二向应力作用下断续节理岩体的强度特性研究

本文借助断裂力学理论,着重讨论了在二向应力作用下双向交叉断续节理岩体的压剪断裂强度特性及破坏机理。结合有限元数值模拟计算,分析了节理方位,围压大小对这类岩体强度的影响及其变化规律。     

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.     

渗流作用下柱状节理岩体强度特性试验

为研究白鹤滩水电站柱状节理玄武岩在高渗透压力作用下的强度特性,采用与水电站现场岩体物理力学性质相近的人工材料,制作具有相同节理构造的柱状节理岩体模型试样,开展了不同渗透压力的渗流应力耦合三轴力学试验,分析了渗透压力对柱状节理岩体的破坏模式、强度和渗流量的影响。试验结果表明:渗流作用下柱状节理岩体的破坏模式为沿着节理倾角的滑移破坏;渗流作用下的柱状节理岩体具有较低的强度,三轴压缩峰值强度与渗透压力呈负相关关系;应力应变曲线可分为4个阶段,渗流量随应力应变曲线呈现出阶段性特征,渗透压力对岩体强度和渗流量影响较明显。     

共面断续节理岩体模型抗剪强度及破坏特征分析

为探究共面断续节理的几何特征对岩体力学性质的影响,对制作的含节理类岩石材料进行了直剪试验,运用数字图像技术记录全场应变演化过程,并根据室内试验建立颗粒流模型,探究节理连通率和岩桥长度对岩体抗剪强度及裂纹发育的影响.结果 表明:各级法向应力下,节理连通率的增加限制翼型应变集中区的形成,进而阻断翼裂纹的发育,使岩桥倾向于拉剪破坏,并会造成岩体模型抗剪强度降低;而节理连通率相同时,岩桥长度的改变则不会对岩体抗剪强度造成明显影响;岩桥长度是改变裂纹发展趋势的主要因素,这是因为岩桥长度的变化会增加或降低相邻节理端部应变集中区的交互影响;最后从能量的角度出发揭示了节理连通率和试样破坏失稳的关系.     

节理岩体单轴压缩强度预测

岩体单轴压缩强度是岩体稳定性分析的重要指标,推导了节理岩体的单轴压缩强度的理论计算公式,公式分别考虑了岩体的不同破坏形式,即沿节理面的滑动破坏和沿岩石内部的剪切破坏,并分析了节理面倾角对压缩强度的影响,得到随着节理面与加载方向夹角的增大．节理岩体的单轴压缩强度逐渐增大,并最终趋于定值的规律。     

基于Cosserat理论的柱状岩体断续节理本构模型研究

针对白鹤滩柱状节理岩体的各向异性力学特性,考虑节理部分引起的弯曲效应,采用Cosser—at理论和材料连续均匀假设,得到规则岩体一组断续节理的Cosserat本构关系,然后根据规则六棱柱形岩体结构特点,视平面为三组断续节理的复合,得到柱状节理岩体平面本构关系,最后针对白鹤滩工程实例,验证本文模型的正确性．     

节理对岩体强度变形特性影响的模型实验

采用模型试验研究节理对岩体强度变形特性的影响.设计150 mm×150 mm×150mm尺寸的3组模型试验,在不同的正压力下,分别对完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体进行中型剪切试验.研究结果表明:岩体以脆性破坏为主,主要有4种典型的破坏方式,破坏形态与节理的排列方式、贯通性以及应力状态等因素密切相关;完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体变形破坏发展过程具有不同的分段特征:完整岩块曲线主要经历剪缩错动、线弹性增长、破坏和残余强度4个阶段;贯通节理岩体曲线主要经历线弹性增长区、过渡区和滑移破坏区3个阶段;断续节理岩体曲线主要经历线弹性增长、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.断续节理岩体摩尔库仑曲线分别以完整岩块和贯通节理岩体的破坏包络线为上界和下界,可以通过地质力学分析缩小带宽,估算断续节理岩体的强度.     

深部岩体中断续节理对巷道稳定性影响的数值试验

应用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,通过对具有断续软弱结构面深部岩体中隧道的变形破坏特征、隧道周边关键部位的位移和应力变化进行了分析,对巷道在载荷作用下的声发射和位移特性进进行了探讨,着重研究了深部岩体中节理对巷道稳定性的影响。这对于进一步理解深部岩体中节理对巷道影响进而采取有效的加固措施等具有重要的理论和实践意义。     

水对节理岩体剪切特性影响的试验研究

为查明潘口水电站进水口边坡节理的水化剪切性质和变化节理面水质量分数,对不同节理的剪切行为进行室内试验,研究水质量分数对节理剪切性质的影响,探讨节理抗剪强度的水化效应。研究结果表明:岩石内部存在多种晶体结构,当中又由很多晶胞组成。水分子进入到晶胞之间的孔隙,发生水化作用,岩石膨胀,使得岩石表面更加复杂,岩石的某些部位(节理面)变得与原来完全不同。节理面的剪应力和剪切位移的关系曲线符合滑移型破坏曲线的特征,试验所施加正应力的增大导致试验材料的剪切强度也逐渐增大。当正应力变小时,节理面达到剪切强度所需要的剪切位移也变小。当水质量分数加大时,节理的剪切强度明显降低。水质量分数的增大使内摩擦角慢慢减小,节理的黏结力也随之增大,水质量分数超过临界水质量分数时,节理面的黏结力逐渐减小。     

断续节理岩石中开挖附近扰动区失稳行为的实验

目的是用实验方法研究在一定加载条件下,断续节理岩体中裂纹萌生、扩展、贯通机制及开挖扰动区的破坏行为。实验试样用作者配制的模拟材料制成。利用作者设计的小型开挖系统,在双轴加压下,当轴向压力达到峰值力的75%时,保持径向加载和轴向加载的比值λ恒定,模拟开挖过程,并用数码摄像机全程跟踪开挖过程。实验结果显示开挖附近断续节理滑移、贯通以及扰动区的变形决定了巷道的失稳行为和最终的破坏模式;开挖过程明显影响着内部扰动区和外部压缩区的变形。开挖后,内部扰动区的变形大于外部压缩区;开挖后,继续保持λ恒定时,应力和变形作为时间的函数逐渐释放,并且造成一些节理的滑动和微破裂的相互作用;λ越大,则巷道破坏的时间越短。     

共面非贯通裂缝断裂-剪切破坏与强度分析

非贯通裂缝的分布、尺寸及力学特性控制岩体变形规模、形态、破坏过程.本文以概化的共面非贯通裂缝为对象,从断裂-剪切渐近破坏分析出发,通过剪切裂纹开裂条件确定临界荷载,进一步确定发生剪切破坏的贯通条件,进而采用Jennings准则计算非贯通裂缝剪切强度.结果表明,考虑断裂-剪切破坏特征进行分析,不仅克服了Jennings准则破坏假设的不足,同时合理地反映了裂隙尺寸、竖向应力加载、水平应力卸载等对共面非贯通裂缝剪切强度的影响.     

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?     

用人工神经网络预测岩石节理的抗剪强度

提出运用人工神经网络方法预测岩石节埋抗剪强度,在该方法中应用相对作用强度RSE确定网络中各输入因素对抗剪强度的影响程度,并根据分形节理力学性质和光弹试验数据进行网络训练、参数预测,结果表明：该方法可以用来预测岩石节理抗剪强度并推广应用。     

考虑三维形貌参数的结构面峰值剪切强度预测新模型

为进一步修正Grasselli结构面三维形貌参数系统,获得一个能够反映结构面剪切机理的预测模型.深度分析视倾角和分布参数,提出单值分布函数A^*_θ△*,并将其作为权重函数参与平均视倾角的计算;定义相对分布参数C^*,揭示了分布参数对结构面抵抗剪切的控制作用;最后,提出一个新的峰值剪切强度预测模型,利用国内外学者发表的50组数据验证,新模型相较于Grasselli系模型的预测精度最佳.另外,定义了分布参数C的物理和数学边界,从理论上解释了实验值不小于1的现象,总结了视倾角的分布规律和初始剪胀角的构成,将Grasselli系模型从理论上划归至统一形式.新的预测模型参数更为简洁,物理意义和数学定义明晰,同时能够较好地揭示结构面的剪切机理.     

碳纤维复合材料与高强度钢板螺栓连接拉伸性能

以单螺栓单剪连接[0°/90°]4s环氧树脂基碳纤维增强复合材料(CFRP)/高强度钢板(DP980)为研究对象,对接头宽度和端距进行了匹配设计,用试验和仿真手段,分析连接结构在承受拉伸载荷作用时的失效过程和破坏模式.结果表明:接头宽度和端距对接头破坏模式影响很大,接头宽度对接头刚度影响较大,端距对接头刚度影响较小,一定范围内接头宽度和端距对接头强度影响均较大;接头宽度与螺栓孔径的比值≥6、端距与螺栓孔径的比值≥3时,接头强度趋于最大值,并且破坏模式以挤压破坏为主;二次弯曲对CFRP/DP980接头强度影响很大.     

单轴压缩剪应变局部化带分布的数值模拟及其对最大有效力矩准则的验证

基于应变软化理论, 模拟岩石加载应力时出现局部化韧性剪切带到发育褶劈理的过程, 从而验证最大有效力矩准则的有效性。根据相关试验规程和标准规定的试样形状、尺寸和应力加载速率, 采用FLAC^3D软件, 对岩石试样在单轴轴对称压缩条件下局部化剪切带的形成过程进行数值模拟, 应变软化后得到的共轭剪切应变集中带共轭夹角为107.7°, 论证了最大有效力矩准则的109°规律, 同时也合理解释了横切面的剪切应变等值线的随机性表现。     

夹板约束边界玻璃板体力作用下面内受剪的有限差分解

基于薄板的平面问题，推导了体力作用下板的内部节点与边界条件的有限差分方程的形式．同时为了减小计算量和节约系统资源，玻璃板根据实际需要采用变网格划分的技术．通过对实际模型的合理简化并将有限差分法的计算结果与有限元的对比。证明了玻璃板在面内受剪时局部压应力起控制作用，且有限差分法适于计算夹板支承玻璃板面内受剪玻璃板的应力分布．图6，表3，参8．