破碎围岩扩孔的非线性解析：应力场与塑性区研究

破碎围岩中的扩孔问题是一个关键的工程挑战，尤其是在地下挖掘、隧道建设等场合，因为破碎岩石的特性会导致复杂的力学行为。本文由邹金锋博士撰写，针对这一问题提供了非线性解析的研究。首先，论文将圆孔周围区域划分为弹性应力区和塑性应力区，这是基于岩石在受力后的剪胀性，这是一种岩石在剪切应力作用下体积发生变化的现象。 邹金锋利用了Hoek-Brown非线性强度准则，这是一个广泛应用于岩石力学中的强度判据，它考虑了岩石的非线性行为，特别是其强度随应力增加而可能发生的改变。同时，论文也遵循了应力平衡条件，确保了整个系统在扩张过程中力学上的合理性。 论文的核心贡献是得到了破碎围岩中扩孔问题的应力和位移场的理论解，以及塑性区范围的理论模型。研究发现，随着参数GSI（一般应力指数）的增大，非线性准则下的应力场呈现出逐渐减小的趋势，当GSI超过50时，扩孔产生的应力影响显著减弱。此外，对于不同的孔型（如柱形和球形），柱形扩孔形成的塑性区范围要大于球形，且剪胀性对塑性区内的应力场有显著的减小效果。 进一步，文章对比了极限扩孔压力的数值解与Vesic理论的结果，发现非线性强度准则下的极限扩孔压力具有较大的变化区间，这与传统的线性假设相比，更准确地反映了实际工程中的复杂性。这些理论成果对于理解和预测破碎围岩中扩孔行为，优化施工方法，确保地下工程的安全性具有重要意义。 邹金锋的这篇首发论文提供了一种非线性解析方法，有助于工程师在面对破碎围岩扩孔问题时做出更为精确的决策，并为岩土工程领域的理论发展做出了贡献。通过深入理解岩石的剪胀性和非线性强度行为，可以有效预防和控制在碎岩中进行钻孔作业时可能引发的地质灾害。