考虑粗糙度影响的黏土-混凝土接触面峰值剪切强度模型研究

结构面粗糙度是影响土-结构接触面力学特性的重要因素。为深入研究结构面粗糙度对接触面强度特性的影响,采用大型直剪仪进行不同粗糙度条件下黏土-混凝土接触面剪切试验,分析粗糙度对接触面峰值剪切强度的影响规律,揭示粗糙度对接触面剪切强度的影响机理。研究结果表明：粗糙度的增大能明显提高接触面的峰值剪切强度,且粗糙度的影响存在临界值;接触面的剪切强度主要由土体与光滑接触部分的界面剪切强度以及粗糙接触部分土体自身剪切强度组成,随着粗糙度的增大,接触面逐渐由剪切滑移破坏向土体内部破坏发展;通过在Jewell界面强度模型中引入与粗糙度相关的粗糙效应系数,建立了考虑粗糙度的接触面峰值剪切强度模型;将不同粗糙度条件下的模型计算值与试验值进行对比分析,验证了本文模型的合理性。     

考虑粗糙度影响的黏土–混凝土接触面峰值剪切强度模型研究

结构物表面粗糙度是影响土体与结构接触面剪切力学特性的重要因素。为研究结构面粗糙度对接触面强度特性的影响,采用大型直剪仪进行不同粗糙条件下黏土–混凝土接触面剪切试验,分析粗糙度对接触面峰值剪切强度的影响规律,并揭示粗糙度对接触面剪切强度的影响机理。研究结果表明:不同粗糙度条件下黏土–混凝土接触面剪切应力位移曲线均表现为剪切软化型,且粗糙度越大,曲线的峰值点越明显。粗糙度的增大能显著提高接触面的峰值剪切强度,且粗糙度的影响存在临界值;不同粗糙接触面的剪切破坏面形态特征分析结果表明,剪切过程中光滑接触面主要发生界面剪切滑移破坏,随着粗糙度的增大,土体与结构面间的摩擦、咬合作用得到增强,导致接触面剪切破坏逐渐向土体内部剪切破坏发展。接触面的剪切强度主要由土体与光滑接触部分的界面剪切强度以及粗糙接触部分土体自身剪切强度组成,通过在Jewell界面强度模型中引入与粗糙度相关的粗糙效应系数,并提出了粗糙效应系数与粗糙度间的函数关系式,最终建立了考虑粗糙度的接触面峰值剪切强度模型;最后将不同粗糙度条件下的模型计算值与试验值进行对比分析,模型计算最大相对误差为11.01%,平均相对误差为4.74%,验证了本文模型的准确性与合理性。     

异形充填节理剪切破坏宏细观机理及强度模型

为探究异形充填节理面在剪切过程中的宏细观行为,本文基于二维颗粒流程序PFC~(2D)生成9种上下面不同粗糙度的充填节理面组合并进行模拟。研究结果表明:异形充填节理面宏观破坏过程中,首先是充填物两侧发生局部破坏,随后节理边缘开始出现裂隙,最后是充填物与节理之间的黏结面发生破坏;细观破坏过程中,首先是两侧颗粒发生移动,中间颗粒由于充填物的黏结作用,位移较小,但随着剪切进行,黏结面发生破坏,试件内部颗粒位移差逐渐消失,表现为上部试件整体位移。模拟过程中异形充填节理面峰值剪切强度受两侧节理面粗糙度影响,呈现出粗糙度越接近强度越高的规律。通过简化模型改进了一种新型充填节理面峰值剪切强度公式,为下一步的研究提供了理论基础。     

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。     

不同接触位置的红砂岩规则锯齿节理面剪切特性研究

不同接触位置对规则锯齿节理面的剪切特性存在一定影响,为探究其影响规律,制作了具有相同粗糙度但接触位置不同(平直部分集中分布于节理面中部或对称分布于节理面两侧)的规则锯齿节理面,在不同起伏角、不同竖向应力条件下开展直剪试验.试验结果表明,节理面的剪切应力-剪切位移曲线可划分为4个阶段:峰前线弹性阶段、峰前非线性阶段、峰后软化阶段、峰后残余阶段.线弹性阶段节理面的剪切刚度、破坏时峰值剪切强度与锯齿的起伏角、节理面所受竖向应力以及节理面接触位置均有关;但残余剪切强度只与节理面所承受的竖向应力有关,符合摩擦作用的规律.     

充填节理加锚剪切强度特征及变形规律研究

基于含充填节理室内剪切试验数据,利用PFC2D探讨了含充填及加锚节理的数值实现方法,建立了不同粗糙度形态的含充填节理及其加锚计算模型,对比研究了含充填节理面在加锚和无锚状态下的强度特征及其应力应变曲线特性.研究结果表明:以室内含充填节理剪切试验结果为参数标定基础,获得准确细观参数,并可应用于后续含充填节理的加锚剪切模拟,且效果较好;加锚情况下含充填节理的剪切强度相比不加锚情况具有一定程度的提高,且达到峰值强度时的应变量明显增加,但锚杆对含充填节理面抗剪强度贡献量不同;同一充填厚度下,不同粗糙度的含充填节理面加锚剪切曲线可分为三种不同的曲线形式,其对应的锚杆贡献量不同;同一粗糙度下,不同充填厚度的节理面加锚剪切行为差异较大,且存在一个临界充填厚度,此厚度下的加锚充填强度最大,且不同粗糙度的加锚节理面临界充填厚度不同.     

非连通预制节理试件力学特性试验研究

为了研究节理几何特征的变化对岩石力学特性的影响,设计了具有不同节理连通率和不同节理倾角的试件,通过常规三轴压缩试验,分析了围压、节理倾角和节理连通率对试件强度以及变形和破坏特征的影响。岩样破坏形态分为穿越节理面的压剪破坏、沿节理面剪切滑动和节理端点处拉裂的混合破坏、完全沿节理面的剪切破坏。结果表明:围压、节理几何参数对试样的力学特性产生了不同程度的影响。通过节理参数的敏感性分析可以得出,节理倾角对试件强度的影响较节理连通率更为显著,节理连通率与破坏形态之间联系更为密切,围压对于试件承载力和变形参数值波动的影响较为明显。研究成果对认识非贯通节理岩体的力学特性有一定的参考作用。     

岩体力学参数对巷道变形特性的影响程度分析

以程潮铁矿为工程背景,基于室内试验及现场测量分别得到主要矿岩的物理力学性质、节理结构及力学参数、地应力大小及分布.利用3DEC离散元软件,通过对不同方案的模拟计算,对节理面影响进行单因素和多因素敏感性分析,并对岩体的等效连续特征进行分析.结果表明,不同参数对巷道变形的影响程度由大到小依次是:完整岩石的内摩擦角内聚力节理剪切刚度(JKS)节理法向刚度(JKN)节理内摩擦角抗剪强度.当模型中不包含节理时,塑性模型的巷道最大位移是弹性模型的2.5~2.8倍;当有节理时,塑性模型的巷道位移是弹性模型的1.8~4.4倍.当等效连续模型使用的参数为节理岩体参数的40%~50%时,等效连续模型和非等效连续模型会达到比较相似的结果.数值模拟结果与现场监测数据较吻合,验证了研究成果的准确性.     

规则锯齿型软弱结构面剪切特性的数值分析

为了探讨规则锯齿型软弱结构面的剪切特性,利用FLAC3D建立岩体软弱结构面的三维计算模型,分析结构面的剪切强度和变形特征.结果表明：剪切应力和剪切位移的关系从初期的线性特征转变为非线性特征;软弱结构面和岩体的耦合作用导致结构面的等效粘结力和等效内摩擦角均小于二者的平均值;迎剪切方向的结构面主要发生剪切破坏,而沿剪切方向的结构面主要发生拉伸破坏.结构面的剪切强度与剪切速率成线性关系;随着结构面厚度的增加,试样的剪切强度逐渐减小.研究得到的结果可为理论分析和工程实践提供参考.     

粗糙节理的改进形貌表征方法及采样点距效应

为了定量表征粗糙岩石节理的三维形貌特征,采用三维工业扫描仪X3对3组天然红砂岩节理进行三维激光扫描试验. 基于Delaunay点云离散算法重构岩石节理面,分析单个微单元体与剪切方向的几何关系,提出改进模型来描述潜在接触部分随表面有效倾角门槛值的变化特征,并研究节理粗糙度随采样点距的变化规律. 结果表明：改进模型与试验结果较吻合,精度优于传统的Grasselli模型. 基于改进模型提出新的粗糙度评估参数,该指标满足量纲分析的要求,能准确捕捉节理粗糙度的各向异性特征,可以用于表征天然岩石节理的粗糙度. 发现节理形貌表征存在采样点距效应. 随着采样点距的增大,节理粗糙度不断减小. 在特殊情形下,采样点距增大会导致粗糙度增大,主要是因为放大了节理的一阶粗糙度特征.     

直剪作用下不共面断续节理岩桥 破断试验与数值研究

在伺服控制剪切加载系统下对不共面类岩石断续节理试件进行正向、反向直剪试验,研究直剪下不共面断续节理的岩桥破断机理和剪切规律,试验研究发现,直剪作用下不共面断续节理岩桥破坏过程具有明显的阶段性,经历线弹性阶段、裂纹起裂扩展阶段、岩桥断裂贯通阶段、剪切面爬坡咬合阶段和残余摩擦阶段5个阶段,正向剪切下岩桥呈齿形破断面,反向剪切作用下岩桥产生沿直剪方向贯通的带形破断面,与正向剪切相比,反向剪切下节理的初裂抗剪强度和峰值抗剪强度较大,裂纹倾角、法向应力和相邻节理搭接比例是影响试件初裂抗剪强度和峰值抗剪强度的主要因素。采用FLAC3D对正向、反向直剪作用下不共面断续节理的岩桥破断、剪切破断面的形成过程进行数值试验,数值试验结果和类岩石直剪试件的试验结果基本吻合,数值试验揭示了直剪作用下不共面断续节理岩桥的拉裂破坏和破断面的剪切屈服机理。     

二长岩节理抗剪强度三轴试验研究

摘要：为确定岩石节理的剪切强度,在MTS815型程控伺服岩石刚性试验机上对含不规则、无充填岩石节理试件进行三轴试验。试验过程利用伺服控制系统连续获得同一试件在不同围压条件下对应的最大轴压,并根据弹性力学理论求得不同围压下节理面的正应力和剪应力。除对每一试件的试验结果按线性Mohr-Coulomb准则拟合获得摩擦角和内聚力外,利用Matlab软件的曲线拟合工具对所有试件的正应力和剪应力分别进行了线性Mohr-Coulomb准则拟合、幂函数拟合和非线性Barton公式拟合,对比它们的拟合效果可知：(1)线性Mohr-Coulomb准则拟合明显比幂函数拟合和Barton公式拟合要差,尤其是在低正应力条件下线性Mohr-Coulomb准则拟合将高估岩石节理的剪切强度。(2)幂函数拟合和Barton公式拟合的曲线几乎重合,且总体反映了岩石节理剪切强度的非线性特征。(3)在较高正应力下,线性Mohr-Coulomb准则、幂函数和非线性Barton公式对应的剪切强度均偏高。同时,为了估计拟合公式基本参数的合理性,根据试验成果对Barton公式基本参数进行了比较可靠的区间估计。估计结果表明：用Matlab软件的曲线拟合工具直接根据试件三轴试验结果进行Barton公式拟合的基本参数在某一置信水平(如99.73%)的上、下边界获得的区间估计明显脱离实际物理意义,是错误的;而通过幂函数进行对数转换后确定出参数的上、下边界,获得幂函数相应的上、下限曲线后,再用Barton公式拟合幂函数的上、下限曲线所得的基本参数的区间估计则是合理的。     

A roughness parameter considering joint material properties and peak shear strength model for rock joints

This study aims at proposing a reasonable roughness parameter that can reflect the peak shear strength(PSS) of rock joints. Firstly, the contribution of the asperities with different apparent dip angles to shear strength is studied. Then the shear strength of the entire joint asperities is derived. The results showed that the PSS of the entire joint asperities is proportional to a key parameter hs, which is related to the geometric character of the joint surface and the joint material properties. The parameter hsis taken as the new roughness parameter, and it is reasonable to associate the PSS with the geometric characteristics of the joint surface. Based on the new roughness parameter and shear test results of 20 sets of joint specimens, a new PSS model for rock joints is proposed. The new model is validated with the artificial joints in this paper and real rock joints in published studies. Results showed that it is suitable for different types of rock joints except for gneiss joints. The new model has the form of the Mohr-Coulomb model, which can directly reflect the relationship between the 3 D roughness parameters and the peak dilation angle.     

Modeling of Mechanical Behavior of Fractal Rock Joint

The present study shows that naturally developed fracture surfaces in rocks display the properties of self-affine fractals. Surface roughness can be quantitatively characterized by fractal dimension D and the intercept A on the log-log plot of variance: the former describes the irregularity and the later is statistically analogues to the slopes of asperities. In order to confirm the effects of these fractalparameters on the properties and mechanical behavior of rock joints, which have been observed in experiments under both normal andshear loadings, a theoretic model of rock joint is proposed on the basis of contact mechanics. The shape of asperity at contact is assumed to have a sinusoidal form in its representative scale r, with fractal dimension D and the intercept A. The model considers different local contact mechanisms, such as elastic deformation, frictional sliding and tensile fracture of the asperity. The empirical evolution law of surface damage developed in experiment is implemented into the model to up-date geometry of asperity in loading history. The effects of surface roughness characterized by D, A and re on normal and shear deformation of rock joint have been elaborated.     

岩石摩擦机制及基本摩擦角

从屈服流动观点讨论了岩石摩擦机制,发现岩石摩擦主要来自三个方面,即屈服流动阻力,表面起伏引起的爬坡阻力和粗糙引起的咬合阻力。根据屈服流动机制不但可以说明岩石的高压摩擦特性(高压下摩擦与岩石种类及表面粗糙度无关),而且还推导出了岩石的基本摩擦角ψ_b=30°。这一数值和收集的大量实验结果是符合的。     

Mechanism on progressive failure of a faulted rock slope due to slip-weakening

1 Introduction The damage or failure of faulted rock slope is a quite difficult problem in geotechni- cal engineering, and attention has been drawn from researchers for a long time. Apart from the toppling damage of steep slopes, most of the failure pattern of faulted rockslopes is shear-typed. The failure process of such a slope includes: initiation and devel- opment of a single micro-crack, breakthrough of two or more cracks, formation of fail- ure zones, and even shear damage in large scale…     

Mechanism on progressive failure of a faulted rock slope due to slip-weakening

Slip-weakening is one of the characteristics of geological materials under certain loadings. Non-uniform rock structure may exist in the vicinity of the slip surface for a rock slope. Some portion of the slip surface may be penetrated but the other not. For the latter case, the crack or the fault surface will undergo shear deformation before it becomes a successive surface under a certain loading. As the slipped portion advances, slip-weakening occurs over a distance behind the crack tip. In the weakening zone, the shear strength will decrease from its peak value to residual friction level. The stress will redistribute along the surface of crack and in the weakening zone. Thus the changed local stress concentration leads the crack to extend and the ratio of penetration of the slip surface to increase. From the view of large-scale for the whole slip surface, the shear strength will decrease due to the damage of interior rock structure, and the faulted rock behaves as a softening material. Such a kind of mechanism performs in a large number of practical landslides in the zones experienced strong earthquakes. It should be noted that the mechanism mentioned above is different from that of the breakage of structural clay, in which the geological material is regarded as a medium containing structural lumps and structural bands. In this paper, the softening behavior of a faulted rock should be regarded as a comprehensive result of the whole complicated process including slip-weakening, redistribution of stress, extension of crack tip, and the penetration of the slip surface. This process is accompanied by progressive failure and abrupt structural damage. The size of slip-weakening zone is related to the undergoing strain. Once the relative slide is initiated (local or integrated), the effect of slip-weakening will behave in a certain length behind the crack tip until the formation of the whole slip surface.     

土与结构接触界面改进直剪试验研究

目的 研究土与结构接触界面力学行为随接触材料类型及含水率变化规律．方法 通过改进的直剪仪进行黏土自身、黏土与混凝土、黏土与石、黏土与砖4个含水率共64个试样的剪切试验．结果 得到了不同含水率不同正应力下土与不同结构接触界面的剪切应力应变曲线，当土体含水率增大时，黏土内部摩擦角缓慢减小，而黏土与混凝土和黏土与砖接触界面的摩擦角急剧降低；土体内部的黏聚力逐渐减小。而土与结构接触界面的黏聚力均先增大后减小，各接触类型接触界面的抗剪强度随土体含水率的增大均呈下降趋势．只在含水率为13％、法向应力为50kPa的黏土内部剪切时才出现剪胀现象．结论 土与结构接触界面的抗剪强度、摩擦角、黏聚力等力学参数与接触材料类型及土体含水率密切相关，研究结果为工程设计的计算参数取值提供了试验依据。