加锚岩体结构面组合单元研究

为了简化大规模加锚岩体结构面有限元分析的前处理过程,通过结合结构面单元的位移插值函数和虚拟锚杆单元的刚度矩阵,提出了加锚岩体结构面组合单元模型.该单元不仅适合大规模加锚岩体结构面的有限元分析,同时也可以模拟加锚岩体结构面的真实加固机理.     

剪切荷载下岩体结构面-浆体-锚杆相互作用机理宏细观研究

基于PFC中FISH语言,采用双线性锚杆本构模型对岩体加锚节理面在剪切荷载作用下的力学行为进行数值模拟研究,通过变化锚杆刚度和浆体强度,深入研究岩体结构面-浆体-锚杆相互作用下锚固体系宏细观力学响应。结果表明:加锚节理面的力学响应与锚固结构的力学性质密切相关。锚杆刚度越大,节理面宏观抗剪强度越高;随着锚杆刚度的增加,岩体和浆体中的裂纹也越来越多,锚杆对浆体和岩体的损伤逐渐增加。岩体结构面-浆体-锚杆相互作用,裂纹的产生首先起于节理面上和锚杆与节理面交叉处,随着剪切位移的不断增加,节理面上的裂纹在接触力集中的地方继续产生,而在锚杆周围则由锚杆与节理面交叉处向锚杆两端继续扩展,且裂纹集中在锚固体系的受压侧,主要为由"压致拉"机理导致的张拉裂纹。浆体的强度过小或过大都可能导致锚固体系中裂纹数量的增多,且裂纹以张拉裂纹为主。当浆体强度较低时,裂纹主要集中在浆体中,而当浆体强度较高时,裂纹主要集中在岩体中。因此,在对节理岩体进行加固的过程中,应综合考虑节理面宏观上的抗剪强度和细观上锚固体系的损伤,以实现锚固体系的宏细观耦合支护。分析结论对于节理岩体的锚固支护设计具有参照价值。     

预置节理岩体锚注加固机理研究

通过应用室内力学实验,建立实验模型,模型主要对节理岩体、锚固节理岩体以及锚注节理岩体的抗剪强度和本构关系进行对比分析。试验结果显示:锚杆加固、注浆加固、以及锚注加固能够很好的提高节理试件的刚度和抗剪强度;从粘聚力和内摩擦角的增幅变化中,发现粘聚力的增幅大于内摩擦角的增幅。通过室内锚注试件的剪切实验和锚注节理边坡的控制效应,发现锚注加固可以有效控制节理岩体的变形和位移,同时对矿山节理岩体的控制和利用有理论指导意义。     

三维锯齿型结构面直剪特性分析

结构面特性对于岩体稳定性具有重要的影响,为了研究锯齿型结构面的强度和变形特征,利用数值计算软件建立了三维结构面岩体试样的计算模型,采用界面单元模拟结构面特性,得到结构面在正应力和剪应力作用下,结构面剪切强度与起伏角的关系、应力应变关系以及剪胀效应.结果表明,结构面起伏角对内摩擦角的影响程度大于对黏结力的影响程度;相对法向位移与相对切向位移关系曲线明显地随法向应力大小不同而呈现出不同的变化趋势;在不同的起伏角和正应力状态下,法向位移和剪切位移之间均符合线性关系.     

节理裂隙边坡锚注加固力学模型与实验研究

对加锚注浆节理模型进行力学分析,并与注浆胶结裂隙岩体模型力学试验结果进行对比验证。研究结果表明:压力注浆能够提高加锚节理裂隙边坡弱面的抗剪强度及抗剪刚度;裂隙注浆胶结体强度与浆液配比、注浆压力、裂隙所含介质的组成以及岩体赋存应力场、渗流场有关;锚杆与注浆体共同作用能够发挥两者各自的力学特性,从而提高边坡的加固效果。     

结构面剪切特性的试验与数值模拟分析

结构面的性质对岩体工程稳定性具有重要意义,通过室内试验和数值模拟,分析了结构面在直剪条件下的应力和变形特征,得到:①直剪试验过程中.剪力一剪切位移之间的关系逐渐从线性关系转化为非线性关系;当剪应力将要达到峰值剪切强度时,切向位移突然增大,岩体已开始沿结构面剪坏;②试样剪切强度与正应力之间符合Mohr-Coulomb线性关系;数值计算得到的应力应变关系与室内试验得到的结果相同,说明了数值试验的可靠性;③结构面剪应力的分布从结构面施加切向位移速率的一端向另一端逐渐增大:④随着法向应力的增大,最大剪应力分布区域基本上没有变化,说明法向力的大小对结构面剪应力的分布影响较小:并且根据Mohr-Coulomb理论.正应力在结构面上的分布情况类似于剪切力的分布情况.     

拉锚式支护结构水平位移影响因素的有限元分析

用有限单元计算方法对拉锚式支护结构进行分步开挖的模拟计算,分析支护结构的刚度、锚杆预应力及土结构接触界面的强度折减系数等对支护结构位移的影响.结果表明,及时有效地安装锚杆是控制地连墙位移的有效方法;适当增大支护结构刚度和锚杆预应力能减小墙体水平位移;增大土结构间的界面强度折减系数会使墙体水平偏移量逐渐减小,且这种影响有时是决定性的.     

岩体结构面三维循环加载本构关系

研究岩体结构面在循环加载条件下的三维力学性质。通过对二维数值模型合理推广,建立三维本构模型。法向加卸载本构为逐步硬化的双曲线函数。切向模型基于加载为双曲线函数、卸载为线性函数的本构方程建立,并引入剪切方向角描述三维切向接触特性。考虑峰值剪切现象,以切向塑性功为主要参数,建立峰值摩擦角和剪胀角的磨损方程。以初始剪胀角和残余剪胀角为主要参数建立剪胀方程。数值计算结果与试验曲线的对比表明,该模型体现了各向异性结构面的非线性受力变形特性、表面磨损和不均匀剪胀行为,能较好模拟三维循环加载本构关系。     

考虑自由段受荷的锚杆变形和承载特性研究

针对锚杆端部的拉拔荷载由锚固段的锚固体和自由段的锚固体共同承受的特点,采用反映土锚界面抗剪强度衰减的双折线模型,基于荷载传递理论推导得到锚杆抗拔力与位移之间的解析关系式,工程实例计算结果验证了理论推导的正确性.计算结果表明:自由段受荷后对锚杆的刚度和承载力都有明显的提高,且随着自由段长度的增加,其承载力会有所提高,但锚杆整体刚度却在降低,因此在预应力锚杆的设计与施工中应合理地选择自由段长度.     

复合岩石层面剪切试验的研究

本文在不同粗糙度和不同正应力的条件下,对复合岩石层面的剪切试验进行了讨论,建立了复合岩石层面抗剪强度的准则及复合锯齿状层面的抗剪强度准则。实验表明:光滑层面的初剪与复剪抗剪强度具有峰值转换性;剪切位移具有弹性回复位移,并存在着剪切法向收缩现象;剪切滑移造成层面两侧岩石的张裂破坏。     

尺寸效应对锯齿状结构面抗剪强度影响

为研究尺寸效应对锯齿状结构面抗剪强度的影响,对不同尺寸的具有锯齿状结构面的试样进行直剪试验,得到不同尺寸结构面的抗剪强度,同时运用3DEC数值分析软件对试验过程进行模拟.试验结果表明:随着完整试样尺寸的增大,试样的单轴抗压强度和黏聚力减小,且减小的幅度减弱,最后趋于稳定;材料的内摩擦角随尺寸的增大,变化很小;当结构面尺寸一定,结构面受到剪切作用时,随着法向应力的增大,锯齿状结构面抗剪强度增大;当法向压力一定,随着锯齿状结构面尺寸的增大,锯齿状结构面抗剪强度减小,且减小的幅度减弱.     

岩体异性结构面的抗剪强度准则

利用剪切试验装置，进行了岩体异性结构面在不同粗糙度、不同正应力下的剪切试验研究，建立了抗剪强度准则 τ＝σｎｔｇ［ＪＲＣ·ｌｇ（ＫＡ·ＪＣＳＡ＋ＫＳ·ＪＣＳＢ／σｎ）＋ψＡＢ?     

各向异性结构面模型研究的探讨

本文从工程地质中结构面的原型出发，着重考虑了结构面的表面形态、结构面变形（法向位移及剪切位移）的约束效应及地应力作用情况等因素的相互关系，提出了在不同剪切方向的剪切过程中剪切滑移问题，建立了各向异性结构面模型，引入了伪披坡角概念，并给出了一些重要结论和计算公式，以求真实地反映岩体工程中结构面的力学性质。     

中间主应力影响下加锚试样应力-应变曲线特征参数分析

为探究锚杆加固、中间主应力和岩石强度对试样应力-应变曲线特征参数的影响,采用电液伺服双轴压缩试验机对不同中间主应力影响下无锚和两种强度的加锚类岩石试样的应力-应变曲线特征参数进行了试验研究。研究结果表明：加锚能够提高试样刚度和降低试样脆性,单轴抗压强度UCS=25.4 MPa的试样加锚后的刚度角、强化角和韧度角分别提高1.36%、0.89%和50.8%,脆度角和软化角分别降低0.2%和1.43%。中间主应力增加能够提高试样强度和刚度、降低试样脆性,中间主应力由4.44 MPa提高到17.78 MPa时,UCS=25.4 MPa的加锚试样屈服强度、峰值强度和残余强度分别提高94.2%、41.89%和20.16%;刚度角、强化角和韧度角分别提高1.69%、0.76%和74.21%;脆度角和软化角分别降低2.96%和2.44%。岩样强度提高对试样刚度和脆性有显著提升作用,和UCS=23.8 MPa的加锚试样比,UCS=25.4 MPa的加锚试样的刚度角、脆度角、强化角和软化角分别增加1.18%、0.72%、1.28%和3.95%,韧度角降低46.8%。研究结果促进了对中间主应力影响下加锚围岩...     

ECC嵌缝加固砖砌体的剪切性能试验研究

采用工程水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composite，ECC）沿水平灰缝对砖砌墙体进行嵌缝加固，几乎不改变其外观，符合文物建筑修旧如旧原则.为研究ECC水平嵌缝加固砖砌体的剪切性能，以聚乙烯纤维（PE）、聚乙烯醇纤维（PVA）和混杂纤维（PVA与PE）等不同纤维类型、PE纤维掺量、嵌缝间距和单双面加固为变量，开展砖砌体在剪压作用下的对角剪切试验.对比分析ECC加固砖砌体墙的破坏模式、荷载-位移曲线、剪切强度和延性，探究ECC与砖砌体的协同工作性能. 试验结果表明：ECC水平嵌缝加固减缓了砖砌体内部裂缝的开展，提升了试件的抗剪承载力和破坏时的整体性，加固试件的抗剪强度最大提升了44.5%，加固面的最大抗剪刚度约为未加固面的5倍.     

考虑锯齿状节理的桩岩界面模型试验研究

针对嵌岩灌注桩嵌入软弱岩层的工况,考虑成桩过程中桩岩界面的剪胀效应,采用常法向刚度边界条件(CNS)模拟软岩对桩身的侧向变形约束,开展了模拟桩岩界面侧阻力发挥的室内大尺寸直剪模型试验.将桩-岩接触面的粗糙体简化为规则的三角形锯齿,根据不同的半波长分别制作了砂岩和混凝土试样,得到了剪切荷载、剪切位移、法向荷载和法向位移之间的关系曲线.试验结果表明,软岩锯齿的法向剪胀角随着剪切位移的增加呈非线性减小,且界面抗剪强度的发挥与法向约束刚度、粗糙体半波长和剪切位移等密切相关;同时,在考虑软岩表面锯齿的弹性压缩对界面剪胀角影响的基础上,采用幂函数拟合了软岩抗剪强度的经验关系式.最后,将试验结果与现有理论模型结果对比,表明了现有模型忽略桩岩界面剪胀角的非线性变化将高估嵌岩灌注桩侧阻力的发挥,这在实际工程中将偏于不安全.     

三维应力状态下各向异性结构面的剪切特性

从地应力场中结构面的原型出发，考虑锯齿状结构面的空间起伏形态及其与三维应力场间的相互作用关系。通过理论分析获得了在侧向自由位移及约束位移两类不同，边界条件下三维应力场中结构面的实际滑移方向，剪切的各向异性剪胀特性（法向和侧向）及强度特性等表达式，以及侧向约束位移条件下约束应力的增量公式。最后利用实验结果进一步说明了结构面形态及三维应力场对其剪切力学特性的影响规律。     

不同泥皮粗粒土与结构接触面力学特性实验

进行了粗粒土与结构面分别在夹膨润土泥皮、粘土泥皮以及无泥皮条件下的大型单剪试验,揭示了不同泥皮情况下接触面的力学特性与机理。试验结果表明,不同泥皮种类对粗粒土与结构面的强度有重要影响,夹有膨润土泥皮时,粗粒土与结构面的剪切强度显著减小,最大减幅可达45%,而夹有粘土泥皮时其最大减幅只有10%,远小于膨润土泥皮;试验测定的夹有膨润土泥皮时的摩擦角仅为夹有粘土泥皮时的60%左右。剪切破坏时,同一高度处,切向位移随法向应力的增大而增大;同样的法向应力及高度处,夹有膨润土泥皮时的切向位移小于夹有粘土时的切向位移,而法向位移相对要大些。此外,无泥皮低法向应力下,出现明显的剪胀现象,而泥皮条件下均表现为剪缩。     

预应力钢锚管注浆锚索边坡加固力学特性

为解决传统预应力锚索在边坡支护应用中存在安全耐久性不足、加固效果有限等的问题,通过室内和现场试验研究了预应力钢锚管注浆锚索力学特性,开发了边坡复合加固方法。研究结果表明,锚索荷载-位移曲线的非线性变化特征更明显;钢锚管的加卸载刚度变化规律不一致,而锚索的加卸载刚度变化均表现为幂函数衰减的规律;钢锚管和锚索的弹性位移随荷载呈线性增长,而塑性位移随荷载呈增长幂函数变化。边坡现场工程试验结果显示,新型加固技术对于不同地质边坡均适用。对于完整地层,锚固结构受力时产生的变形较少且刚度变化不大,不可恢复变形小,边坡变形易达到稳定状态;对于破碎地层,裂隙增加了浆体渗透提高了其与岩土体的粘结强度,增加了锚固力,因而受力时变形大,刚度变化大,产生的不可恢复变形量大,相对于传统锚索支护,新型支护技术能够更好发挥不同结构间的协作。可见新加固方法可为类似工程边坡加固设计提供参考。     

不同锯齿高度对软弱结构面剪切特性的影响

为分析不同法向应力与锯齿高度情况下软弱结构面的剪切行为,通过数值方法建立不同锯齿高度情况下的结构面计算模型,模拟在不同法向应力情况下的直剪试验,探讨结构面抗剪强度峰值前后的应力应变关系。建立剪胀角?与锯齿高度h之间的线性关系表达式。研究结果表明:随着锯齿高度增大,峰值抗剪强度对应的位移逐渐增大;应变软化阶段应力下降的速率呈先减小后增大的趋势,当锯齿高度与夹层厚度相同时达到最小值;峰值抗剪强度与残余抗剪强度均随锯齿高度的增大而呈线性增大,当锯齿高度达到一定值后,残余强度不发生变化;当锯齿高度较大如80 mm时,结构面法向应力与抗剪强度之间呈现显著的线性关系,而当锯齿高度较小时,两者之间的关系表现出一定的非线性特征,并且此时对应较小法向应力的剪切强度基本相同;随着法向应力增大,应变软化阶段应力下降的速率不断减小,残余强度与峰值强度的比值呈先增大后减小的趋势,最大值为0.961 4。