基于偏差应力梯度的矩形巷道围岩方向性失稳判据

《Scientific Reports》：A directional instability criterion for surrounding rock of rectangular roadways driven by deviatoric stress gradient

　　

摘要

地下岩体工程中的矩形巷道在非均匀地应力作用下经常表现出方向性失稳特征。现有判据主要关注应力大小和塑性区形态，但无法定量表征空间应力异质性所诱导的方向性演化。本研究基于偏应力第二不变量的空间梯度提出了一种方向性失稳判据。通过高偏应力区域的梯度加权积分构建方向性指数，以表征潜在的应力场驱动失稳趋势；同时，基于FLAC^3D数值模拟获得的塑性区扩展定义塑性响应指数，以反映当前变形状态，从而形成耦合双指标框架。共分析了侧压力系数和宽高比变化条件下的40个数值算例。结果表明，侧压力增大时，高偏应力区域从侧壁向顶底板转移，破坏模式也随之从以侧壁为主转变为以顶底板为主的失稳。方向性指数主要受应力各向异性控制，而塑性响应指数对岩性非均质性更为敏感。基于一致性最大化框架，围岩失稳模式被划分为四类：侧壁失稳、过渡失稳、顶底板失稳和不一致失稳。金能煤矿102-2巷道的工程验证证实了预测结果与现场观测具有良好的吻合度，并揭示了应力驱动演化与塑性响应之间的异步性。总体而言，所提出的判据通过将应力场驱动趋势与相应的塑性变形响应相联系，为方向性失稳预测提供了一个定量框架。