正反向直剪下层状岩体强度和破坏特征模型试验

通过对不同倾角类层状岩体试样的正、反向直剪试验,深入对比分析了试样在正、反直剪过程中的抗剪强度、强度各向异性、剪胀性质和破坏形态的特征及不同.试验结果表明:1)层状岩体的剪切破坏,具有延性破坏特征;相同试样正、反向直剪的剪切应力与切向位移关系曲线特征点的变化规律一致,但曲线形态并不相同.2)同一法向应力下,相同试样正、反向剪切的峰值强度、残余强度和抗剪强度指标c、φ值均不相同.正向剪切时,30°的抗剪强度最高;而反向剪切时,120°的抗剪强度最高.3)相同层理倾角的试样正向剪切时,剪胀效果显著强于反向剪切时的;而反向剪切时的剪缩效果却比正向剪切时的更加明显.4)各组试样在正、反向剪切下的宏观破坏形态特征完全不同,有较强的剪切方向性.试样的剪切破坏机制可分为4种:滑移、剪断、张拉断裂和张拉滑移复合破坏.最后,通过简化计算模型的对比分析,在理论上解释了60°倾角的试样正、反向直剪时破坏机理的不同.     

岩石节理面剪切流变的试验研究

通过对龙滩水电站岩石节理样本进行快剪和剪切流变试验的比较研究，分析了节理面流变对剪切强度的影响及剪切蠕变机理，确定了节理面的长期抗剪强度，并从岩石理论模型出发，对试验数据进行了回归分析，建立了不同正应力作用下的剪切蠕变经验公式，以便于了解岩石材料在给定条件下的蠕变特性。     

剪切速率对岩石节理强度特性的影响

不同剪切速率下岩体结构面的力学特性研究是进行岩质边坡动力反应分析的重要前提。基于Barton峰值抗剪强度理论和均方根一阶导数值法的节理粗糙度系数计算方法,对前人研究中关于定法向应力条件下不同剪切速率的岩石节理峰值抗剪强度的室内直剪试验结果进行整理与计算,探究剪切速率对岩石节理总摩擦角的影响规律,提出与速率相关的岩石节理峰值抗剪强度经验公式。结果表明:当剪切速率在0~0.8 mm·s^-1范围内时,岩石节理试样的总摩擦角随剪切速率的变化呈现负对数变化规律;对于均质性和各向同性较强的岩石节理随剪切速率的增大,总摩擦角呈现减小趋势,对于非均质性和各向异性较强的岩石节理随剪切速率的增大,总摩擦角呈现增大趋势,且后者总摩擦角增大幅度小于前者的减小幅度;岩石节理的物性和微观几何形态对总摩擦角随剪切速率的增加而变化的影响较大,节理面的物性主要影响总摩擦角随剪切速率增加呈现增大或减小的变化趋势,节理面的微观几何形态主要影响总摩擦角随剪切速率的变化幅值。     

三门峡原状黄土的大型直剪试验及其尺寸效应

三门峡原状黄土富含大孔隙且垂直节理较为发育,在工程实践中对其本身的抗剪强度及变形特性有着重要影响。以往的黄土强度和变形试验多数采用常规直剪试验,导致试样避开了多数节理面和大孔隙,使试样的整体代表性降低。通过对三门峡原状黄土进行一系列的大型直剪试验,并结合常规直剪试验分析了原状黄土抗剪强度的尺寸效应。试验结果表明:关于试样的剪应力-剪切位移关系曲线,在50、100 kPa垂直压力下呈现剪切软化现象,而在200、300 kPa垂直压力下呈现剪切硬化现象;在相同垂直压力条件下,大型直剪试验得出的试样抗剪强度低于常规直剪试验得到的,并且这种差异随着垂直压力的增大逐渐变得显著。工程实践中应充分考虑尺寸效应对黄土抗剪强度的影响,进一步提升工程的安全性。     

混杂纤维高性能混凝土深梁受剪性能试验

对18组钢一聚丙烯混杂纤维高性能混凝土深梁试件和2组高性能混凝土深梁对比试件进行受剪试验,分析混杂纤维高性能混凝土深梁受剪破坏过程及破坏形态,探讨混杂纤维对高性能混凝土深梁剪切初裂强度及抗剪极限强度的影响,结果表明：掺人适量的钢-聚丙烯混杂纤维,可使深梁水平及竖向分布钢筋应变明显减小,剪切延性得到提高,掺入混杂纤维后,无腹筋深梁剪切初裂强度平均提高20.3％,抗剪极限强度平均提高17.2％;有腹筋深梁剪切初裂强度平均提高70.1％,抗剪极限强度平均提高33.9％.     

最大干密度条件下散体岩石物料的抗剪特性

为探讨最大干密度条件下矿山排土场散体岩石物料的抗剪特性,采用室内直剪试验对散体岩石物料的最大干密度及其抗剪特性进行研究。结果表明:粗颗粒含量为60%～70%时,散体岩石物料的干密度达到最大,其最优含水率呈现最小值;在最大干密度状态下散体岩石物料的"结构性"和"摩擦性"得到增强,其抗剪强度参数较天然状态c值增长14%～115%,φ值增长53%～72%;最大干密度状态下,散体岩石物料剪切过程整体上可分为启动、发展、破坏3个阶段,剪切曲线呈现应变硬化特性;试样在剪切启动阶段剪缩,发展阶段由剪缩逐渐转化为剪胀,破坏阶段剪胀效应增强。研究结果可为掌握排土场散体岩石物料的抗剪特性提供参考。     

含水率对下蜀土抗剪强度的影响

为研究不同剪切方式中,含水率对下蜀土抗剪强度的影响,选取下蜀土为研究对象,进行多组原状土样的快剪、慢剪和反复直剪试验。试验结果表明:下蜀土试样含水率在19%~28.2%之间变化时,随着含水率的增加,土的抗剪强度总体呈下降趋势,但不同剪切方式中影响规律不同。快剪试验中,含水率对土体抗剪强度的影响较大,当含水率增加到23.5%附近时,黏聚力和内摩擦角均急剧下降;慢剪和反复直剪试验中含水率对土体的抗剪强度影响较小。快剪和反复直剪试验中,土的抗剪强度主要受黏聚力控制;慢剪试验中,土的抗剪强度主要受内摩擦角控制。快剪、慢剪和反复直剪分别模拟下蜀土滑坡中的快速滑动、缓慢滑动和古滑坡的再次滑动,试验结论可为不同类型下蜀土滑坡的防治工程提供参考。     

钢纤维混凝土框架边节点的抗震性能

本文通过12个钢纤维混凝土框架边节点的试验,研究了这种节点的破坏过程、抗裂强度、抗剪强度及剪切延性等问题;给出了节点抗裂强度及抗剪强度的计算公式;并建议以剪切延性作为评价节点抗震性能的指标之一。     

尺寸效应对结构面抗剪强度影响研究

岩体中存在的结构面对岩体的物理力学性质有着重要的影响,而尺寸效应是结构面的物理力学性质的重要影响因素。为研究尺寸效应对岩体结构面强度与变形的影响,对岩芯岩样进行扫描,根据数据建立模型,对不同尺寸岩样进行直剪试验的数值模拟,同时进行法向应力下的直剪试验,对结构面在剪切应力作用下的抗剪强度曲线以及不同尺寸结构面的剪切特性进行深入研究,得出结构面抗剪强度与结构面尺寸之间的关系,并建立抗剪强度经验公式。结果表明:随着结构面尺寸的增大,结构面抗剪强度也随之增大,当达到一定尺寸后,抗剪强度开始稳定,定义此临界尺寸为表征单元面,在确定结构面抗剪强度时,结构面尺寸不得低于表征单元面面积, 本文中岩样表征单元面面积为0.384 8 m2。       

不排水强度随固结度增长特性试验研究

土体的固结程度对土的强度影响很大,采用等应变速率的直剪仪研究了饱和高岭土在各级固结压力作用下的直剪强度随固结度的变化规律,研究表明:各级固结压力下的直剪强度均随固结度的增长呈近似线性增长。利用微型十字板剪切仪研究了各级固结压力作用下的微型十字板强度随固结度的变化规律,同时考虑到尺寸效应的影响,研制了配合微型十字板剪切仪使用的小直径固结仪,研究表明:微型十字板强度同样随固结度的增长而呈线性增长;将以上两种试验结果进行比较分析,发现具有很好的一致性,验证了用微型十字板剪切仪来研究饱和软粘土抗剪强度变化规律是可行的。     

非连续岩体破裂机理及其工程稳定性研究

本研究为应用基础研究,以解决工程实际问题为目的,以围岩中客观存在的破裂区为主线,从对地下工程稳定性问题的评价入手,以相似材料模型试验和数值模拟计算为基本手段,以断裂力学为基础,研究了断续节理岩体的细观破坏机理、宏观破坏过程及其对围岩破裂区和围岩碎胀变形的影响规律;研究了断续节理岩体中围岩破裂区的性质、破裂区与地下工程稳定性的关系等问题,提出了以围岩破裂区和围岩收敛量作为判定围岩稳定性方法,为采矿工程的设计、施工和生产提供了较为可靠的决策依据.本文获得以下主要结论:1)围岩破裂区是一个综合数量指标,采用以围岩破裂区厚度作为围岩稳定性评价的指标.2)采用数字照相变形量测方法来测量围岩的变形,较好地解决了平面应变模型试验中的变形量测问题,符合非接触变形量测的发展趋势.3)断续节理岩体的破坏机制为:在集中应力作用下,节理端部岩桥首先发生张拉破坏,新生的岩桥裂纹与邻近原生节理相互串通,最终形成阶梯状滑移面而使岩体强度丧失.4)当节理两端的次生裂纹扩展长度l=h/sinβ时,节理岩体将产生贯通破坏.5)在节理岩体中,围岩破裂区是由于新生裂纹与节理相互贯通导致纵横交错的贯通裂隙所致,断续节理贯通破坏的边界可定义为围岩破裂区的边界.6)通过相似模型试验发现,当节理密度大时,围岩破裂区会跨越相邻节理;反之,节理对围岩破裂区的扩展有阻隔作用.7)围岩收敛速率的第一次突然增大,预示围岩中已产生破裂区,而围岩收敛速率的每一次突然增大,意味着围岩产生了剧烈的破坏.8)当节理角度在30°～75°之间时,节理角度对岩体强度的影响较大,并且在60°左右时岩体强度最低,稳定性也最差.9)当巷道的收敛量达到或超过2.5%时,巷道围岩中将产生破裂区;当巷道的收敛量达到或超过5%时,巷道将发生冒顶事故,已处于失稳状态;当巷道的收敛量达到或超过22.8%时,巷道将完全毁坏,并失去了人工稳定的可能.     

用有限单元法分析含断续节理脆性岩体断裂强度

本文针对含断续节理脆性岩体的结构特征及力学性状,讨论了用有限单元法分析该类岩体断裂强度所遇到的若干问题,并介绍了相应的处理方法和有限元程序。文中还介绍了应用该程序对含一组断续节理石膏模型试验进行模拟计算的成果,以数值分析方法论证了该类岩体的压剪断裂强度特性。     

岩石节理剪切强度研究

利用断裂力学理论分析了纯剪切应力状态和双向压应力状态作用下节理模型的断裂机制。在已有的数值模拟和实验基础上,通过引入分形维数,推导了粗糙节理的摩尔-库仑剪切强度的改进公式。该公式的分析结果显示,节理尺度相对于岩体尺寸越大,节理的抗剪强度就越低,并且节理的抗剪切强度与分形维数的关系是一种非线性增长关系。     

Rock fracture under anti-plane shear (Mode III) loading

Anti-plane punch-through shear test and anti-plane four-point bending test are used to study the crack initiation and propagation under anti-plane shear (Mode III) loading. The tensile and shear stresses at the crack tip are calcualted by finite element method. The results show that under Mode III loading the maximum principal stress σ₁ at crack tip is smaller or a little larger than the maximum shear stress τ_max. Since the tensile strength of brittle rock is much lower than its shear strength, σ₁ is easy to reach its critical value before τ_max reaches its critical value and thus results in Mode I fracture. The fracture trajectory is helicoid and the normal direction of tangential plane with the fractured helicoid is along the predicted direction of the maximum principal stress at the notch tip. It is further proved that Mode I instead of Mode III fracture occurs in brittle rock under Mode III loading. The fracture mode depending on the fracture mechanism must be distinguished from the loading form. Foundation item: Project (50374073) supported by the National Natural Science Foundation of China; project (2002032256) supported by the Postdoctor Science Foundation of China     

Shear behaviour of a rock bridge sandwiched between incipient joints under the influence of hydraulic pressures

The rock bridges sandwiched in incipiently jointed rock mass were considered as barriers that block the fluid seepage, and provide certain shear strength reservation. For better revealing the influence of hydraulic pressure on the failure behaviour of rock bridges, direct shear tests were carried out through a newly proposed method on rock samples that contain two parallel incipient joints. By developing the gypsum-silicone pad coupling samples, a conventional triaxial test system was qualified to implement direct shear tests with satisfied sealing capability. The results showed that the rock bridges could be failed through the tensile failure, shear failure and mixed failure mechanism. The hydraulic pressure would facilitate the tensile failure mechanism and induce rougher fracture surfaces; while the normal stress would facilitate the shear failure mechanism and induce less rough fracture. The hydraulic pressure reduced the global shear strength of the rock block through reducing the efficient normal stress applied on the rock bridge area, which was highly dependent on the joint persistence, k. Moreover, because of the iterating occurrence of the hydraulic pressure lag with the fracture propagation, the rock bridge failure stage in the shear stress-shear displacement curves displayed a fluctuation trend.     

Fracture evolution characteristics of sandstone containing double fissures and a single circular hole under uniaxial compression

The uniaxial compression experiments on the sandstone samples containing double fissures and a single circular hole were carried out by using electro-hydraulic servo universal testing machine to investigate the effect of rock bridge angle β and fissure angle α on mechanical properties and evolution characteristics of cracks.The results show that the peak strength,peak strain and elastic modulus of defected specimens decrease comparing with those for intact sample,and show a decreased trend firstly and then increase with β changing from 0° to 90°.The peak strength and elastic modulus achieve the minimum value as the rock bridge angle is 60°,while the peak strain reaches the minimum value with the rock bridge angle of 45°.The crack initiation of tested rock samples occurs firstly in stress concentration areas at tips of prefabricated fissures under uniaxial compression,and then propagates constantly and coalescences with the prefabricated hole.Some secondary cracks initiate and propagate as well until buckling failure happens.The rock bridge angle has a great influence on crack initiation,coalescence,final failure mode,crack initiation stress and transfixion stress.The peak strength varies significantly,while the elastic modulus and peak strain change slightly,and the failure modes are also different due to the influence of fissure angle.     

拱坝坝肩含断续节理岩体破坏机理研究

结合金沙江溪洛渡高拱坝坝肩岩体断续节理的特点,采用模型的试验研究方法,根据断裂力学理论模拟了含断续节理岩体抗剪强度的相似性,研究了坝肩岩体的破坏过程,破坏形态和破坏机理。