Подать статью
Стать рецензентом
EN
Том 276 Вып. 2
Страницы:
107-122
В печати
Научная статья
Геотехнология и инженерная геология

Прогноз предельного состояния и дилатансии пород вокруг горных выработок

Авторы:
А. Г. Протосеня1
М. А. Карасев2
Н. А. Беляков3
П. К. Тулин4
Об авторах
  • 1 — д-р техн. наук заведующий кафедрой Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II ▪ Orcid
  • 2 — д-р техн. наук профессор Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II ▪ Orcid
  • 3 — канд. техн. наук доцент Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II ▪ Orcid
  • 4 — канд. техн. наук доцент Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II ▪ Orcid
Дата отправки:
2024-07-11
Дата принятия:
2025-10-09
Дата публикации онлайн:
2025-11-26

Аннотация

Цель работы – совершенствование метода прогноза геомеханических процессов при строительстве горных выработок в упругопластическом породном массиве с дилатансией. Приведены результаты экспериментальных исследований объемной прочности горных пород и особенностей развития объемных деформаций при пластическом сдвиге. Показано проявление дилатансии горных пород, представлены диаграммы изменения объемных деформаций пластического сдвига при различной величине достигнутых сдвиговых деформаций. Выполнена обработка результатов испытаний горных пород с использованием условия пластичности А.Н.Ставрогина. Предложено новое аналитическое решение задачи прогноза напряженно-деформированного состояния породного массива в зоне развития неупругих деформаций на основании условия пластичности А.Н.Ставрогина, в том числе уравнения для расчета зоны предельного состояния пород в окрестности горной выработки. Представлен алгоритм прогноза напряженно-деформированного состояния породного массива. Изучены закономерности связи размеров зоны предельного состояния породного массива в окрестности горной выработки с параметрами дилатансии горных пород, коэффициентом бокового распора и глубиной заложения выработки. Исследован характер развития смещений контура горной выработки кругового очертания в постановке плоской деформации при различных параметрах условия пластичности и показателях дилатансии горных пород. Выполнено внедрение условия пластичности А.Н.Ставрогина в программный комплекс Abaqus. Результаты исследований позволили установить область применения аналитического решения. Оно сохраняет физический смысл только при формировании зоны предельного состояния в окрестности всего контура горной выработки. Представленный подход к численному решению не содержит это ограничение и может распространяться на произвольное геомеханическое состояние породного массива и на любую форму сечения горной выработки.

Область исследования:
Геотехнология и инженерная геология
Ключевые слова:
горная порода прочность условие пластичности дилатансия неупругое деформирование смещения контура горная выработка геомеханическая модель
Перейти к тому 276

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 23-17-00144).

Литература

  1. Басалаева П.В., Куранов А.Д. Оценка влияния угла падения литологически неоднородной прослойки пород на устойчивость горизонтальной горной выработки при ее проходке // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2024. № 3. С. 17-30. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_3_0_17
  2. Беликов А.А., Беляков Н.А. Методика прогноза напряженно-деформированного состояния междукамерных целиков, закрепленных податливой тросовой крепью // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023. № 4. С. 20-34. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_4_0_20
  3. Деменков П.А., Романова Е.Л., Котиков Д.А. Исследование формирования напряженно-деформированного состояния крепи вертикального ствола и вмещающего массива горных пород в условиях неравномерности его контура // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023. № 11. С. 33-48. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_11_0_33
  4. Протосеня А.Г., Карасев М.А., Беляков Н.А. Упруго-пластическая задача для выработок различных форм поперечных сечений при условии предельного равновесия Кулона // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2016. № 1. С. 71-81.
  5. Господариков А.П., Зацепин М.А. Математическое моделирование нелинейных краевых задач геомеханики // Горный журнал. 2019. № 12. С. 16-20. DOI: 10.17580/gzh.2019.12.03
  6. Ильинов М.Д., Коршунов В.А., Поспехов Г.Б., Шоков А.Н. Комплексные экспериментальные исследования механических свойств горных пород: проблемы и пути их решения // Горный журнал. 2023. № 5. С. 11-18. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.02
  7. Господариков А.П., Киркин А.П., Трофимов А.В., Ковалевский В.Н. Определение физико-механических свойств горных пород при применении противоударных разгрузочных мероприятий // Горный журнал. 2023. № 1. С. 26-34. DOI: 10.17580/gzh.2023.01.04
  8. Коршунов В.А., Павлович А.А., Бажуков А.А. Оценка сдвиговой прочности горных пород по трещинам на основе результатов испытаний образцов сферическими инденторами // Записки Горного института. 2023. Т. 262. С. 606-618. DOI: 10.31897/PMI.2023.16
  9. Вербило П.Э., Вильнер М.А. Изучение анизотропии прочности и масштабного эффекта трещиноватого массива горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022. № 6-2. С. 47-59. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_47
  10. Ильинов М.Д., Петров Д.Н., Карманский Д.А., Селихов А.А. Аспекты физического моделирования процессов структурных изменений образцов горных пород при термобарических условиях больших глубин // Горные науки и технологии. 2023. Т. 8. № 4. С. 290-302. DOI: 10.17073/2500-0632-2023-09-150
  11. Schwartzkopff A.K., Sainoki A., Bruning T., Karakus M. A conceptual three-dimensional frictional model to predict the effect of the intermediate principal stress based on the Mohr-Coulomb and Hoek-Brown failure criteria // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2023. Vol. 172. № 105605. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2023.105605
  12. Naiyu Liu, Puhui Chen. A failure envelope proposal based on the analysis of the requirements of nonlinear Mohr-Coulomb criteria // Mechanics Research Communications. 2023. Vol. 129. № 104086. DOI: 10.1016/j.mechrescom.2023.104086
  13. Jianbin Tang, Xi Chen, Liusheng Cui, Zongqi Liu. Strain localization of Mohr-Coulomb soils with non-associated plasticity based on micropolar continuum theory // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2023. Vol. 15. Iss. 12. P. 3316-3327. DOI: 10.1016/j.jrmge.2023.02.029
  14. Трушко В.Л., Баева Е.К. Обоснование рациональных параметров крепи комплекса горных выработок, проводимых в сложных горно-геологических условиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023. № 12. С. 55-69. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_12_0_55
  15. Pin-Qiang Mo, Hai-Sui Yu. Plasticity Solutions of an Undrained Cavity Contraction for the Prediction of Soil Behaviour around Tunnels // Fourth Geo-China International Conference, 25-27 July 2016, Shandong, China. American Society of Civil Engineers, 2016. P. 150-157. DOI: 10.1061/9780784480038.019
  16. Yu-Lin Lee, Chih-Sheng Chen, Tseng-Hsing Hsu, Chi-Min Lee. Explicit Analysis for the Ground Reaction of a Circular Tunnel Excavated in Anisotropic Stress Fields based on Hoek–Brown Failure Criterion // Mathematics. 2024. Vol. 12. Iss. 17. № 2689. DOI: 10.3390/math12172689
  17. Kai Guan, Quanyun Zhang, Honglei Liu, Wancheng Zhu. A New Numerical Procedure for the Excavation Response in Mohr–Coulomb Rock Mass Exhibiting Strain-Softening Behavior // Frontiers in Earth Science. 2022. Vol. 10. № 872792. DOI: 10.3389/feart.2022.872792
  18. Yong Li, Shugang Cao, Nicholas Fantuzzi, Yanbao Liu. Elasto-plastic analysis of a circular borehole in elastic-strain softening coal seams // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2015. Vol. 80. P. 316-324. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2015.10.002
  19. Jin-feng Zou, Shuai-shuai Li, Yuan Xu et al. Theoretical solutions for a circular opening in an elastic–brittle–plastic rock mass incorporating the out-of-plane stress and seepage force // KSCE Journal of Civil Engineering. 2016. Vol. 20. Iss. 2. P. 687-701. DOI: 10.1007/s12205-015-0789-y
  20. Yuming Sheng, Peng Li, Shutong Yang, Jinfeng Zou. Elastoplastic solutions for deep-buried twin tunnels with arbitrary shapes and various arrangements under biaxial in-situ stress field based on Mohr-Coulomb and generalized Hoek-Brown criteria // Computers and Geotechnics. 2024. Vol. 165. № 105896. DOI: 10.1016/j.compgeo.2023.105896
  21. Tianzheng Li, Wenping Gong, Xiaoli Yang. Stability analysis of a non-circular tunnel face in soils characterized by modified Mohr-Coulomb yield criterion // Tunnelling and Underground Space Technology. 2021. Vol. 109. № 103785. DOI: 10.1016/j.tust.2020.103785
  22. Yuming Sheng, Jinfeng Zou, Yuepeng Dong, Guang-Hui Chen. Novel perturbation solutions for deep-buried non-circular tunnels under biaxial in situ stress field based on Mohr-Coulomb criterion // Applied Mathematical Modelling. 2022. Vol. 110. P. 408-440. DOI: 10.1016/j.apm.2022.06.006
  23. Zenghui Zhao, Wei Sun, Shaojie Chen et al. Displacement of surrounding rock in a deep circular hole considering double moduli and strength-stiffness degradation // Applied Mathematics and Mechanics. 2020. Vol. 41. Iss. 12. P. 1847-1860. DOI: 10.1007/s10483-020-2665-9
  24. Hongying Wang, Qiang Zhang, Peinan Wu et al. Elastoplastic solution of a circular tunnel in surrounding rock with any nonlinear yield criteria and plastic flow envelopes // Computers and Geotechnics. 2024. Vol. 166. № 105954. DOI: 10.1016/j.compgeo.2023.105954
  25. Yiouta-Mitra P., Sakurai S. Critical strain method incorporating calculation of equivalent H-B strength parameters for back analysis during tunnel excavation // Tunnelling and Underground Space Technology. 2023. Vol. 140. № 105252. DOI: 10.1016/j.tust.2023.105252
  26. Baotang Shen, Jingyu Shi, Barton N. An approximate nonlinear modified Mohr-Coulomb shear strength criterion with critical state for intact rocks // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2018. Vol. 10. Iss. 4. P. 645-652. DOI: 10.1016/j.jrmge.2018.04.002
  27. Pei-Zhi Zhuang, Hai-Sui Yu. Two-dimensional elastoplastic analysis of cylindrical cavity problems in Tresca materials // International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 2019. Vol. 43. Iss. 8. P. 1612-1633. DOI: 10.1002/nag.2925
  28. Xiongfei Yang, Hong Yuan, Jiayu Wu, Shanqing Li. Elastoplastic Analysis of Circular Tunnel Based on Drucker–Prager Criterion // Advances in Civil Engineering. 2018. Vol. 2018. № 5149789. DOI: 10.1155/2018/5149789
  29. Zareifard M.R. Ground response curve of deep circular tunnel in rock mass exhibiting Hoek–Brown strain-softening behaviour considering the dead weight loading // European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2021. Vol. 25. Iss. 14. P. 2509-2539. DOI: 10.1080/19648189.2019.1632745
  30. Pijush Pal Roy, S. Rama Raju, Dipankar Chattopadhyay. An Overview of Tunnel Support Systems under Squeezing Rock Condition in Arun Hydroelectric Project, Stage-III, Eastern Nepal // SSRN. 2023. 15 p. DOI: 10.2139/ssrn.4461004
  31. Chen Xu, Sheng Wang, Caichu Xia. Analytical prediction for time-dependent interaction of a circular tunnel excavated in strain-softening rock mass // Rock Mechanics Bulletin. 2024. Vol. 3. Iss. 3. № 100127. DOI: 10.1016/j.rockmb.2024.100127
  32. Vrakas A., Anagnostou G. A finite strain closed-form solution for the elastoplastic ground response curve in tunnelling // International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 2014. Vol. 38. Iss. 11. P. 1131-1148. DOI: 10.1002/nag.2250
  33. Vrakas A., Anagnostou G. Finite strain elastoplastic solutions for the undrained ground response curve in tunnelling // International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 2015. Vol. 39. Iss. 7. P. 738-761. DOI: 10.1002/nag.2335
  34. Galindo R.A., Serrano A., Olalla C. Ultimate bearing capacity of rock masses based on modified Mohr-Coulomb strength criterion // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2017. Vol. 93. P. 215-225. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2016.12.017
  35. Arora K., Gutierrez M. Viscous-elastic-plastic response of tunnels in squeezing ground conditions: Analytical modeling and experimental validation // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2021. Vol. 146. № 104888. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2021.104888
  36. Yaocai Ma, Aizhong Lu, Hui Cai, Xiangtai Zeng. A semi-analytical method for elastic-plastic analysis of a deep-buried elliptical tunnel // Computers and Geotechnics. 2022. Vol. 142. № 104589. DOI: 10.1016/j.compgeo.2021.104589
  37. Yaocai Ma, Aizhong Lu, Hui Cai, Xiangtai Zeng. Analytical solution for determining the plastic zones around two unequal circular tunnels // Tunnelling and Underground Space Technology. 2022. Vol. 120. № 104267. DOI: 10.1016/j.tust.2021.104267
Статистика
Просмотр аннотаций
48
Просмотр полного текста
21
Процитировано
Scopus:
0
Crossref:
0
Меню статьи

Похожие статьи

Гранулометрия в рамках кинематической теории преобразования открытых систем
2025 И. А. Мельник
Результаты исследования петрофизических свойств, механических и прочностных характеристик калькаренитовых пород
2025 Дж. Ф. Андриани
Сорбция золота на модифицированном сапоните
2025 В. А. Чантурия, В. Г. Миненко, А. Л. Самусев
О необходимости совершенствования методов трехосных испытаний при исследовании механического поведения соляных пород и геоматериалов
2025 Е. Я. Козловский, М. А. Журавков, С. И. Богдан
Особенности и информативные возможности раннерадиального режима на КВД в горизонтальных скважинах с близко расположенными трещинами МГРП
2025 Т. А. Абрамов, И. М. Индрупский
Условия кристаллизации хлоридов при скважинной эксплуатации предельно насыщенных литиеносных рассолов на юге Сибирской платформы
2025 А. В. Сергеева, А. В. Кирюхин, А. Г. Вахромеев, С. Б. Коротков, М. А. Данилова, Е. В. Карташева, А. А. Кузьмина, М. А. Назарова