岩石结构面注浆加固抗剪特性试验研究

为了研究破裂岩体结构面的注浆加固效果,并揭示其加固实质和作用机制,对单轴压缩试验形成的破裂岩样结构面粗糙度进行了测量与研究;通过破裂岩样结构面注浆加固的剪切试验,分析了注浆对结构面强度和刚度等力学特性参数的影响;通过锯齿形模型化结构面注浆前后剪切试验,分析了锯齿形结构面的力学特性及注浆加固对模型化结构面的影响。研究结果表明,同种岩样压裂后结构面粗糙度系数JRC相近,其数值约为8～10,具有可复制性;注浆后结构面残余强度、剪切峰值强度及上升段斜率均有明显提高;注浆后岩体中结构面的刚度也得到了明显改善;通过理论分析,给出了结构面刚度的理论拟合公式;结构面的剪切峰值强度及残余强度随着锯齿形齿数的增多明显提高,注浆加固后,结构面剪切峰值强度、黏聚力都有不同程度的增大,而内摩擦角变化不大     

节理裂隙边坡锚注加固机制及特性研究

本文通过对节理裂隙边坡锚注加固模型的力学推导，得出锚注加固工法可以提高岩石边坡弱面抗剪强度和抗剪刚度的结论；指出锚注结构可以充分发挥锚杆和注浆体各自的材料潜能，从而避免锚杆单独作用所存在的弊端；结合某高速公路边坡加固工程，阐述了锚注加固工法的技术特点及工艺流程，指明压力注浆可以针对边坡岩体的薄弱环节，直接进行有效的处理，使边坡的稳定性得以提高，并就边坡锚注加固施工中存在的技术问题，提出相应的处理措施。     

含单一贯通破裂面岩石注浆试验及加固机制分析

针对单一贯通结构面注浆加固影响围岩承载力的问题,提出了一种制作含单一贯通破裂面岩样的方法,并对此种岩样分别注入超细水泥和环氧树脂材料,进而借助RMT-150 C试验系统探究了固结体单/三轴压缩下强度及变形特征,最后,采用理论分析结合电镜扫描手段,揭示了结构面注浆微观固结机制。研究发现,三轴加−卸载条件下制备的破裂结构面更接近工程实际,符合试验要求;从应力−应变特征曲线来看,注超细水泥试件表现出阶段性,注环氧树脂试件曲线较为平滑;从强度特征来看,围压影响程度明显高于注浆材料的选择;注浆加固手段可提高岩体的残余强度,随着围压的提高,残余强度提高系数越不明显,固结体峰值强度愈发接近完整岩石峰值强度;从破坏特征来看,注超细水泥试件主破裂面沿原始破裂面剪切滑移,注环氧树脂试件主破裂面为新的贯通破裂面;最后,以摩尔−库仑准则为理论基础,建立了注浆材料黏结力与结构面强度提高系数关系式,发现结构面强度提高系数与浆液黏结力呈线性关系。与试验结果的对比表明,该公式较为合理,可为深部围岩支护优化提供参考。     

考虑受压侧岩体反力非线性作用的锚杆抗剪理论

针对锚杆受压侧岩体或砂浆体反力非线性作用及结构面的剪胀效应问题,基于经典梁理论推导锚杆轴力与轴向变形及横向剪切力与横向变形的理论公式,建立了锚杆抗剪力计算公式。通过加锚结构面直剪试验验证理论计算有效性,并分析结构面剪胀系数、围岩强度、锚杆安装角（倾角）对锚杆变形和抗剪力的影响。结果表明：锚杆抗剪理论计算与室内试验结果吻合较好;结构面剪胀系数越大,越能较快调动锚杆抗剪作用,相反锚杆塑性强化特征越不明显,改善加锚结构面的阻滑抗剪作用,主要依靠结构面固有抗剪强度;随着围岩强度降低,锚杆需经一定变形才能发挥较大抗剪作用,而随着围岩强度增大,锚杆将迅速达到屈服状态,并且锚杆由轴向张拉破坏逐渐转为拉剪破坏;锚杆最优安装角随结构面内摩擦角增大而增大,依据实际工程中结构面内摩擦角取值范围,可估算锚杆最优安装角为30°～68°。     

花岗岩张拉和压剪裂隙渗透率演化研究

地下工程开挖造成围岩破坏,其破坏方式可归纳分析为两类：张拉型破坏和压剪型破坏,这两种破坏导致的裂隙面的细观形态并不相同,这种不同的细观形态导致张拉和压剪型裂隙的渗透率表现出不同的演化规律。为此,对花岗岩进行了不同围压下三轴压缩试验,产生张拉和压剪型裂隙,进行含裂隙岩样在静水压力加载条件下渗透系数试验。试验表明,相比于含压剪裂隙试样,含张拉裂隙试样的渗透率对静水压力更敏感。进而,分别对不同围压条件下的三轴压缩试验获得的张拉和压剪裂隙面进行扫描电镜试验,获得张拉和压剪裂隙面的细观形态,花岗岩单轴压缩试验所产生的裂隙面表现为典型的张拉型裂隙,破裂面比较光滑;随着围压的不断增大,破裂面的细观形态发生明显的变化,从破裂面上可以明显地观察到逐渐增多的压剪型裂隙,破裂面比较粗糙。在静水压力的作用下,张拉裂隙较快闭合;而压剪裂隙的锯齿能够一定程度上阻止裂隙的闭合。张拉和压剪裂隙面的不同细观结构决定了含张拉和压剪裂隙岩样的不同渗透率演化规律。研究结果对于地下工程分析中确定围岩的渗透率具有一定的意义。     

锚杆锚固对节理岩体剪切性能影响试验研究及机制分析

为研究锚杆锚固对节理岩体剪切性能的影响规律及锚杆抗剪作用机制,开展不同锚杆倾角及不同法向应力作用下加锚节理岩体室内剪切试验研究,探究加锚节理岩体在法向力及剪切力作用下的变形和受力特征,对比分析节理岩体锚固前与锚固后的剪切变形规律,讨论锚杆倾角、节理面法向应力等因素对节理岩体抗剪性能的影响。试验结果表明,锚杆锚固能够有效地增加节理面的黏聚力和内摩擦角,提高节理岩体的抗剪强度;锚杆倾角对加锚节理岩体的抗剪强度及剪切变形规律有重大影响,较大的锚杆倾角有利于发挥锚杆的"销钉"抗剪作用;节理岩体施加锚杆后其剪力–位移曲线存在弹性阶段、屈服阶段及塑性变形阶段3个区段;在锚杆倾角相同的条件下加锚节理岩体的抗剪强度随节理面法向应力的增加而增大。分析试验后试件破坏形态可知,加锚节理岩体中锚杆的屈服破坏主要发生在节理面附近的区段,岩体材料由于锚杆横向的挤压作用,也会在节理面附近发生局部破坏现象。     

单轴压缩条件下锚杆对含三维表面裂隙试样的锚固效应试验研究

在岩石相似材料试件中设置三维表面裂隙,制作不同锚固方式的试件,对其进行单轴压缩试验,研究锚杆对试件强度以及预置裂隙扩展模式的影响。试验结果表明,与无锚试件相比,4种加锚试件的抗压强度和压缩弹性模量均有不同程度的提高,而且锚杆对压缩弹性模量的增强效果比对抗压强度的增强效果更显著。4种加锚试件的残余强度大体相等,比无锚试件的残余强度提高了2.0～2.5倍。加锚试件的破坏过程大致分4个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至微弹性裂隙发展阶段、非稳定破坏阶段和破裂后阶段,试件表面宏观裂纹均出现在破裂后阶段。由于锚杆的加固止裂作用,预置裂隙的扩展模式发生变化,加锚试件内部出现了弧形破裂面和剪切薄弱面。试验中共出现3种裂纹:张拉裂纹、剪切裂纹和拉剪复合裂纹。     

锚固方式对节理岩体剪切性能影响试验研究

分别采用预制混凝土块、45号钢螺杆、矿用化学浆液来模拟围岩、锚杆及锚固剂进行节理岩体室内剪切试验,研究在无锚、端锚和全锚3种情况下节理岩体抗剪特性及锚杆受力变形特征。研究结果表明:在不同锚固方式下节理岩体的剪力-位移曲线有显著的差异,无锚试件表现为脆性特征;端锚试件在调动锚杆抗剪强度时会有一剪力小幅下降的转折点,全锚试件与节理匹配性较好,可以承受更大的剪力;对于加锚试件,无论是端锚还是全锚锚杆,根据锚杆变形特点,均可分为拉伸区、剪拉区和压缩区。锚杆在剪力和拉力综合作用下破坏时即发生在剪拉区。锚固方式不同,剪切试验过程中锚杆轴力分布也不同,全锚锚杆主要分布于节理面附近,随着与节理距离增加,轴力迅速衰减。端锚锚杆轴力分布则相对均匀。     

人工单节理砂岩的三轴试验研究

采用云石胶黏结岩块的方法制备人工节理面,通过直剪试验获得人工节理面的抗剪强度特性,基于完整和单节理砂岩的常规三轴试验,分析不同倾角（0°,30°,60°,90°）对单节理岩体试样力学响应的影响。结果表明:人工节理面在直剪试验中呈现脆性破坏,其抗剪强度符合M-C准则;不同围压下（2.5,5 0和7.5 MPa）完整砂岩的破坏形态和弹性模量基本相同,峰值强度随围压增大;相同围压下（2.5 MPa）不同倾角单节理岩体的破坏形态、弹性模量、峰值强度均不相同,单节理岩体试样的峰值强度-倾角曲线呈反对号“”形,节理倾角对岩体力学性质的影响明显,其中60°节理岩体试样的强度最低,仅为完整岩石强度的19.7%。推导了过圆柱体试样中心任意斜截面内力的三维计算公式,根据其理论预测所得完整岩石的破裂面角度和60°节理试样的破坏方式均与试验结果相符,其吻合度较传统的二维分析更高。     

节理倾角对黄土力学特性影响试验研究

黄土节理种类多样、角度多变,是影响黄土力学性质的重要因素。为研究节理对黄土力学性质影响,开展含预制节理黄土试样单轴与三轴压缩强度试验,分析了非贯通节理对试样剪切破坏模式影响,探讨了节理倾角对黄土强度与变形特性影响规律。结果表明:节理试样剪切破坏均为压剪破坏,破坏模式可分为节理面与破裂面贯通型和节理面与破裂面斜交型,压力作用下非贯通节理尖端翼裂纹和次生裂纹不断萌生,易劣化扩展形成剪切破裂面;节理存在弱化了试样抗变形能力,单轴压缩条件下试样应力-应变曲线均呈应变软化型,预制节理降低屈服阶段变形模量,减小试样剪切破坏位移,加速试样剪切破坏;节理存在显著降低黄土强度,峰值强度与残余强度均随节理倾角呈现先减小后增大变化趋势,但变化幅度随围压增大而降低,黏聚力随节理倾角变化最为敏感,节理倾角60°时试样强度指标最低;预制节理倾角与黄土试样剪切破裂角越接近,节理面越易劣化贯通为剪切破裂面,试样抗变形能力越差,强度性质劣化越显著,试样越容易剪切破坏。研究成果为揭示黄土节理界面劣化对黄土边坡促滑机制提供参考。     

考虑体积应力效应的大理岩硬化软化力学模型

以锦屏二级水电站大理岩室内三轴压缩试验结果为基础,推导了考虑体积应力效应的塑性内变量公式,并研究了大理岩强度参数及剪胀特性随内变量的变化规律,结果表明,大理岩在峰前阶段凝聚力稍有降低,在峰后阶段迅速减小;内摩擦角随内变量增加而增大,并在内变量为0.8～0.9时达到最大值;不同围压下大理岩剪胀角均随内变量增大,且表现为先增大后减小的变化趋势,但低围压和高围压条件下剪胀角变化趋势不同。在此基础上建立了大理岩考虑体积应力效应的力学模型,并通过FLAC3D模拟了大理岩室内常规三轴压缩试验,模拟结果与室内试验结果吻合很好,表明该模型可较好地反映大理岩的主要力学特性。研究方法和成果可为其他深部脆性岩体的变形破坏分析提供重要的参考价值和借鉴意义。     

连云港海相软土不排水强度特征

连云港地区软土为碱性环境下沉积的非均质海积软土,软土抗剪强度具有固有各向异性。采用三轴不固结不排水剪切（UU）试验、无侧限抗压强度（UTC）试验、快剪试验和原位十字板剪切（FVT）试验4种方法,对连云港地区软土的不固结不排水抗剪强度特征进行了研究。结果表明：土体水平剪切面强度最低,竖直面抗剪强度最高;土体制样采用垂直方向的切取试样方式时,土体强度最高。根据三轴UU试验得出的黏聚强度和内摩擦角基于土体单元极限平衡理论恢复了土体剪切破坏时的应力状态,计算出土体实际抗剪强度。三轴UU试验得出的抗剪强度平均值约为13.13 kPa,试样破裂面与水平面的夹角在45.1°~45.7°区间最为集中。UTC试验测得的土体平均抗剪强度近似等于三轴UU试验测得的平均抗剪强度。FVT试验测得软土抗剪强度平均值为19.72 kPa,与三轴UU试验和UTC试验得出的抗剪强度平均值相比高了约6.60 kPa,这种现象与室内试验试样的机械扰动、土体应力状态改变和剪切面特征有关。     

不排水条件下砾石土的应变率效应

为研究应变率对砾石土应力、应变、强度特性的影响和应变率效应产生机制,对砾石和黏土混合备制的饱和砾石土心墙料,在应变率0.028～0.690 %/min范围内进行了不同围压下的固结不排水三轴压缩试验,定量地分析了三轴不排水抗剪强度的应变率效应。试验结果表明,不同的应变率下砾石土应力-应变曲线具有相似性;应变率增大10倍,不排水抗剪强度增大7.4%～29.9%;砾石土的应变率效应是剪切产生的孔隙水压力和土料本身黏滞性共同作用的结果,在不同的围压下二者发挥的程度不同     

两种晶粒大理岩的力学性质研究

矿物结构是影响岩石力学特性的根本因素。对晶粒0.5～1 mm细晶微风化大理岩和晶粒0.2～0.5 mm粉晶风化大理岩,进行了超声波测试和单轴、常规三轴压缩试验。粉晶大理岩晶粒尺度较小,滑移界面较多,粘接强度稍有变化就显著影响变形,即单轴压缩强度离散性较小而杨氏模量离散性较大,杨氏模量是细晶大理岩的1/3 左右,而单轴压缩强度仅低20 %。细晶大理岩的杨氏模量与围压无关,粉晶大理岩的杨氏模量随围压而增大,但进入延性变形阶段后两种大理岩的三轴强度完全相同。岩样的剪切破坏角都是随围压增大而减小,最后达到Coulomb准则确定的数值。在较高围压下,试样的承载极限与应力路径、材料强度以及内部的缺陷关系不大。晶粒的摩擦决定了大理岩的强度、变形特性。     

膏岩三轴压缩试验及高温相变特征研究

采用伺服刚性试验机对天然膏岩开展三轴压缩试验,研究了温度及围压对膏岩强度及变形特性的影响。结果表明,膏岩在不同围压下均具有良好的塑性流动特性,加载后无明显的剪切破坏面,而是出现明显的侧向膨胀。根据三轴试验结果,利用摩尔-库仑定律得到了膏岩的强度准则及抗剪强度参数。升高温度导致膏岩强度降低,且高温下石膏发生晶型转变,从二水石膏脱水转变为半水石膏,利用扫描电镜和X衍射对此过程进行了研究。脱水过程导致瞬间孔隙应力增加,膏岩破坏特性由延性转变为脆性。随着持续加载,破裂断面逐渐愈合。膏岩显著的塑性流动能力及快速的裂隙愈合能力对于天然气盖层的封闭稳定性具有重要意义。     

降压开采过程中含水合物沉积物的力学特性研究

天然气水合物是一种潜在的能源资源,开采过程中,水合物的分解会造成工程和地质等安全隐患。为研究降压开采过程中多因素综合影响条件下沉积物的力学性质,在自主研发的低温高压三轴仪上进行了不同围压条件下含水合物沉积物的剪切试验。试验结合常规三轴剪切及一个试样多级加荷的方法,并加入了水合物的降压分解过程。结果表明：水合物的存在可以显著提高沉积物的抗剪强度。在降压分解过程中,含水合物沉积物试样的力学强度受到有效围压和孔隙中水合物含量的综合影响。前期试样由于孔隙压力降低导致有效围压大幅增加,试样抗剪强度增大,后期由于水合物含量的大幅降低,试样在较高有效围压下抗剪强度下降。有效围压对含水合物沉积物试样的体积应变有较大的影响,较高的有效围压会导致含水合物试样产生显著的剪缩现象。     

西藏贡觉粉砂质泥岩工程地质特性与蠕变强度研究

川藏铁路在穿越西藏贡觉地区时遇到三叠系粉砂质泥岩,在高地应力条件下容易发生大变形等危害。文章开展了不同围压下的岩石三轴压缩和和三轴蠕变试验,结合PFC数值模拟,研究了粉砂质泥岩在不同围压下的蠕变特性和长期强度研究,结果表明:贡觉粉砂质泥岩流变具有西原蠕变模型特征,蠕变与常规三轴试验条件下,随着围压不断增大,粉砂质泥岩试样均由拉-剪破坏向单剪破坏过渡,剪切破裂面与水平线的夹角逐渐减小,微裂纹数量减少;蠕变试验相较于常规三轴试验,由拉应力引起的压碎带影响范围更广;在高围压条件下,粉砂质泥岩更容易发生流变,随着围压的增大,轴向应变、侧向应变和体积应变均增大,微裂纹数量呈下降趋势;瞬时弹性模量及黏弹性系数与围压呈线性递增关系,黏弹性模量与围压呈对数型增长关系,黏塑性系数与围压呈指数型增长关系。在荷载长期作用下,岩石长期强度低于瞬时强度。     

基于三维扫描和三维雕刻技术的岩石结构面原状重构方法及其力学特性

为了客观重复制作与原岩结构面的岩性、表面形态和力学性质完全一致的试样,集成三维扫描和三维雕刻技术,提出了原岩结构面试样重构新方法。采用该方法制作了具有相同表面形态的大理岩结构面试样,开展了不同法向力下的直剪试验,并采用声发射技术对结构面剪切破坏过程进行了监测。结果表明：重构结构面试样与原始结构面试样具有高度相似性;结构面剪应力-剪切位移曲线可分为两类：剪胀滑移型和剪断跌落型;剪切破坏后结构面可明显地划分为两个区域：剪胀脱开区和剪断磨损区;提出了结构面剪切强度新公式,理论公式与试验结果更接近;结构面剪切过程中剪应力、能量率、计数、撞击率随时间的变化规律具有较好的一致性,声发射定位位置与剪切过程中结构面损伤破坏区域基本吻合。     

非饱和压实土率相关变形特征与时效模型

为研究高填方路堤压实土率相关变形特征,对不同压实度的非饱和压实土分别开展了不同加载速率以及不同围压条件下的CD三轴剪切试验,探讨了不同工况下压实土的剪切强度指标;借助GDS饱和土静态三轴仪的围压控制器来间接测定非饱和压实土体变的途径。试验结果表明：压实土强度及变形特征具有明显的时间相依性,加载速率越大,压实土的抗剪强度越高,超固结变形特性越强,抗剪强度指标黏聚力c值增幅较大、内摩擦角 值增幅较小;低围压下,压实土呈应变软化及剪胀变形,且压实度越高,应变软化及剪胀变形越显著,c值增加明显、 值增加缓慢。采用基于下负荷面的弹黏塑性本构模型对路基压实土的率相关变形特征进行表征,预测结果与试验数据吻合良好,表明该模型适用于高填方路堤长期沉降分析。     

不同节理粗糙度类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

粗糙度是影响节理岩体强度与变形特性的重要因素之一。首先使用3D 打印机制作模具,并浇筑形成不同粗糙度（节理粗糙度系数JRC=2、7、12、17、22）的节理岩石试样。采用GCTS高温高压动静岩石三轴试验系统,对含有不同粗糙度节理岩石试样进行了三轴压缩试验,获得了不同粗糙度节理岩石试样的三轴应力–应变曲线,分析了JRC对岩石三轴强度和变形特性的影响规律,在三轴加载过程中采用声发射测试系统,分析了不同粗糙度节理岩石试样的声发射特性。运用数字三维视频显微系统观察节理面形态,讨论了不同围压下节理岩石试样峰值强度与JRC之间的关系。研究结果表明,节理面的存在直接导致节理岩石试样强度的大幅度降低,JRC对岩石破坏裂纹的形态、数量和空间分布特征亦有很大的影响,随着JRC值的增大,岩石节理面的抗剪强度增大,岩石试样的三轴抗压强度也会增大,岩石试样由脆性破坏转变为延性破坏。