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原文連結：https://link.springer.com/article/10.1007/s40789-020-00299
創 新 點
1. 新的非連續切向應力（支承壓力）理論求解，包含應力降和峰後破壞全過程
2. 巖石材料力學行為和開挖卸荷行為的本質差異
摘 要
巖石工程中開挖卸荷引起的圍巖破壞始終是引起地下工程災難的重要根源，每年我國井巷工程掘進耗資巨大，而由此引起的支護等安全防護成本不計其數。無論是隧道掘進還是礦產資源開採井巷工程，其防護設計的理論基礎均是圍巖破壞引起的應力重新分布，而關鍵核心或者從0到1的科學問題在於切向應力分布的理論求解。傳統理論均是基於連續彈塑性解，其解的連續性和圍巖破壞非連續顯然是存在天然矛盾的，而這一矛盾的力學模型假設至今仍被廣泛被大家所接受，由此產生的設計等諸多問題被嚴重製約在這一矛盾假設中。另一方面，無論國內還是國外室內各種破壞力學試驗均獲得了完整的峰後曲線，而彈塑性解被人為假設割裂了破壞的完整過程。破壞是一種過程而非簡單的應力狀態，片面的假設導致很多工程問題難以解釋，比如破壞引起的應力降、動力災害發生的能量存儲偏低甚至分區破壞現象等。回顧求解過程，可以發現其制約在於彈塑性假設中預先將塑性判據引入到方程求解中，從而系統上降低自由度，利於方程求解。
不同的塑性判據求解結果並不同，最被廣泛接受的判據是Mohr-Coulomb屈服（破壞），而判據方程的本質是關聯了主應力之間的關係，這一點與事實是不符的。對於地應力分布，三維空間三個主應力之間應是獨立的，即只有應力而無變形。而開挖引起的增量上存在關係，其載體是材料的變形，而連續還是非連續應是不同的，廣義胡克定律並不嚴格適用於塑性或者破壞狀態，其難點在於破壞本質上是連續體向非連續結構體轉換的幾何相變現象。這種相變行為引起的災難就是連續性假設的很多基本概念失效，如泊松比在破壞後明顯大於0.5，材料力學問題到結構幾何問題的轉換仍是極其難的。因此現有解中多是基於材料力學觀點進行宏觀結構平均，而破壞是無法躲避的重要問題。
如何建立破壞過程和切向應力理論解的結合一直是課題組致力攻關的基礎研究方向，因此本文拋棄了傳統意義上的彈塑性解，而從統計力學角度提出了一種新的解決方案，其核心在於將非連續破壞引入到方程求解中，從而獲得破壞後應力降、峰後力學行為等新的切向應力分布。文章基於Mohr圓將塑性判據和破壞判據同時引入到主應力關係判斷中，獲得了幾何相變引起的應力降和幾何結構演化的結構應力降，同時重新解釋了應力開挖過程與傳統室內力學試驗應力加載過程的根本差別，為本質上區分材料力學行為和開採力學行為提供了重要路線。
Abstract: Investigating the stress drop of abutment pressure is the key to a deep quantitative analysis of the discontinuous stress redistribution under mining. In the present study, uniaxial and triaxial compression tests are carried out separately to determine the bulk and shear moduli, the cohesion, and the internal friction angle of the coal samples. By extending the meaning of Mohr’s circle referring to yield stress instead of the maximum principal stress, a yield line is introduced to illustrate the stress drop of Mohr’s circle referring to yield stress instead of the maximum principal stress at the elastoplastic boundary. Furthermore, a theoretical solution of the stress drop as a function of the damage is proposed to investigate how the abutment pressure differs considering the yield line and failure line. In addition, applying the stress drop at the yield line in non-pillar mining, top coal mining, and protective coal mining shows that the damage has a nonlinearly positive influence on the stress drop. The results shows that the bulk modulus and internal friction angle have a more sensitive influence on the stress drop than do the shear modulus and cohesion. Finally, the stress drop is divided into a discontinuous stress drop at the yield line and a structural stress drop at the failure line. The stress drop is effective in describing the discontinuous stress redistribution and shows a clear difference in the movement direction of Mohr’s circle considering the unloading pressure.
文中部分插圖
Fig. 2 Determination of two criteria for a yield line with cohesion 3.47 MPa and internal friction angle 26° and a failure line with cohesion 16.2 MPa and internal friction angle 26°
Fig.3 Comparison of abutment pressure distribution influenced by two lines
Fig. 5 Failure zone with increasing damage of a stress drop and b residual stress
Fig. 7 Qualitative description of stress drop by cohesion and internal friction angle
Fig. 9 Evolution of Mohr's circle considering loading effect
Fig. 10 Mining-induced evolution of Mohr's circle considering unloading effect
作者簡介
薛東傑，中國礦業大學（北京）副教授，北京市優秀人才，越崎青年學者，國際巖石力學學會、中國力學學會、中國巖石力學與工程學會、中國煤炭學會會員，擔任J NAT GAS SCI ENG、煤炭學報等20餘個SCI/EI收錄國內外期刊的經常性審稿人；在眾多國內外知名學術期刊上發表SCI/EI收錄論文40餘篇，申請發明/實用新型專利12項，參編專著2部。作為訪問學者與煤炭資源與安全開採國家重點實驗室、煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室、水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室、煤礦安全高效開採省部共建教育部重點實驗室、深地科學與工程教育部重點實驗室和油氣地下儲庫工程重點實驗室保持長期合作關係。長期從事能源與礦業開發中的巖石力學研究，負責完成國家重點研發計劃子課題、國家自然科學基金青年基金、北京市優秀人才基金、中國博士後科學基金面上項目等橫縱向項目10餘項；作為骨幹成員先後參加國家重大科研儀器研製、科技部973計劃、國家自然科學基金委重點項目、國家自然科學基金面上項目等多項科研課題。曾獲教育部科學技術進步獎一等獎2項（2015年、2019年）。
長期研究方向：
1、非線性巖石力學-非連續支承壓力、逾滲理論
2、非線性滲流力學-非達西滲流表徵、分形分數階理論
3、斷裂力學-近場動力學、相場理論數值模擬
4、非連續空隙結構表徵-低場核磁共振技術
5、人工智慧識別和大數據分析
引用格式：Xue Dongjie, Zhou Jie, Liu Yintong, Gao Lie. On the excavation-induced stress drop in damaged coal considering a coupled yield and failure criterion. International Journal of Coal Science & Technology 2020, 7(1): 58–67.
來源：JCST國際煤炭科學技術學報
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信息提供：陶賽編輯整理：劉暘
審核：畢永華
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