软硬互层状类岩石试样力学特性的三轴试验研究

句容抽水蓄能电站工程区内发育有薄层泥岩与白云岩互层状的地层结构,对软硬互层状地层开展力学性质的研究对电站的建设和安全评价有重要意义。采用相似材料制作软硬互层状类岩石试样,对各组试样进行常规三轴试验,研究不同夹层倾角、夹层厚度比及围压条件下试样的强度规律及破坏形式。结果表明:厚度比为1∶1∶1和1∶3∶1时,随角度的增大,试样强度降低。不同厚度比倾角相同的试样强度接近,破坏形式相同。增大软岩层的厚度会显著降低试样整体的强度。倾角为0°时,试样破坏后软岩破碎,无法确定主破坏面。随着角度的增大,试样破坏形式发生变化,沿软岩和两侧交界面发生错动。倾角为45°时,破坏面贯穿试样,软岩相对完整。厚度比为3∶1∶3的不同夹层倾角试样,主要发育1～2个贯穿试样的主破坏面以及少量连接主破坏面与软硬岩层交界面的次级破坏面。夹层倾角在0°～45°范围时,随着倾角的增大,试样的强度参数逐渐降低。     

裂隙倾角及数目对岩体强度和破坏模式的影响

为研究不同裂隙倾角和数目下低强度岩体强度和变形破坏特征,对含不同预制裂隙的类岩石材料试件进行常规单轴压缩试验。结果表明:(1)低强度岩体峰值强度随裂隙数目增加而减小,随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角0°的三裂隙试件单轴压缩强度最低;(2)除90°裂隙试件外,随裂隙数量增加,试件弹性模量减小,而轴向峰值应变先增大后减小;(3)随裂隙倾角增大,试件弹性模量和轴向峰值应变总体呈“凹型”变化,最小值发生在30°裂隙试件,且大倾角裂隙试件(α>45°)的轴向峰值应变对裂隙倾角敏感程度大于小倾角裂隙试件(α<45°);(4)随裂隙数目增加,低强度岩体的破坏模式变化趋势:脆性破坏→塑性破坏→塑性流动变形破坏。     

深部单裂隙岩体结构面效应的三轴试验研究与力学分析

 通过在类岩石材料中人工预制单裂隙,以常规三轴压缩试验为手段,研究深部单裂隙岩体的强度特征及破坏特性;用断裂力学原理分析单裂隙岩体沿结构面剪切破坏的影响因素,探讨裂隙岩体沿结构面滑动破坏的条件。研究结果表明：(1) 单裂隙试样强度不仅具有明显围压效应,而且与裂隙倾角和尺寸关系密切;(2) 裂隙是试件损伤的外在集中表现,裂隙试样的弹性模量和变形模量与围压、倾角及尺寸相关,裂隙尺寸对模量的影响最大,随着尺寸增加模量显著下降,而围压和倾角对模量的影响较轻微;(3) 预制单裂隙试样的破坏形式既有沿结构面的滑动剪切破坏,也有试样自身的剪切破坏,而当裂隙尺寸较小时,还将产生裂隙重置后沿新结构面的剪切破坏;(4) 单裂隙试样在理想II型剪切破坏时,断裂力学理论与莫尔–库仑强度准则达到较好统一;(5) 单裂隙试样沿结构面滑动破坏不仅取决于结构面倾角,而且与裂隙尺寸及围压大小关系密切,裂隙倾角适当,尺寸较小,围压较高时,试样才能产生沿结构面的滑动破坏,尺寸较大时,沿结构面滑动破坏对围压不敏感;(6) 单裂隙三轴压缩试验中,既有I和II型裂纹产生,也有III型裂纹的扩展。研究成果能为含裂隙或断层的地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。     

层状砂岩各向异性力学特性试验研究

岩体的各向异性力学特性对工程安全稳定具有至关重要的影响。针对工程中常见的层状砂岩,设计进行0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°等7种层理角度的单轴和三轴压缩试验,详细分析层理角度对岩体力学特性和破坏模式的影响。研究结果表明:(1)不同层理角度岩样的应力–应变曲线形态基本一致,均包括压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,随着层理角度的增加,应力–应变曲线的压密阶段逐渐变短;(2)在单轴和三轴压缩状态下,层状砂岩各向异性特性明显,层理角度从0°增大到90°,弹性模量逐渐增大,而变形模量、抗压强度、黏聚力和摩擦角先减小后增大,呈U型分布,在0°或90°时达到最大值,60°左右时达到最小值;(3)随着围压的增大,其对层理弱面开裂滑动的限制作用逐渐增强,层理弱面对岩样的破坏模式影响效应逐渐减弱,不同层理角度岩样的力学参数差别逐渐减小,岩样的各向异性特性逐渐减弱;(4)层状砂岩的破坏模式与层理角度和围压的关系密切,可以归纳为3种类型:劈裂张拉破坏、顺层理弱面的剪切滑移破坏、局部顺层理弱面和局部穿越基质、层理弱面的复合剪切破坏。研究结论可为层状砂岩相关的工程变形稳定分析提供参考。     

节理间距对柱状节理玄武岩隧洞稳定的影响研究

在提出一种改进的包含节理间距的柱状节理模型的基础上,针对节理间距、节理倾角、围压三者联合作用对柱状节理岩体应力–应变曲线、岩体强度的影响进行了深入的研究。研究结果表明:(1)节理间距增大至一定程度时,其岩体强度等于岩块强度;节理间距减小至一定程度时,其岩体强度等于遍布节理强度;(2)节理间距对岩体应力–应变曲线的3个阶段均有较大影响,弹性变形、屈服强度和残余强度,均随着节理间距的增大而增大;(3)当围压增高时,节理间距导致的岩体劣化特征减弱,到达岩块强度和遍布节理强度的节理间距均减小;(4)当某一节理面倾角小于45°-φ/2或者大于45°-φ/2时,岩体不沿节理面破坏,即使改变节理面间距,其强度也不发生变化;而当节理面倾角大于45°-φ/2小于45°-φ/2时,岩体沿节理面发生破坏,并且随着节理面间距的增大,强度增大;(5)一类柱状节理可以按照遍布节理模型来考虑,但是二类、三类柱状节理由于节理间距较大不能按照遍布节理来考虑,而应采用本文所提出的包含节理间距的柱状节理模型。     

结构面对板岩力学特性影响研究

运用单弱面理论研究含单组结构面的板岩岩体抗压强度随结构面方位的变化情况,建立了相应的一维、三维抗压强度的变化规律。将该规律运用到南水北调西线的板岩试验结果分析中,研究结果表明:(1)运用单弱面理论建立的强度变化规律较好地吻合了单轴、三轴试验结果,可以认为正确反映了板岩的强度变化规律;(2)当结构面倾角在51.7°左右时,板岩的抗压强度取得最小值;并以此为对称中心,倾角向大小两个方向变化时,抗压强度逐渐增大,到一定角度后将变为岩块的强度;(3)板岩的破坏形式随结构面的变化而不同,可以产生沿结构面滑移、剪切破坏及复合破坏3种类型的破坏形式;(4)围压的增大会使得板岩的破坏方式由复合破坏向剪切破坏转变,结构面的密度对岩体的强度影响不大。     

节理对砂岩变形及破坏特征影响研究

工程岩体一般都含有各种不同级别的地质构造节理和软弱面,使得岩体的强度弱化。含有节理的岩体和完整岩石具有完全不同的力学性质。本文在三轴压缩试验的基础上,对不同节理倾角的三峡库区砂岩开展研究,探讨其变形及破坏特征。试验结果表明:①在同种围压下,节理岩样峰值强度的大小关系为:σ_60°<σ_30°<σ_90°<σ_完整。②相同围压下,完整岩样弹性模量及变形模量均高于节理岩样,随着围压升高,岩样弹性模量和变形模量逐渐增大,其增长速度随围压增大而逐渐降低。③在低围压下(＜5 MPa),节理倾角对岩样弹性模量和变形模量影响较大,相比完整岩样有较大幅度地降低,其中30°倾角和60°倾角岩样降低程度较高,弹性模量最高达31%,变形模量最高达40%;随着围压增大(大于10 MPa),节理倾角对岩样变形参数影响逐渐减小,相比完整岩样,节理岩样弹性模量降低幅度小于15%,变形模量降低幅度小于10%。④节理倾角和围压对岩石的破坏机制均有较大的影响,节理倾角及围压不同,岩样破坏形式不同。     

不同倾角贯穿节理类岩石试件峰后变形破坏试验研究

用微机控制高刚度伺服试验机,开展预制贯穿节理类岩石试件的单轴压缩试验,系统研究贯穿节理类岩石试件峰后应力-应变曲线、破坏形式、峰后残余强度、峰后视泊松比等与裂隙倾角之间的关系。试验发现：(1)节理倾角为15°时,峰后的应力-应变曲线和完整试件的基本相同,当节理倾角为30°,40°,50°,60°时,峰后应力-应变曲线与完整试件的差别很大;(2)峰值强度随着节理倾角的增大而减小,峰后的残余强度也大致上随节理倾角增大而减小;(3)随着节理倾角的增大,含节理试件的泊松比也随之增大,而峰值强度后破坏阶段的视泊松比则随之变小;(4)试件峰后破坏模式随节理倾角的变化而不同,在倾角为15°时为劈裂破坏,倾角为50°,60°时为剪切破坏,倾角为30°,40°时为劈裂和剪切破坏的混合模式。研究成果可以反映含单组全贯穿节理类岩石材料的加载破坏峰后力学和变形破坏特性。     

双轴压缩试验下岩石裂纹扩展的离散元分析

基于颗粒离散元理论,研究含2条预制裂纹的Hwangdeung花岗岩在双轴压缩试验下的裂纹扩展及破坏模式。研究结果表明：围压对岩石裂纹扩展及破坏模式有显著影响;水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用随着围压的增大而增强;且倾角越大,水平预制裂纹的保护作用越明显;当预制裂纹倾角α≤75°时,试验停止时微裂纹数目随围压的增加而增大;而当预制裂纹倾角α=90°时,微裂纹数目先增大后减小;试样的起裂应力都随着围压的增加而增大(除α=75°);试样的峰值强度也均随着围压的增大而增大;预制裂纹倾角不同,围压对试样的起裂应力和峰值强度的影响程度不同;相同围压下,不同预制裂纹倾角试样的起裂应力和峰值强度的大小关系无明显规律,而与其具体破坏模式有关;整体来看,当预制裂纹倾角α=60°时,围压对岩体力学特性影响最大。     

断续裂隙类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

研究三向应力作用下裂隙对岩石力学特性的影响对于确保裂隙岩体工程稳定具有重要的实践意义。通过配制含两条不平行张开贯穿型裂隙类砂岩试样,采用MTS815.02岩石力学伺服试验机进行不同围压下常规三轴压缩试验。基于试验结果,详细分析了完整及断续不平行双裂隙类岩石材料的应力–应变曲线、强度和变形参数以及破裂模式。研究结果表明:1断续裂隙岩样应力–应变曲线呈现多台阶式软化,部分曲线出现双峰值现象;2完整及断续裂隙岩样峰值强度、裂纹损伤阈值和峰值应变均随着围压的增大呈线性增大。完整岩样峰值强度对围压的敏感程度最高,而断续裂隙岩样中由倾角45°,30°和60°依次减小;3断续裂隙岩样宏观破裂模式受裂隙倾角和围压的共同作用。当围压较小时,破裂形态受裂隙倾角的影响较大;当围压增大到一定程度后,裂隙倾角的影响逐渐减弱,围压的作用开始显现,岩样最终呈剪切破坏模式。     

节理特性对顺层隧道破坏模式及稳定影响分析

顺层隧道的破坏模式及稳定性与岩体节理特性密切相关。建立顺层隧道的节理岩体模型,采用有限元强度折减法,研究了当顺层隧道围岩为硬质岩层、硬质岩软质岩互层时,节理倾角变化以及节理间距变化对隧道破坏模式及稳定性的影响。结果表明,顺层隧道开挖后,顺层面方向围岩会顺着节理面滑移,垂直层面方向围岩会产生弯曲折断破坏。当节理倾角变化时,两个方向的破坏程度和破坏范围会随之发生变化,从而影响隧道的安全系数,倾角40°时安全系数达到峰值。当隧道围岩为硬质岩层时,节理倾角的变化对隧道围岩的破坏模式影响较小,当隧道围岩为硬软互层时,随着节理倾角的增大,软质岩顺着节理面滑移的可能性大大增加。当节理间距增大时,隧道围岩宏观力学性质逐渐趋向于岩石,安全系数逐渐增大。研究成果对于合理设计顺层隧道的支护措施具有指导意义。     

单斜构造软硬互层围岩隧道变形特征及控制对策

为探究单斜构造软硬互层围岩隧道在不同岩层倾角下的变形特征,以渭源至武都高速公路木寨岭隧道工程为依托,对炭质千枚岩和砂质板岩互层围岩隧道开展了现场调研和现场监测,分析了隧道变形特征及影响因素; 利用有限差分软件FLAC 3D建立三维数值模型,研究了不同岩层倾角下的隧道变形规律; 针对不同的变形特征,总结了针对性的隧道变形控制措施。结果表明:隧道变形主要受岩层倾角和地下水影响,在单斜构造地层条件下隧道呈现出明显的非对称变形,隧道一侧岩层易发生弯曲变形和破坏,建议采用“非对称布设和长-短组合搭配”的预应力锚索对围岩进行主动加固; 在地下水汇集的情况下,隧道另一侧岩层易沿弱面发生顺层滑移破坏,应注意排水,避免地下水在初期支护背后汇集,减小地下水对围岩稳定性及初期支护变形的影响; 当岩层倾角小于50°时,隧道变形表现为沉降大于水平收敛; 当岩层倾角大于50°时,隧道变形则表现为水平收敛大于沉降; 隧道最大沉降随岩层倾角呈三角函数规律变化,当岩层倾角为40°～50°时,隧道沉降达到最大值; 最大收敛变形随岩层倾角呈指数规律变化,即岩层倾角越大,隧道收敛变形越显著。     

软硬互层盐岩变形破损物理模拟试验研究

 针对我国盐岩地层的地质赋存特征,开展一系列物理模拟试验,探讨倾角、夹层和界面对软硬互层盐岩变形破损的影响规律。试验结果及理论分析表明：(1) 软硬互层盐岩的单轴抗压强度随倾角变化呈两边高、中间低的U形变化规律。(2) 软硬互层盐岩的破坏模式：层面倾角θ＜30°时,为脆性硬夹层主控的整体破坏;45°＜θ＜75°时,为弱夹层或弱界面主控的剪切滑移破坏;85°＜θ＜90°时,为硬夹层劈裂破坏,局部弱夹层剪切破坏。(3) 沿弱夹层和弱界面的剪切滑移破坏是软硬互层盐岩单轴抗压强度呈现U形变化规律的内在原因。因此,设定储气库的运行压力时,需要着重考虑腔壁肩部和腰部弱夹层和界面的抗剪强度,防止其达到破坏强度而导致腔体破损,从而避免因气体泄漏而引发事故。     

软硬互层岩体卸荷蠕变力学特性试验研究

 利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全程曲线。蠕变试验结果表明：围压较高时,试样的轴向与侧向变形随时间的推移变化不大,蠕变现象不明显;随着围压逐渐减小,试样的蠕变变形越来越显著,在最后一级出现了典型的蠕变3个阶段并发生了非线性加速蠕变现象直至试样破坏。软硬互层岩样三轴卸荷蠕变破裂形式主要以剪切破坏为主,局部伴随着一定程度的张拉破坏,主裂纹与水平面大致呈45°角,剪切破裂面较为单一平整,且破坏面基本是沿着强度较低的绿片岩层理内部并平行于层理面产生和扩展贯通而形成的。在加速蠕变阶段之前,其侧向蠕变变形比轴向蠕变变形小,但试样处于加速蠕变阶段时,侧向蠕变变形量与蠕变速率均要高于轴向蠕变;这表明随着时间的增长和围压的降低,岩样的侧向蠕变比轴向蠕变更为灵敏,而且体积扩容效应显著。卸荷条件下,蠕变力学参数表现出较为显著的非定常性规律,当外荷载小于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数与卸荷量有关,随着卸荷量的增大逐渐弱化;当外荷载大于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数不仅与卸荷量有关,而且还与蠕变时间有关。     

层状软岩力学特性现场试验研究

水布垭水电站地下厂房薄层页岩、粉砂岩互层岩体及层间剪切带属于层状软岩,针对其进行原位承压板法变形试验、直剪试验及三轴试验,对通过不同试验得到的力学参数进行了对比分析,结果表明：变形模量的围压效应明显,通过三轴试验得到的变形模量大于承压板法变形试验的变形模量,且随围压的增加而变大;三轴试验有整体拉裂破坏和较软层首先拉裂而导致破坏两种破坏方式;通过三轴试验求出的抗剪强度参数明显大于以层面为剪切面的直剪试验抗剪强度参数。     

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明：①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力-应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

层状岩体剪切强度与破坏规律分析

对用类岩石材料自制的层状岩体试样,开展了一系列的直剪试验,研究了层理面倾角和层理面间距对岩体抗剪强度的影响,分析了层状岩体剪切破坏形态的规律。试验结果表明:层理面倾角为0°时,试样的抗剪强度最低;层理面倾角为30°时,试样的抗剪强度最高;层理面间距越大,试样的峰值抗剪强度也越高;层状岩体试样的剪切破坏形态,按其破坏机理可分为滑移、剪断和张拉断裂破坏3种。     

层状大理岩卸荷力学特性试验研究

 以锦屏一级水电站地下厂房实际应力环境为基础,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对该厂房区域典型层状大理岩开展常规三轴加、卸荷破坏试验研究。研究成果表明：平行层理面压缩时,卸荷试验得到的抗剪断、抗剪强度参数较加载试验得到的c,j 值低,残余内摩擦角jr值却较高;相同卸荷条件下,垂直层理面压缩得到的抗剪断、抗剪强度参数较平行层理面压缩得到的c,j 高,jr值却较低;卸荷条件下岩样的破坏是其向卸荷方向的强烈扩容所致,峰值强度后继续卸荷对岩石峰后承载力有显著的弱化作用;试验得到的各组弹性模量大致随围压增加而增加,而峰值应力对应的变形模量则反之,单个岩样在卸荷试验中,变形模量大致随围压卸荷而降低,垂直层理面压缩得到的变形模量较平行层理面压缩的高20%～51%,侧胀系数m 的变化规律则反之,前者较后者的低3%～12%;在相同卸荷条件下,平行层理面压缩时,岩石更易发生破坏,而垂直层理面压缩时,大理岩的脆性变形特征更显著。这些结论揭示了层状大理岩的卸荷力学特性,对解决工程实际问题有重要的参考价值。     

Dynamic compression characteristics of layered rock mass of significant strength changes in adjacent layers

Layered rock mass of significant strength changes for adjacent layers is frequently observed in underground excavation,and dynamic loading is a prevalent scenario generated during excavation.In order to improve the driving efficiency and reduce engineering accidents,dynamic compression characteristics of this kind of rock mass should be understood.The dynamic properties of a layered composite rock mass are investigated through a series of rock tests and numerical simulations.The rock mass is artificially made of various proportions of sand,cement and water to control the distinct strength variations at various composite layers separated by parallel bedding planes.All rock specimens are prefabricated in a specially designed mould and then cut into 50 mm in diameter and 50 mm in height for split Hopkinson pressure bar(SHPB)dynamic compression testing.The test results reveal that increasing strain rate causes the increases of peak strength,σ_p,and the corresponding failure strain,ε_p,while the dynamic elastic modulus,E_d,remains almost unchanged.Interestingly,under the same strain rates,Ed of the composite rock specimen is found to decline first and then increase as the dip angle of bedding plane increases.The obtained rock failure patterns due to various dip angles lead to failure modes that could be classified into four categories from our dynamic tests.Also,a series of counterpart numerical simulations has been undertaken,showing that dynamic responses are in good agreement with those obtained from the SHPB tests.The numerical analysis enables us to Iook into the dynamic characteristics of the composite rock mass subjected to a broader range of strain rates and dip angles than these being tested.