不同压剪应力比作用下节理类岩石材料破坏模式的试验研究

通过对含充填节理类岩石材料试件进行变角度压剪试验,探究不同压剪应力比作用下节理倾角对岩体破坏模式的影响。定义削弱度,分析节理倾角对岩体抗剪强度的影响。研究结果表明:不同压剪应力比影响试件的初始破坏模式,最终破坏由过大剪切位移所致,并且节理倾角决定试件破坏后的形态;压剪应力比越大,同角度节理试件的抗剪强度越大;在相同压剪应力比下,与无节理试件抗剪强度相比,节理会削弱试件的抗剪强度,倾角不同,削弱度不同。     

不同充填厚度节理面剪切破坏宏细观机理研究

为了研究不同充填厚度下节理面的剪切破坏行为和强度特性,综合前人对充填节理的试验与理论成果,考虑天然岩体复合结构的不规则粗糙表面形态,对实验室制备的类岩石材料充填节理试件进行室内剪切试验,并采用数值方法进行模拟验证。对比实验结果和模拟结果,从宏观和细观角度分析了充填节理的变形特性及破坏行为,研究了充填厚度对节理面剪切强度的影响关系。研究结果表明:在同一粗糙度下,不同厚度充填节理的破坏模式没有明显区别,主要表现为粘结面的破坏;在较小粗糙度下,充填节理的剪切峰值强度和残余强度均随着充填厚度的增加有一定程度的降低,但变化不大;在较小粗糙度和较小充填厚度下,试件沿与节理面起伏较大处成一定角度产生裂隙并逐渐贯通至试件底部,充填厚度增加,仍会产生裂隙,但不会贯通。     

不同角度充填节理花岗岩剪切裂纹扩展规律及断裂机制研究

增强型地热系统储层中岩体节理通常含有充填物,充填节理的剪切力学行为直接影响储层渗透性及连通性。基于不同角度充填节理花岗岩直剪试验,研究了充填节理花岗岩剪切破坏的力学特性、损伤变量演化及裂纹扩展规律。结果表明：充填物及节理角度影响花岗岩抗剪强度,表现为充填物改变裂纹扩展介质,节理角度影响花岗岩剪切时节理面的受力状态;充填节理花岗岩损伤破坏过程分为裂纹闭合、裂纹萌生发育、裂纹扩展破坏3个阶段,损伤变量随着损伤过程进行呈不断增大趋势;节理花岗岩剪切裂纹扩展方向可分为水平方向及平行节理方向,0°与90°节理试件剪切裂纹沿水平方向扩展直至贯通试件,30°、45°与60°节理试件剪切裂纹扩展方向与自身节理角度一致。     

压剪作用下节理倾角对类岩石材料破坏模式的影响

采用在水泥砂浆初凝前预埋云母片的方法制作含不同分布形态的充填节理试件,并对试件进行压剪试验,探究压剪复合作用下节理倾角对岩体破坏模式的影响及节理岩体破坏机理。应用RFPA2D有限元程序建立相应的数值模型,进行数值计算。试验和数值模拟结果表明:节理倾角对试件初始破坏时翼裂纹的产生位置和最终破坏形态都有显著影响;不同倾角的节理在不同程度上弱化了类岩石试件的抗剪强度,节理倾角为15°时抗剪强度最小,而60°时最大;节理倾角小于45°时,试件破坏所需剪切位移小于无节理试件破坏时的剪切位移,节理倾角大于或等于45°时大于无节理试件破坏时的剪切位移。     

复杂节理面剪切强度和变形特征的数值分析

采用FLAC~(3D)软件建立三维节理试样模型,分析不同表面形态和边界条件对节理强度和变形特征的影响.研究结果表明:当节理而起伏角较小时,试样剪切强度与正应力之间符合Mohr-Coulomb线性关系,起伏角对内摩擦角的影响大于对黏结力的影响;随着起伏角的增大,剪切强度与正应力之间逐渐呈非线性关系特征;通过抛物线方程对其进行拟合,可得到较高的相关性,并且节理的破坏模式从滑移破坏转变为沿节理面滑移和锯齿压剪碎裂的复合破坏;峰值强度与残余强度之比随正应力的增大而逐渐减小,减小趋势符合指数规律,同时,试样的各向异性逐渐减弱,剪切刚度不断增大.     

平行节理相互作用对节理岩体的力学行为影响

以类岩材料制作平行节理试样并开展压剪实验,采用声发射系统监测试样加载过程,研究节理相互作用对岩体力学行为的影响。研究结果表明:1)节理试样在压剪加载下可分4种破坏模式:共面剪切破坏;沿节理面剪切破坏;沿剪切应力面剪切破坏;类完整型剪切破坏。倾角对试样破坏模式起决定性作用,重叠度影响试样裂隙的发育。2)试样峰值剪切强度随倾角增加先增大后减小并在45°取得最大值;随着节理重叠度的增大,峰值剪切强度逐渐减小;剪切峰值强度对倾角因素更敏感。3)不同倾角试样的剪切应力-位移曲线差异主要体现在破裂后阶段,试样的声发射计数变化规律与破坏模式相对应;不同重叠度试样应力-位移曲线形态相似,试样的声发射计数变化规律相似,但计数峰值随重叠度的增大逐渐减小。     

充填节理岩体中应力波传播特性研究

在考虑节理接触面与充填材料共同变形的前提下,文章基于时域递归法推导了应力波在充填节理处的传播方程,并对其进行了对比验证;分析了节理接触界面刚度、节理厚度及入射角度对波在充填节理处传播特性的影响规律;依据应力均匀性假定,将充填节理简化为不考虑厚度的位移不连续模型,考察了充填节理法向与切向力学性质的变化规律。结果表明:所推导的波传播方程计算值与相关研究结果吻合较好,通过迭代可求出反射波与透射波的数值解;在相同的节理厚度和波入射角度下,透射系数随节理接触界面刚度的增加而增大,反射系数则逐渐减小;不同节理厚度下等效法向与切向刚度均随接触面刚度的增加而增大,而随节理厚度增加,等效法向与切向刚度呈降低趋势。研究结果对揭示应力波在节理岩体中传播规律具有一定参考价值。     

节理特性对岩体力学性能的影响

采用颗粒流模拟研究单轴压缩下节理特性对试件宏观力学参数、能量及波传播规律的影响,揭示裂纹扩展演化机理及破坏模式的变化规律,定义细观节理刚度比和强度比反映节理力学特性。研究结果表明:峰值强度、弹性模量、起裂应力随节理厚度增加、刚度比的下降而不断减小,泊松比随节理厚度增加而大幅度增加,节理强度比直接影响峰值强度;与张开节理相比,节理充填物降低尖端应力集中,导致试件损伤破坏程度及破坏模式的改变,同时引起宏观力学参数增大,并随节理刚度减小,逐渐趋近前者。通过在模型内设置激发源和接收器,对激发源施加速度脉冲模拟剪切波和压缩波的传播过程,节理对波幅影响远大于波速,充填节理透射系数明显大于张开节理透射系数,前者随厚度增加衰减更快,与纵波相比,横波随节理弱化衰减较快。     

不同厚度充填体-围岩组合体力学性质及损伤本构

为探究充填体厚度变化对充填体-围岩组合体力学性能的影响规律,开展了5种不同厚度充填体-围岩组合体试件单轴压缩试验,结合数字散斑技术对试件破坏模式的变化进行分析,建立考虑峰后应变软化阶段的分段式损伤本构模型对全过程应力—应变关系进行描述。分析结果表明,充填体厚度变化对组合试件力学性能与破坏模式影响显著。随着充填体厚度由0 mm增加至100 mm,试件峰值强度由94.6 MPa呈指数关系下降至10.1 MPa、峰值应变由0.30下降至0.06,弹性模量呈先下降后上升变化趋势;利用数字散斑技术分析发现,随着充填体厚度增加,破坏模式逐渐由脆性剪切破坏过渡为拉剪复合破坏,最终发展为由充填体内部发生 X 型剪切破坏而引起的拉伸劈裂破坏;通过改变分段式损伤本构模型的分布参数与修正系数,可较好的表征不同充填体厚度试件的全过程应力—应变曲线,利用文献[26]数据进行验证,发现模型适用性较好;充填体厚度越大,由充填体存在而引起的试样初始损伤越大,达到峰值应变时,损伤变量 D未达到1,试件延性破坏特征越明显,破坏后残余强度越高。     

共面断续节理岩体直剪强度特性模型

采用理论分析和模型试验相结合方法,对共面闭合断续节理岩体直剪强度特性进行分析和研究.引入法向变形协调条件,基于Mohr-Coulomb理论,推导共面断续节理岩体模型的直剪强度公式.模型试验表明:全应力-应变曲线主要经历了线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏和残余强度5个阶段;剪切应力峰值和残余强度都随正应力的增大而增大,而变形特性随正应力的变化规律性不强;抗剪峰值强度随节理连通率的增大而减小,低连通率时强度下降速度慢;节理分布形态对强度也有影响,节理在两边分布的试样强度普遍高于节理在中间的;理论计算结果与试验值吻合较好,能较好描述共面断续节理岩体的直剪强度特征.     

考虑剪切方向的改进Barton模型

为研究节理在剪切过程中的方向性和剪切强度规律，利用直剪仪对复制岩石节理试样进行了爬坡和顺坡两个方向的直剪试验。试验结果表明：剪切方向对岩石节理的剪切强度有明显影响，沿爬坡方向的剪切强度大于沿顺坡方向，但粗糙度系数（joint roughness coefficient，JRC)的减小和法向应力的增大可在一定程度上削弱剪切方向的影响。节理剪切破坏过程具有显著的阶段性特征，中低法向应力条件下以爬坡滑移为主要机制，而高法向应力下以相互啃食和凸起啃断为主要机制。采用平均有效倾角差指标参数描述剪切强度的各向异性，并在此基础上提出了考虑剪切方向的改进剪切强度模型，更好地预测节理正、反方向的剪切强度。通过百分位数参数建立了三维形貌指标与端部轮廓线二维高差指标的联系，大大简化了节理形貌指标的获取难度。该模型参数较少容易获取，物理意义明确，且把岩石节理剪切强度的各向异性考虑在内，具有广阔的潜在工程应用前景。     

基于三维重构的原岩硬性结构面抗剪强度

节理面形貌特征是影响岩石节理面剪切破坏的重要因素。具有相同形貌特征的岩石节理面,沿不同剪切方向其力学行为存在差异性。结合三维激光扫描和3D打印技术,针对天然节理岩石的表面形貌进行逆向处理,将其制备为不同剪切方向的人工节理试样,并进行5种法向应力条件下的直剪试验。依据室内试验结果与理论分析,提出了定量计算节理面三维粗糙度与沿剪切方向接触面积有效系数值的方法,建立了不同剪切方向下含有三维形貌参数的抗剪强度模型。结果表明,影响剪胀角的因素与节理面的粗糙度系数和沿剪切方向接触面积有效系数值有关;沿不同的剪切方向会得到不同的剪胀角。基于剪切破坏的爬升和摩擦效应理论,并利用非线性拟合方法,得到峰值剪胀角的变化规律。最后,与已有的Barton抗剪强度公式进行对比分析,进而验证了该方法的合理性。     

节理岩体的随机剪切破环

提出的节理岩体剪切强度准则,考虑了节理面、岩桥提供的强度分量和相邻节理面形成的起伏角提供的强度分量。讨论了节理面和节理岩体发生剪切破坏时某些关键应力状态必须满足的物理约束条件。此外,强度准则中的参数可以是随机变量,所以可以用于随机模型中的破坏概率分析和工程的风险分析。     

反倾层状岩质边坡变形破坏的颗粒流模拟研究

基于颗粒流程序对反倾层状岩质边坡变形破坏过程进行模拟,并考虑岩体结构面参数(岩层倾角、层厚及层理剪切强度)对其变形破坏机制的影响。数值模拟结果表明:边坡岩层的主要变形破坏方式为弯曲变形、折断破坏,变形首先发生在坡顶,而破坏是从坡脚开始,边坡的变形破坏过程具有明显的悬臂梁特征;岩层倾角对反倾岩质边坡整体性失稳破坏方式有较大影响,随着岩层倾角的增大,边坡后期整体性破坏方式由滑移型逐渐过渡为倾倒型破坏,坡体内部岩体出现变形及破裂损伤的深度也逐渐增加;随着岩层厚度增加,坡脚岩体抗折断能力增强,破坏方式由折断破坏向剪切破坏发展,边坡后期的整体性破坏方式也由滑移型向倾倒型过渡;岩层层面剪切强度是影响边坡变形的重要因素,层面剪切强度越小,边坡发生弯曲变形的程度越大。     

基于H-B强度理论的桩端岩层安全厚度确定

针对岩溶区桩端岩层安全厚度确定中存在的问题,引入能综合考虑岩体质量及三向应力的影响的Hoek-Brown岩体经验强度准则,确定了岩体抗拉强度计算公式,并采用Lambe变换,建立了较为实用的岩体剪切破坏强度公式.基于桩端岩体破坏模式,确定了桩端岩层安全厚度的计算方法.参数分析表明:RMR值对桩端岩层安全厚度有强烈影响,RMR值越高,安全厚度越小,反之越大.对于一般天然下自稳状态的溶洞顶板,安全厚度取3倍桩径较为合理.最后结合工程实例对本文计算方法进行了验证.     

高渗压条件下裂隙岩体的劈裂破坏特性

基于岩体工程中普遍存在节理裂隙岩体,裂隙岩体在地下工程卸荷扰动后形成复杂应力状态和高水头压力的共同作用下将发生压剪复合破坏或拉剪复合破坏,对裂纹面的应力状态进行分析以判定其破坏模式,并进一步研究岩体裂纹开裂特性及岩桥断裂贯通力学机理,建立相应的临界水压和初裂强度判据。同时,对处于水力劈裂状态的高水头压力隧洞围岩的破坏特性进行模拟。研究结果表明:隧洞在高渗透水压的驱动下周边围岩开始发生水力劈裂,形成拉剪劈裂区;随着内水外渗的发展,随即在拉剪劈裂区外侧形成压剪劈裂带,同时,拉剪区和压剪区继续扩展直至渗流衰减趋于稳定。     

预留缝宽度对大理岩直剪试验结果的影响

在岩石直剪试验过程中,上下剪切盒（夹具）之间往往需预留一定宽度的缝隙,但预留缝隙的宽度值没有明确的规定。本文采用相同直径、不同高度的大理岩试样进行直剪试验,研究了上下剪切盒预留缝宽度对岩石抗剪强度和破坏特征的影响。试验结果表明：同一法向应力下,随着试验预留缝宽度的增加,试样剪切断裂面的正视图由一条近似直线逐渐变成三段近似直线构成的折线,剪切断裂面由水平曲面逐渐变为倾斜曲面,主导试样破坏的应力由剪应力逐渐变为拉应力;在同一法向应力下,试验预留缝宽度越大,测得的峰值抗剪强度值越小;随着预留缝宽度的增加,直剪试验获得的试样黏聚力整体上呈增加趋势,但变化不大,较为平稳,而内摩擦角则逐渐减小,且变化明显,幅度较大。试验预留缝宽度的取值对试验获得的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角均存在影响,因此目前情况下在岩石直剪试验中应尽量减小预留缝宽度,而预留缝宽度的定量取值尚需开展进一步的研究。     

岩石节理流变力学特性及其本构模型

通过对锦屏二级水电站大理岩节理进行剪切流变试验,分析了当剪切应力恒定、不同法向应力作用下的节理蠕变变形特性;根据传统的老化理论及遗传蠕变理论,提出了能够考虑法向应力影响的岩石节理剪切流变本构模型.最后,采用大理岩节理剪切流变试验数据确定了剪切流变模型的参数.将流变模型曲线和试验结果进行比较,结果表明该模型能够较好地描述不同法向应力和剪切应力作用下节理蠕变的变形规律.