新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。     

雁行双裂隙类砂岩加载条件下裂纹扩展演化规律研究

为了研究裂隙岩体在荷载作用下裂纹扩展演化与破坏规律,以预制含雁行双裂隙类砂岩试样为研究对象,采用单轴压缩试验与DIC技术相结合,探究裂隙倾角和岩桥倾角对试样裂纹产生、扩展和破坏模式的影响。结果表明：(1)裂纹先从试样边界处产生,向试样中心扩展,随加载的进行,裂纹转向从裂隙尖端处产生,向试样上下端面扩展。(2)试样新生裂纹扩展演化过程、破坏模式与裂隙的倾角特征关系密切,随裂隙倾角和岩桥倾角的增加,裂纹扩展的数量分别呈现出先减少再增加后减少、先减少后增加的特点,试样破坏模式呈现出由张拉破坏向张拉-剪切复合破坏转变,但当裂隙倾角增加至90°时,试样破坏模式又呈现出张拉破坏。(3)岩桥贯通取决于其水平投影长度,当岩桥倾角为0°、30°,岩桥水平投影长度较长,岩桥未贯通,当岩桥倾角为60°、90°、120°,岩桥水平投影长度逐渐减小,岩桥发生直接贯通。研究成果可为工程设计及优化提供一定的指导意义。     

考虑不同节理倾角和贯通率的类岩材料单轴压缩试验

为研究节理倾角与贯通率对类岩材料力学特性的影响,选用预制贯通节理类岩材料作为研究对象,对以节理倾角和贯通率为单一变量的两组砂浆试样进行单轴压缩试验。试验结果表明:节理倾角为0°时,随着节理贯通率的增大,试样的峰值强度、峰值应变以及弹性模量均不断减小;不同贯通率试样破坏时均呈现出整体张拉破坏的特征;节理贯通率相同时,随着节理倾角的增大,试样峰值强度呈现V字形变化趋势;试样峰值应变先减小后增大再减小,弹性模量先增大后减小再增大,二者呈现良好对应关系。通过对比节理贯通率和不同倾角对力学特性的影响,发现节理贯通率在试样强度、变形破坏过程中起主要影响作用。     

层状砂岩力学行为各向异性与破裂特征

为揭示倾角对层状砂岩力学特性与破裂特征的影响,进行0°,30°,45°,60°和90°等5种倾角的单轴压缩试验,分析倾角对试样物理力学特性和破裂模式的影响,并结合声发射监测,分析微裂纹时空演化规律。研究结果表明:1)不同层理角度试样应力-应变曲线均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段,各阶段区分明显。弹性模量与纵波波速均随层理角度增大而增大,而单轴抗压强度先变小然后增大,曲线整体呈现出"U"形,在层理倾角60°时为最低值;2)倾角从0°增大到90°时,破坏模式由"穿切层理面的劈裂型剪切破坏"转变"复合张剪破坏"再到"剪切滑移破坏",最后转变为"劈裂张拉破坏";3)试样压密段几乎没有声发射事件,在弹性段声发射事件数逐步增加,当加载到峰值强度时,事件数剧烈增加,峰后破坏阶段事件进一步累积,声发射事件阶段变化与应力-应变曲线描述的变形破坏阶段吻合,且声发射事件空间分布与宏观破裂形态基本一致;4)矩张量反演的震源类型T-k值点分布在不同阶段的变化规律反映了剪切、张拉、混合破裂比例变化。试验用层状砂岩横观各向同性性质明显,力学性质随着层理倾角变化而变化,层理倾角变化对试样破坏模式影响明显。     

基于数字图像技术的类岩材料直剪破坏试验研究

为研究裂隙倾角对岩体破裂失稳以及变形场的影响,分别制作了倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的7种预制单裂隙类岩试样,利用ZTRS-210岩石直剪仪和非接触全场应变测量系统进行直剪试验,并对裂纹扩展和全场应变进行同步监测。结果表明：类岩材料的峰值剪应力随裂隙倾角增加表现出增-减-增-减的趋势,裂隙倾角15°时最大,60°时最小;随着裂隙倾角的增加,试样的破坏模式由共面剪切破坏向拉剪复合破坏转变,倾角90°时为沿剪切面剪切破坏,并伴随较多的次生裂纹;相同倾角时,应变场随荷载增加由应变均匀分布转变为应变集中分布;应变均方差在压密阶段以及弹性阶段较小且增长缓慢,在塑性阶段以及破坏阶段骤增。研究结果可为岩体工程稳定性分析提一定的参考。     

冲击荷载下平行双裂隙演化的颗粒流分析

为了研究冲击荷载下平行双裂隙对岩石破坏的影响,采用二维颗粒流程序对分离式霍普金森杆一维冲击试验进行模拟。对预制平行双裂隙倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°和完整的花岗岩试样进行冲击加载模拟,全面研究了平行双裂隙试件裂纹的萌生、扩展、贯穿的过程。结果表明:在冲击荷载的作用下,平行双裂隙明显降低了岩石强度。裂隙存在时,裂隙倾角与加载方向一致时,试样峰值强度和起裂强度均达到最大,呈劈裂拉伸破坏模式,在倾角为45°左右达到最小值,呈拉剪复合破坏模式。预先存在缺陷的倾角对裂纹萌生和扩展模式有很大影响。对应力场分析,平行双裂隙对应力波的传播产生阻碍,在岩桥区域变化最为明显。     

层状岩体单轴压缩室内试验分析与数值模拟

为了研究层状岩体抗压强度的层面效应,通过室内试验和数值模拟研究,分析层状岩体单轴压缩情况下的应力应变响应以及强度特征。研究结果表明:随着结构面倾角的增大,层状岩体的压缩强度呈先减小后增大的趋势,含有90°倾角结构面的试样其抗压强度明显大于含有0°倾角结构面的试样对应的抗压强度;数值试验得到的分析结果与室内试验结果相同,岩样的变形特征大致分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;压缩强度均随加载速率的增大而增大,并且压缩强度与加载速率之间的关系均可通过线性方程进行拟合,相关系数较大;在实际试验过程中,应根据不同模拟工况采用不同的加载速率。     

层状岩体的颗粒流模拟新方法及数值分析

在颗粒流软件PFC2D的基础上,采用新的建模方法建立了层状岩体数值试样,并通过直剪试验验证了新方法的优越性。开展了不同层理倾角下的岩体单轴压缩试验的数值模拟,对层状岩体的变形特性、强度特性以及破坏模式进行了分析。数值结果表明:随着层理倾角的增大,其弹性模量与峰值强度都是呈先减小后增大的趋势,但两者取最小值时的层理倾角并不相同且两者的变化速率也不尽相同。当层理倾角β=0°~30°或者β=90°时,岩石试样的强度主要由基岩控制;而当层理倾角β处于中间角度时,此时岩石试样的强度则主要由层理控制。     

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。     

单压下节理密度及倾角对类岩石试件强度及变形的影响

通过预制张开节理类岩石试件,在单轴压缩条件下,研究节理密度及倾角的组合作用对试件强度和变形特征的影响.试验结果表明:(1)随着节理倾角的增大,应力-应变曲线由多峰值转变为单峰值,试件脆性增强,延性减弱;(2)节理密度对当量峰值强度的影响与节理倾角大小有关,对当量弹模的影响呈"V"形变化,即当量弹模随着节理密度的增大呈现先减小后增大的变化规律;(3)当量弹模随节理倾角的增大而增大,在节理倾角为90°的时候达到最大值,为完整试件弹性模量的70％～80％;(4)节理倾角对多节理类岩石试件当量峰值强度和当量弹性模量的影响大于节理密度的影响.对试验结果进一步分析发现:节理密度及节理倾角与应力-应变曲线、当量峰值强度及当量弹性模量之间的关系,其变化规律与试件的破坏过程息息相关,其破坏模式可分为张拉破坏、剪切破坏和复合破坏.     

冻融裂隙砂岩三轴压缩破坏特征宏细观试验研究

为了研究冻融后不同倾角单裂隙砂岩在冻融前后三轴状态下的力学特性及宏细观破坏特征,对冻融前后及破坏后的岩样进行基本物理力学试验和核磁共振试验,结果表明：(1)在三轴压缩状态下,砂岩的峰值强度呈现出逐步递减的趋势,弹性模量降低,泊松比增大,当裂隙倾角为90°时为最不利情况；(2)裂隙砂岩在三向受力的作用下,宏观上裂隙正反两方向生成宽度较小的翼裂纹,并不断延伸,最终发生局部剪切破坏模式；(3)核磁共振谱面积随裂隙倾角的增大而增大,小孔隙分布的孔隙占比增大,破坏后谱面积进一步增大,T₂谱出现新的第三峰,大孔隙占比增大。     

三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究

采用FLAC3D强度折减法,研究在岩层倾角、岩层与边坡走向夹角变化时三维软硬互层边坡的稳定性状况,并对其破坏模式进行辨识与归纳分析.结果表明:边坡破坏模式的判别应综合考虑岩层的倾角大小、岩层走向与边坡走向的夹角大小及坡面上的剪出条件;当岩层与边坡走向夹角β<90°时,随着岩层倾角α的增大,边坡的破坏模式变化趋势为由蠕滑-压致拉裂、塑流-拉裂、滑移-拉裂向滑移-弯曲、弯曲-拉裂转变;当β>90°时,边坡的破坏模式趋势为塑流-拉裂、滑移-弯曲、弯曲-拉裂;边坡稳定性系数随走向夹角的增大先增加后减小,β=90°时最大,且α越大,稳定性系数峰值越大;顺向时随着岩层倾角的增大,边坡的破坏模式变化趋势为蠕滑-压致拉裂、滑移-拉裂、滑移-弯曲、弯曲-拉裂,稳定性系数变化先减小后增大,存在一最不利岩层倾角,其对应的稳定性系数最小;反向坡的破坏模式变化趋势为蠕滑-压致拉裂和弯曲-拉裂,稳定性系数逐渐增加.     

跨不同倾角软弱层隧道围岩变形规律

山区隧道与地下工程的建设中多会穿越软弱夹层或破碎带等软弱地层。此类软弱地层几何形态变化大,力学性能差,隧道开挖后的收敛变形往往难以控制,这也成为山岭隧道施工以及结构设计的难点所在。本文着眼于软弱地层倾角对隧道围岩开挖变形的影响规律,利用模型试验,对无支护条件下软弱层围岩的拱顶、拱腰进行研究,监测了软弱层倾角分别为45°、60°、90°、120°、135°时隧道开挖造成的收敛变形；并结合数值模拟方法,进一步对比验证了模型试验的检测规律。结果表明：软弱层倾角对隧道围岩变形的影响十分显著。随着软弱层倾角的增加,隧道拱顶、拱腰以及仰拱的围岩位移先减小后增大。不同软弱层倾角下,通过归一化处理发现,拱顶和拱腰位置数值计算和模型试验的围岩位移变化结果呈现出高度的一致性。且根据监测面的塑性区云图,剪切破坏的区域贯通,分布于隧道一周,其面积随着软弱层倾角的增加,先减少后增大。     

基于PFC 2D的含节理岩体单轴压缩数值模拟

基于颗粒流方法模拟含节理岩体的单轴压缩破坏过程,并对不同节理倾角的岩体进行单轴压缩数值模拟,研究不同节理倾角岩体的裂纹扩展路径、破坏形式以及强度变化规律。结果表明:(1)在单轴压缩破坏过程中,岩体节理倾角不同,裂纹扩展与最终破坏形态不同,但破坏过程基本一致;(2)当节理倾角从0°到90°的变化过程中,抗压强度随节理倾角的增大先减小后增加,总体呈"U"型分布规律,并在倾角为60°时达最小值。     

V形裂隙类岩石材料单轴压缩光弹性试验

天然岩体内交叉裂隙按几何形状可分为X形、T形与V形等,其中V形裂隙可以近似看作前两者在“短交叉”情况下的特殊形式,其裂纹扩展破坏规律与其它两种形式存在显著不同。为了探究V形裂隙在荷载作用下对于岩体损伤破坏规律的影响,开展了不同裂隙倾角的类岩石材料单轴压缩光弹性试验,根据应力–光学定律计算试件表面的应变场,分析V形裂隙岩体的损伤破坏规律。结果表明,岩体强度随裂隙倾角增加而增加,但增长速度不断减小,并建立了裂隙倾角与单轴强度的拟合曲线;V形裂隙岩体裂纹扩展首先发生在非交叉端,随后在交叉端产生沿加载轴向的裂纹,当裂隙倾角不大于45°时,随着荷载增加在两个非交叉端之间也会产生宏观裂纹。