变形、强度特性以及破坏模式的影响,揭示了缓倾斜矿柱以渐进性剪坏为主、拉坏为辅的破坏机制,破坏后的矿柱外形呈非对称沙漏状。在Mohr应力空间中,分析了采出比、矿柱倾角以及初始应力比对矿柱应力状态的影响,揭示了矿柱荷载、倾角及初始应力比控制的应力演化路径分别满足直线型、圆弧型及曲线型。建立了包含矿柱倾角和初始应力比的缓倾斜矿柱强度模型。基于压剪荷载下岩石的破坏判据,提出了两种建立缓倾斜矿柱强度模型的方法。一是应用压剪荷载下岩石的破坏判据对垂直矿柱强度模型中的强度参数进行修正,构建缓倾斜矿柱强度模型。二是采用压剪荷载下岩石破坏判据的推导思路,在矿柱平均应力圆中方程中引入矿柱倾角和初始应力比因素,基于岩石强度理论,建立缓倾斜矿柱强度模型。对比分析表明两种方法建立的强度模型一致,均由垂直矿柱强度模型和引入考虑初始应力比、矿柱倾角的无量纲系数构成。应用缓倾斜矿柱强度模型成功预测了缓倾斜矿柱的承载能力。研究建立了压剪受载的缓倾斜矿柱强度模型,拓展了岩石破坏判据应用领域,丰富了岩体强度理论。缓倾斜矿柱强度模型实现了不同压剪比例下矿柱承载能力的准确计算,为矿柱的稳定性分析和安全管理提供了理论支撑。
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