结构面在卸载条件下的力学特性研究

在深部岩体工程中,研究节理岩体的卸荷破坏机制,对于揭示节理岩体在卸荷条件下的力学行为及其破坏机理,具有十分重要的理论意义.文章通过规则齿形结构面在卸载条件下的剪切试验,对其力学特性进行了基础性研究,阐述了规则齿形结构面在卸载条件下力学特性的主要特征及其强度、变形等力学特性的主要规律,并与加载条件下的结构面的力学特性进行比较.通过试验分析得出了结构面的综合抗剪强度参数cj和φj,在加卸载条件下的变化规律,结构面强度的变化规律,在此基础上建立了评价结构面剪切强度的经验公式.文章最后还对结构面在加卸载条件下的扩容特性进行了分析,并对现象做出了解释.     

锯齿结构面注浆剪切特性研究

为研究注浆对于结构面抗剪强度的影响,对注浆加固后的规则锯齿结构面进行剪切试验,研究不同锯齿个数时,结构面所受法向荷载与抗剪强度的定量关系。根据试验结果,阐述了规则注浆锯齿面破坏时的特征。结合莫尔库伦理论,分析影响结构面抗剪强度的相关因素以及锯齿个数对相关因素的影响。通过与普通规则锯齿结构面剪切试验进行对比,进一步说明注浆对结构面抗剪强度的影响。建立单锯齿剪切力学模型,分析顺逆剪面破坏特点,最终建立了规则注浆锯齿结构面的抗剪强度经验公式。研究结果表明:规则注浆锯齿结构面的抗剪强度随锯齿个数的增加而增加,在不同正应力下,注浆锯齿结构面会出现粘接失效,爬坡效应,剪断效应三种基本现象。单个锯齿顺逆剪面破坏与施加的荷载大小和位置有关。结构面进行注浆加固之后,其抗剪强度有明显的提高。     

规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究

 通过规则齿型结构面在不同法向应力下的剪切试验,对其力学特性进行基础性研究,阐述规则齿型结构面在剪切条件下力学特性的主要特征,以及其强度、变形等力学特性的主要规律。通过对试验数据的分析,对结构面在剪切应力作用下的剪切变形曲线以及不同粗糙度结构面的剪切变形特性进行深入研究,在此基础上提出结构面剪切变形特性的经验本构关系,同时对结构面综合抗剪强度参数在剪切条件下的变化规律进行研究,建立评价结构面剪切强度的经验公式。最后还对结构面在剪切条件下的扩容特性进行分析,并对现象做出解释。     

剪切位移作用下随机裂隙面渗流特性试验研究

利用剪切渗流耦合试验系统开展剪切渗流应力耦合试验,分析轴向压应力、剪切应力和渗透压力等因素共同作用下随机单裂缝渗流中的裂隙面渗流特性和运动规律。根据试验得到剪切荷载和剪切位移的关系曲线、法向位移和剪切位移的关系曲线,通过观察在不同渗透压力和轴向压力下剪切荷载、法向位移的变化,总结出在剪切渗流耦合运动中渗透压力、轴向压力对剪切荷载及法向位移的影响。利用试验所得到的渗流量,通过立方定律换算得到水力开度和剪切位移关系曲线,并根据曲线特性选择使用4参数Logistic函数进行拟合,得到剪切渗流耦合过程中剪胀角和应力之间的关系式。依据Logistic函数参数的数学意义,提出一种确定单裂隙剪切渗流耦合最危险切向位移点的新方法。     

结构面的剪切蠕变特性及本构模型研究

岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义,结构面的蠕变力学性态往往控制着岩体的时效变形和长期强度,研究结构面的剪切蠕变特性是岩石流变学的一项重要内容。通过规则齿形结构面在不同法向应力条件下的剪切蠕变试验,研究了不同角度结构面的剪切蠕变特征,并根据蠕变试验结果,对结构面的剪切蠕变特性进行了描述,对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行了研究。研究表明,结构面在蠕变试验过程中,严格意义下的稳态蠕变是不存在的,常说的稳态蠕变实际上是蠕变速度随时间缓慢减小的近似稳态蠕变过程。最后,提出改进Burgers模型来描述蠕变的剪切蠕变特性,并讨论了改进的Burgers模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

一种考虑剪切速率的粗糙结构面剪切强度准则

动荷载(不同剪切速率)下的节理岩体结构稳定性是目前工程建设亟待解决的问题之一。以黄岛国家石油储备库地下水封石油洞库工程为工程背景,采用JAW-600岩石剪切流变–渗流耦合试验机对4种粗糙度下的类岩石粗糙结构面进行不同剪切速率下的常规剪切试验,对结构面的强度特性进行了基础性研究。研究结果表明:剪切速率和粗糙度对结构面剪切强度都有较为明显的影响;同一结构面的剪切强度随着剪切速率的增大而减小,并不受粗糙度系数的影响;同时结构面剪切强度随粗糙度系数增加呈现出线性增加的趋势,但不受剪切速率的影响。最后,基于试验结果与Barton模型,提出考虑剪切速率的粗糙结构面剪切强度模型。Barton标准粗糙剖面线结构面及粗糙结构面的试验结果与新模型预测值误差保持在20%之内,平均误差为10.539%,能够较好的预测粗糙结构面动荷载条件下剪切强度。     

剪应力作用下岩体裂隙渗流特性研究

通过对规则、均匀、粗糙裂隙的渗流剪切实验，结合裂隙面受剪时的力学机理，研究了岩体裂隙在剪切荷载作用下的渗流特性，并对裂隙剪缩阶段过流能力的变化进行了探讨。实验结果表明，剪切荷载作用下，裂隙在剪动前渗透性随剪应力的增加而降低，且渗透系数与剪应力有十分明显的线件关系。     

注浆加固后岩体单一界面抗剪强度

针对单一岩石界面的注浆加固强度问题,分析结构面剪切破坏机制以及黏结力与摩擦力的耦合效应,并开展规则锯齿状结构面剪切试验。对三维条件下结构面粗糙程度的各向异性及其表征方法进行分析。依据结构面微凸体倾角与剪切方向的关系,提出摩擦力主控区域与黏结力主控区域的划分。基于无黏结强度时结构面的抗剪强度准则,以及结构面黏结力作用机制,建立单一界面注浆加固体的抗剪强度计算公式,计算表明,注浆材料的黏结力作用受结构面粗糙度各向异性的影响显著。注浆加固后,结构面的抗剪强度沿各个方向均得到提升,但结构面的抗剪强度仍然存在明显的各向异性。研究结果为岩体注浆加固效果提供了评判依据。     

层状岩体的抗剪强度力学特性研究

基于摩尔—库仑准则研究了单结构面岩体的力学特性,对不同形态结构面的抗剪强度进行了分析,得出了不同形态结构面剪切强度公式,并指出结构面上产生的切向力大于结构面的摩擦力且克服了剪胀压力的影响是导致岩体结构面发生剪切方向的变形和破坏的原因。     

基于岩桥力学性质弱化机制的非贯通节理岩体直剪试验研究

 基于岩桥力学性质弱化机制,采用带伺服系统的直剪试验仪进行试验,在5级法向应力下,对3种含齿形节理的非贯通节理岩体进行直剪试验,研究非贯通节理岩体的强度特性和变形特性。在较低的法向应力下,含起伏角较低齿形节理面的非贯通节理岩体出现破坏模式I(张拉破坏模式)。在较高的法向应力下,含起伏角较高齿形节理面的非贯通节理岩体可能出现破坏模式II(先张拉后剪切破坏模式)。相同齿形节理面形貌的非贯通节理岩体,随着法向应力增大,峰值切向位移增大,抗剪强度增大。在相同的法向应力下,随着齿形节理面起伏角增大,非贯通节理岩体的峰值切向位移减小,抗剪强度增大。非贯通节理岩体黏聚力按Jennings方法计算值大于按试验拟合值;节理面较粗糙非贯通节理岩体内摩擦角按Jennings方法计算值大于按试验拟合值。     

网纹红土剪切试验研究

为研究洞庭湖地区网纹红土的力学特性,对其进行了直接剪切试验和三轴剪切试验,试验表明,网纹红土的抗剪强度随垂直荷载的增大而增大,存在使其发挥最大抗剪能力的最适宜剪切速率,它随垂直荷载的增大而减慢,围压越大,土体被剪坏的主应力差也越大。     

节理岩体蠕变特性的数值模拟研究

利用FLAC3D软件建立不同结构面角度的三维规则齿形结构面模型,进行不同应力水平条件下的结构面剪切蠕变试验.试验结果表明,不同剪应力级别下,试样的齿状突起物所发挥的作用并不相同,随着剪应力级别的增大,发挥抵抗作用的齿状突起物逐渐减少,起到抗剪作用的突起物越来越少.对于相同角度的结构面试件,当法向应力水平高时,剪切蠕变变形大,剪切应力加载的级数明显增加;对不同角度的结构面,在相同的试验条件下,角度越大,剪切蠕变变形越小,结构面角度较大的试样剪应力加载的级数也更多.     

循环荷载作用下脆性材料剪切性能试验研究

在自制的MTS振动台试验设备上对混凝土、岩石类脆性材料（砂浆材料）进行静力和动力剪切试验,试验结果表明,（1）动力荷载情况下位移-剪力包络线形状同静力荷载情况下曲线破坏形状相似,均可划分为相同的4个阶段;（2）在相同垂直压力作用下试件的动力抗剪强度与静力抗剪强度相比有明显的增大趋势,强度较低的试件强度增加较大;（3）在相同频率情况下,随着垂直压力的增大,峰值剪切强度、残余抗剪强度随之增大;（4）静力荷载情况下其破坏处水平位移要大于动力荷载情况下破坏处的水平位移,其他条件相同时破坏处水平位移值随峰值抗剪强度的增大而增大;（5）剪切过程中有明显的剪胀现象出现。最后根据试件的破坏形状,初步分析混凝土、岩石类脆性材料的动静态剪切特性的机制。     

结构面剪切破坏特性及其在滑移型岩爆研究中的应用

 从锦屏二级水电站深埋隧洞施工中发现结构面的剪切滑移可能诱发极强岩爆,因此为研究结构面对滑移型岩爆的控制机制,利用水泥砂浆作为模型材料制作了3种不同起伏高度的不规则锯齿形结构面并进行了直剪试验,研究了不同起伏高度、剪切速率和法向压力下的结构面的强度特征和破坏机制,并对现场的滑移型岩爆进行了初步的机制分析。研究结果表明,每种起伏高度的结构面的峰值抗剪强度和残余强度均随法向压力增大而增大;随着起伏高度的增加,结构面的抗剪强度、内摩擦角逐渐增加;随着剪切速率增加结构面抗剪强度具有先增加后减小的趋势;不同工况下结构面的破坏机制可归纳为锯齿的滑移错断机制、结构面上下盘的拉伸断裂机制和上盘前端下盘后端的冲击断裂机制,结构面的起伏高度越大、法向应力越高,冲击断裂的规模越大;现场结构面的应力集中程度、结构面面壁凸台的尺寸、强度和位置等决定了滑移型岩爆发生的等级、爆坑深度。     

岩体结构面HM耦合分析的界面层模型

结构面对岩体力学性质、渗透特性及水力(HM)耦合过程起控制作用,其变形、渗流及HM耦合机制是岩体多场耦合研究的关键科学问题.从岩体HM耦合分析的角度,将结构面概化为界面层,采用张开度、刚度或Lame常数等参数表征界面层的几何特征及物理力学特性,研究界面层在法向应力作用下的闭合变形特性、压剪作用下的剪胀与剪缩演化规律以及变形与渗流耦合特性,建立考虑弹性、弹塑性及峰后力学特性的界面层变形模型,推导能考虑HM耦合效应的渗流广义立方定理及非饱和渗流模型.研究表明,基于界面层的结构面变形、渗流及HM耦合模型可以得到试验验证,模型参数可以通过简单的试验获得.采用界面层模型进行HM耦合研究使得变形与渗流分析建立在相同的物理模型基础上,有利于更好地揭示岩体HM耦合机制,提高多场耦合分析的可靠性.界面层模型不仅可应用于不连续介质的HM耦合分析,也可用于等效连续介质的HM耦合分析.     

不同充填度对节理剪切破坏机理的影响

岩体的力学性质主要受制于节理的力学性质,而节理充填物对节理的力学性质有较大影响。为研究节理充填物厚度对节理力学性质的影响,采用水泥砂浆制作不同充填度的规则人工节理进行剪切试验,并采用PFC(Particle Flow Code)数值模拟软件研究该节理的破坏机理。试验与数值模拟结果表明:随着法向荷载和充填度的增大,节理峰值剪切强度增大,剪胀特性减弱;随着起伏角的增大,节理峰值剪切强度增大,剪胀特性增强。在节理剪切过程中,充填体首先发生破坏,此后再产生剪切断裂和剪胀破坏。在不同的法向荷载、充填度和起伏角条件下,节理破坏为滑移破坏、剪切断裂破坏和拉伸断裂破坏3种,低法向荷载和低起伏角时,滑移破坏为主,拉伸断裂发生于起伏角较大的节理中,而剪切断裂破坏多以节理和充填体共同破裂组成,发生于法向荷载与充填度均为中等大小的情况。当充填体厚度与齿形凸起高度相当时,节理破坏主要为充填体剪切破坏。     

不同注浆材料作用下结构面剪切力学特性研究

注浆技术是裂隙岩体常用加固方法,其对岩体的作用主要体现在对结构面力学特性的影响,不同注浆材料加固效果和作用机制不同。以红砂岩为研究对象,通过劈裂法制取结构面,选取水泥、环氧树脂进行结构面注浆,开展不同法向压力下的直剪试验,并与未注浆结构面剪切试验结果进行比较,对其剪切力学特性进行分析。利用三维扫描仪,对剪切前后的结构面进行扫描,以有效剪切倾角、结构表面三维形貌的起伏度坡度均方根Z_2的计算公式为理论基础,利用分析软件对剪切前后的结构面进行粗糙度评价,分析注浆对于结构面三维形貌特征的影响。试验结果表明:注浆可以增大结构面间的黏聚力,同时改变结构面的三维形貌特征,使得抗剪强度增大;不同注浆材料表现的力学特性有所不同,环氧树脂注浆材料对结构面加固效果突出,水泥注浆材料在低法向应力水平下效果较为明显。     

基于直剪试验的页岩强度各向异性研究

 层理面的存在是页岩地层力学性质、强度特征和破裂模式表现出明显各向异性特征的根本原因,也是引起水平井井壁易失稳的重要原因之一。为分析层理面的力学性质及其影响下页岩的抗剪强度各向异性特征,开展不同角度页岩的直接剪切试验,并根据剪切破坏机制的各向异性和剪应力集中系数,从不同角度分析抗剪强度各向异性的原因,试验和理论分析结果表明：(1) 层理面是页岩地层的薄弱面,其黏聚力和内摩擦角明显小于页岩基质体,抗剪强度也最低,其剪应力–剪切位移曲线并没有表现出岩石剪切强度随滑动而弱化的特点,而是其残余摩擦力甚至还略大于抗剪强度。(2) 0°,30°,60°和90°四个方向中,页岩抗剪强度的最大值在60°时取得,且0°,30°和60°试样的剪应力–剪切位移曲线均表现出剪切强度随滑动而弱化的现象。(3) 页岩剪切破坏机制可分为沿页岩本体的剪切破坏、沿层理面张拉和本体剪切的复合破坏、以及沿层理面的剪切滑移3种模式;页岩抗剪强度的各向异性是由其剪切破坏机制的各向异性控制的。(4) 剪应力集中系数在一定程度上反映了岩石直接剪切时剪切承载力的强弱,可用来分析页岩抗剪强度的各向异性特征;不同方向页岩直接剪切时,剪应力集中系数仅与沿剪切方向的弹性模量和剪切层的厚度有关;相同法向应力下,90°试样的剪应力集中系数最大,抗剪强度最小,而60°试样的剪应力集中系数最小,抗剪强度最大。该试验和理论分析结果可为深入分析岩质边坡中滑动面的运动特征和页岩气水平井井壁稳定性等提供一定参考。     

压–剪耦合条件下黏土渗透特性的试验研究

利用一种新研制的土体扭转剪切渗透试验装置,研究黏土在压–剪耦合条件下渗透特性的变化规律。结果表明,当前固结压力与前期固结压力的相对大小决定着黏土剪切变形前后渗透系数和渗透稳定性的变化趋势。当固结压力大于试样的前期固结压力时,剪切面在剪切过程中发生压紧现象,没有产生明显的渗透弱面,试样总体渗透系数随着剪应变的发展略有减小。当固结压力小于试样的前期固结压力时,试样处于超固结状态,剪切面在剪切过程中逐渐发生剪胀破裂从而出现渗透弱面;在稳定渗流条件下渗透弱面具有自愈特性,但是自愈后的渗透系数显著增大。高固结压力下的正常固结试样剪切后的渗透稳定性没有显著变化。低固结压力下的超固结试样的渗透稳定性显著降低,其渗透破坏的形式为水头骤升条件下的水压楔劈效应将渗透弱面劈裂,进而产生裂缝冲刷破坏。     

规则岩体结构面的蠕变特性研究

 岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。通过规则齿型结构面在剪切应力条件下的双轴蠕变试验,研究不同爬坡角的结构面在不同法向应力时的蠕变特性,并根据蠕变试验结果,得到结构面剪切蠕变、法向蠕变随法向应力、剪应力、爬坡角的变化规律和时效性,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性。在模型试验的基础上采用三维有限元程序对具有锯齿状结构面的水泥砂浆块体在荷载作用下的受力性状进行模拟分析。通过有限元分析,探讨规则齿状结构面的应力分布规律。利用ANSYS计算结果,通过最大正应力理论对结构面的破坏进行判别,从而验证在剪切试验中,齿面以拉断形式破坏。