壁面强度及粗糙度对含软弱夹层岩体影响研究

软弱夹层作为一种特殊的结构面是影响岩体稳定性的重要因素之一.软弱岩层与围岩接触壁面的物理力学性质很大程度上影响着整个岩体的强度特征和破坏特征.为研究其中规律自行设计并制作了不同粗糙度和强度壁面的试样,通过室内直剪试验结果分析了壁面强度和壁面粗糙度对岩体强度特征和破坏特征的影响.发现岩体峰值抗剪强度与壁面强度和粗糙度成正相关关系,法向应力较小时,随着壁面强度增加,试样主破坏裂纹与水平面夹角越来越小,随着壁面粗糙度增加,岩体从无裂纹变成夹层上部岩体出现裂纹,法向应力较大时,随着壁面强度增加,试样主破坏裂纹与水平面夹角越来越大,随着壁面粗糙度增大,主裂纹与水平面夹角逐渐减小,并且裂纹数有所增加.     

交叉结构面对岩体力学特性的弱化效应

针对交叉结构面对裂隙岩体强度和变形性质的影响,采用颗粒流方法并结合参数校准过程,生成三组(S、SD和SN组)不同结构面组合的试样模型,并对试样模型进行了单轴压缩试验;研究了单轴压缩下交叉结构面的相互作用,以及其相互作用对试样强度、变形和破坏过程的影响。研究表明:1)包含交叉结构面的试样的起裂强度和峰值强度均小于仅包含最不利结构面的单裂隙试样;2)随着轴向荷载增加,结构面交叉处出现显著的应力集中现象,进而促进微裂纹的发展;3)在相同荷载条件下,包含交叉结构面的试样中微裂纹数量明显多于仅包含最不利结构面的单裂隙试样;4)当试样中结构面的倾角在一定区间内时,交叉结构面对试样的破坏形式有明显的影响。     

泥层厚度与倾角对互层状岩体力学特性影响

互层状岩体在工程中广泛分布,为了研究句容抽水蓄能电站工程区内软弱泥化夹层对工程稳定的影响,利用已有的岩体力学参数标定微观参数,在PFC2D中建立含多层泥化夹层的岩体模型对其破坏规律分析.对不同倾角、不同厚度比例的9组模型进行双轴数值试验.结果表明,互层状岩体强度随软弱泥化夹层厚度比值增加先增大后减小;互层状岩体在轴压增大过程中,软弱夹层多次被破坏,且破坏从软硬交界面处开始;在一定厚度比值下,倾角的增加直接影响了互层岩体的强度,同时也使得轴压较低时软弱泥化夹层破坏次数降低,倾角越大对岩体破坏形式的控制作用越明显.     

含软弱夹层的强风化泥岩强度及破坏模式试验研究

为研究软弱夹层对边坡失稳的影响,对含软弱夹层的岩体强度及破坏模式进行了理论和试验研究.采用某边坡钻孔芯样分别制备强风化泥岩、泥化夹层、含软弱夹层泥岩3种三轴试样,并进行三轴固结不排水剪试验.结合理论分析,对强风化泥岩、泥化夹层、含软弱夹层泥岩的强度和破坏模式进行了研究,揭示软弱夹层倾角、围压对试样强度和破坏模式的影响规...     

直剪条件下单裂隙岩体力学行为数值模拟试验

为探究单裂隙岩体剪切过程中的力学行为,利用颗粒流程序研究裂隙倾角和法向应力对单裂隙岩体力学行为的影响,分别从岩体力学性能、破坏模式及细观力学特征3方面对非贯通单裂隙岩体试样直剪试验中的力学行为进行数值模拟。研究结果表明:(1)法向应力越大,剪应力峰值及对应剪切位移越大,裂隙倾角为60°时,剪切应力峰值最低,与完整试样相比,裂隙试样黏聚力下降最为明显;(2)剪应力曲线由低法向应力(小于5 MPa)时的"光滑"状转变为高法向应力(大于15MPa)时的"台阶"状,主要是高法向应力时岩体内微裂纹产生的速度快慢相间,致使裂纹扩展具有明显的阶段性;(3)法向应力越大,试样内微裂纹数目越多,剪切裂纹数目逐步增加,但仍以张性裂纹为主,大部分微裂纹在剪应力峰后段形成,单裂隙岩体的破坏主要是由张性裂纹汇聚贯通而形成的宏观拉破坏;(4)单裂隙岩体的剪切破坏是颗粒间最大接触力位置的转移与微裂纹交汇贯通的结果,"压致拉"作用力在剪切过程中作用明显。     

不同粗糙度系数结构面分级剪切蠕变特性

掌握结构面剪切蠕变特性的规律是揭示岩体时效变形与破坏的根本途径。通过对Barton标准剖面线第1条和第10条人工水泥砂浆结构面分别开展了恒定法向力条件下的分级剪切蠕变试验,研究了结构面剪切蠕变特性随粗糙度系数(JRC)、法向应力、剪应力的变化规律。同时,采用离散元软件(PFC^2D)对不同粗糙度系数的Barton标准剖面线结构面进行了分级剪切蠕变数值模拟研究。结果表明：在恒定法向力条件下,同一结构面剪切蠕变量、蠕变速率均随剪应力增加而增加;在恒定法向应力及剪应力作用下,剪切蠕变随粗糙度系数增加而减小,结构面剪切蠕变数值模拟结果验证了同样的结论;另外,蠕变变形位移云图结果表明结构面试样沿结构面剪切加载方向,剪切蠕变随距离增加而减小;随着粗糙度系数增加,结构面剪切蠕变破坏模式由滑移摩擦为主逐渐向剪断破坏为主过渡。研究成果可为岩体工程的长期安全稳定性评价提供理论依据。     

软硬互层状岩体的室内单轴压缩试验及数值模拟

以锦屏软硬互层状岩体为研究对象,基于室内试验分析单轴应力状态下岩样的3种破坏模式并结合数值模拟方法,分别探讨层面倾角、软弱夹层数量、分布及所占体积比等因素对互层状岩体变形特性、强度特征及破坏机制的影响。研究结果表明:锦屏互层状岩体的破坏总体遵循单轴压缩破坏的多裂纹劈裂模式,且在缓层面倾角范围内岩体的破坏以岩质材料自身属性为控制,而在较大倾角水平上则以层理弱面的影响为主导因素;软弱夹层数量对于层状岩体的U形强度规律影响不显著,但随着软弱夹层数量的增加,破坏荷载极小值有向层面倾角较小方向前移的趋势;随着软弱夹层所占体积比的增加,破坏荷载总体呈现下降趋势;当软弱夹层所占体积比接近时,软弱夹层数量的增加对岩样破坏荷载下降的影响与岩层倾角大小具有正相关关系,且当岩层水平时,对强度基本不发生影响。     

软弱夹层参数对岩质边坡稳定性及锚固影响研究

运用FLAC~(3D)有限差分软件建立了含软弱夹层顺倾层状锚固岩体边坡计算模型,并利用改进的cable单元建模获取了锚固界面即砂浆-岩体界面和锚杆-砂浆界面上的剪应力,研究了地震作用下软弱夹层参数(数量、间距、厚度、倾角)对边坡锚固界面剪应力和边坡稳定性的影响.研究表明:随着软弱夹层参数的变化,边坡主破坏面位置不变,主要的破坏模式分为沿着主软弱夹层的整体性倾倒-滑移破坏和层间错动倾倒-滑移破坏.因两锚固界面的极限粘结强度不同,砂浆-岩体界面脱粘程度更大,这与工程实际相符合.锚固界面剪应力峰值和坡面永久位移随软弱夹层数量、厚度的增大而增大,随软弱夹层间距、倾角的增大而减小.该研究对相关工程有重要参考意义.     

含预制裂隙花岗岩破坏的细观多相颗粒流模拟

基于断裂力学理论,分析了单轴压缩条件下,裂隙倾角对岩石裂纹起裂的影响.根据花岗岩矿物组分,建立了包含长石、石英和云母三相结构的细观颗粒流模型,模拟不同裂隙倾角下花岗岩的单轴压缩破坏过程,得到了花岗岩裂纹起裂、强度、应力应变、破坏形态等力学特征.研究结果表明:岩石试样优势起裂角为24°～30°,定向裂隙对裂纹起裂具有导向、促进作用;裂隙花岗岩的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角的增大均表现为先减小后增大的变化趋势,当裂隙倾角为45°～60°时,岩石试件强度最低;裂隙花岗岩试样的压缩变形主要为裂隙面的变形,预制裂隙与新生裂隙的连接与贯通形成的宏观破裂面导致岩石破坏;花岗岩矿物组分比例对裂隙花岗岩强度有一定影响.     

裂纹起裂规律对煤岩体破裂行为的影响

为获得压缩状态下含不同类型裂纹的煤岩体破裂行为,基于断裂力学分析张开型裂纹和闭合裂纹的起裂规律,研究裂纹类型对煤岩体抗破裂能力的影响.研究结果表明:几何参数及荷载对裂纹起裂规律的影响显著,含不同类型裂纹的煤岩体破裂特点相异.煤岩体含裂纹倾角越接近40~60o,长度越长,侧压系数越小,张开型裂纹曲率半径越大,闭合裂纹裂纹面摩擦系数越小,裂纹起裂应力越小,煤岩体也越易破裂,据此,提出了根据裂纹类型估算煤岩体破裂难易程度的方法.     

压缩状态下张开型裂纹起裂扩展规律

为获得张开型裂纹起裂及扩展规律,对于断裂力学分析不同裂纹倾角和不同裂纹长度时张开型裂纹的起裂特征,运用RFPA数值模拟软件研究含张开裂纹的岩体在单轴压缩试验下的裂纹扩展及破裂特点.研究结果表明:裂纹倾角和长度对张开型裂纹起裂及扩展规律的影响显著.裂纹倾角越大、长度越小,翼型裂纹扩展路径越趋于直线,起裂方向与原裂纹方向越接近,裂纹起裂角越小;裂纹起裂应力随裂纹倾角的增大先减小后增大,且与裂纹长度成反比.岩体的峰值强度也与裂纹几何参数密切相关,随裂纹倾角的增大呈现先减后增的变化规律,随裂纹长度的增加整体趋于减小.     

基于XFEM的岩体卸荷过程裂纹起裂扩展规律研究

地下和边坡工程开挖常涉及岩体卸荷问题,采用ABAQUS软件中的扩展有限单元法(extended finite element method,XFEM)对开挖卸荷过程岩体内部裂纹的起裂扩展进行了模拟,通过计算裂纹尖端应力强度因子研究了其起裂特征,并探讨了起裂影响因素,通过记录裂纹扩展形态研究了其动态演化模式.结果表明,卸荷过程中卸荷速率越快,裂纹长度越长,倾角越大,其起裂越容易;并且裂纹面受到的正应力不断减小,剪应力不断增大,裂纹扩展主要由剪应力控制,这与理论分析结果一致.裂纹最终扩展演化形态也与物理试验相近,充分表明运用扩展有限单元法研究岩体裂纹问题的可靠性.     

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.     

基于FIB和TEM的纳米材料中界面分层破坏的实验方法研究与应用

本文针对三维尺寸均处于纳米量级的材料与结构中常见的界面分层破坏问题,利用聚焦离子束技术(FIB)和透射电子显微镜(TEM)开发设计了一套研究纳米材料中界面端部裂纹启裂行为的实验方法.采用FIB成功从宏观多层薄膜材料(硅/铜/氮化硅,Si/Cu/SiN)中切割制备出了由硅基体(Si)和200 nm厚铜薄膜(Cu)及1000 nm厚氮化硅层(SiN)构成的纳米悬臂梁试样.利用高精度微小材料加载装置,在TEM中对该试样进行加载实验,并原位观测了不同试样中Cu/Si界面端部裂纹启裂的行为.通过对启裂瞬时Cu/Si界面上临界应力分布的有限元分析发现,不同尺寸试样中的界面上法向应力与剪切应力均集中在距界面端部100 nm的范围内,且临界法向应力远大于剪切应力.对应力分布的进一步分析则发现,距界面端部5 nm区域内的法向应力场控制着Cu/Si界面的分层破坏过程,可用于表征界面分层破坏的局部控制准则.     

人工非贯通节理试样力学强度特征试验研究

岩体中存在大量非贯通的节理.节理的几何尺寸、空间分布形式和连通率的大小等都是影响岩体强度的重要因素.本文用理论分析和实验测试的方法探讨了含有非贯通节理材料的力学强度特征和破坏机理.作者设计并制作了含有不同预制节理的水泥砂浆试件,完成了大量实验室力学试验,获得了试样剪切强度参数C、φ值与节理连通率的内在联系.在实验的基础上进一步用断裂力学理论,分析计算在不同连通率和法向应力作用下,节理发生初始扩展和峰值贯通破坏的条件,指出含节理材料发生破坏时,其尖端起裂角随着连通率的增大而变大,理论分析与实验结果一致性良好.     

软弱夹层倾角对巷道围岩稳定性的影响

为研究软弱夹层的倾角对巷道围岩稳定性的影响,通过相似原理配制了含不同倾角软弱夹层的物理模型,利用模具对其施加位移边界条件,试验机对其施加垂直载荷,模拟地应力,对物理模型进行模拟开挖。结果表明:含不同倾角软弱夹层的巷道顶部均出现应力集中,呈现塑性变形并最终局部出现冒顶现象。巷道围岩的稳定性和软弱夹层的倾角有一定的关系,软弱夹层的角度越大,夹层和主岩体的结构面越容易发生滑移,整个巷道围岩的稳定性越差。可见软弱夹层的倾角严重影响巷道围岩的稳定性。     

应变速率对红砂岩预制隙裂贯通破坏的影响

为了探究应变速率对节理岩体裂纹扩展形态和贯通破坏的影响,提出在室内制作含裂隙的红砂岩试样,采用不同加载速率进行单轴加载试验,观察裂隙起裂、贯通、破坏的全过程,并在物理试验基础上利用数值分析软件对结果进行分析和验证。结果表明:随着加载速率的增加,试样的峰值强度增加,试样发生应力强度跌落时的应变也有一定的增长;裂隙的扩展方式不局限于沿着试件高度方向开展,有部分裂隙发生横向方向的扩展和贯通,导致试样逐渐从局部破坏形式向整体破坏形式发展;裂隙强度在单轴加载时伴随裂隙倾角和加载速率的增加而变大,裂隙贯通强度对裂隙倾角的变化更敏感。     

单轴压缩作用下含不同倾角裂隙的类岩石试样力学特性

对含有不同倾角的预制裂隙类岩石试样进行单轴静载态压缩试验,研究裂隙倾角对于试样强度、破坏模式、破坏过程及裂纹起裂和扩展规律的影响。研究发现,含有预制裂隙的类岩石试样与完整试样的应力-应变曲线相似,可分为压密段、线弹性段、裂纹稳定扩展段、应变软化段和残余强度段。含裂隙岩石的峰值抗压强度随裂隙倾角的逐渐增大呈V字形变化,裂隙倾角45°时,岩石的峰值抗压强度最低,裂隙倾角0°和90°时,岩石的峰值抗压强度最高。裂纹的起裂角随裂隙倾角的增加而逐渐减小,裂纹的起裂速度和稳定扩展速度随裂隙倾角的增大逐渐增大。裂纹随载荷的逐渐增加,从预制裂隙尖端开始起裂,在初始加载阶段,由于岩石还具有一定的强度,裂隙扩展不明显,达到一定的载荷时,裂隙迅速而稳定扩展,直至完全破坏。     

五盂高速公路顺层岩质边坡变形破坏模型试验

为揭示开挖和降雨对顺层岩质边坡稳定性的影响,以山西五盂高速公路顺层岩质边坡为对象,通过大型物理模型试验研究了含软弱结构面顺层岩质边坡在开挖及降雨条件下的变形机理.研究结果表明:降雨条件下,含单层软弱结构面边坡主要表现为沿软弱结构面的多级牵引式滑动破坏;含双层软弱结构面顺层岩质边坡滑动破坏受降雨的诱发作用更为明显,其中软弱结构面作用主要表现为两方面,一方面为雨水对结构面本身的软化使其强度降低从而形成滑带,另一方面为软弱结构面的存在减弱了雨水向下层岩体的入渗,导致其上覆岩体迅速饱和,强度急剧降低,上覆破碎岩体沿滑动面发生大规模的整体破坏.可见强降雨是此类边坡破坏的主要诱发因素也是重要的致灾因素.     

预制平行双节理类岩石材料板动态破坏试验研究

大型土木工程选址通常会遇到较复杂的地质结构.在工程建设或运营期间,往往受到地震、爆破等动态荷载作用,动载下其基础坐落的岩体内蕴含的节理裂隙会被激活发展,严重威胁着大型岩体工程的安全,因此,研究含节理岩体在动荷载作用下裂纹的起裂及扩展机理十分必要.试验基于断裂力学理论,取含平行双节理的类岩体材料作为研究对象,以节理角度作为变量,制作水泥砂浆试块,利用分离式霍普金森杆(SHPB)加载系统和数字图像相关(DIC)技术,动态捕捉节理的起始扩展及动态传播过程,分析其破坏形态、位移场和应力场,结果表明:①随着节理角度从0°至90°逐渐变化,样品强度呈现出先增大再减小,最后再增大的变化规律;②不同角度双裂纹试样均呈现X型主裂纹分布破坏,试样中心部位出现应变集中,岩桥连通破坏.岩桥破坏类型主要有两种,一种为两条节理尖端斜对角线相连的Z型破坏,另一种为口字形破坏.此外,高加载率会改变Z型岩桥破坏的连通位置;③同等加载条件下,0°节理试样裂纹尖端应力较小;15°～45°节理试样裂纹尖端应力略高,呈现出随加载率先增大后减小的形态;60°节理试样组受压明显导致节理面摩擦增大,使得Ⅱ型应力强度因子KⅡ持续增大;75°～90°试样组应力场由于相对加载方向垂直度较高,导致KⅡ相对较小,变化幅度也较小,破坏形态基本对称,不同裂纹尖端的KⅡ差值也较小.试验结果反映了节理岩体在动态荷载下的扩展机理,为工程建设及地质灾害防治等领域提供了一定的理论支撑.