考虑微凸体变形相互作用的节理闭合变形模型

法向应力作用下节理的闭合变形是工程实践中常见但又未被很好解决的节理力学性质之一。依据弹性接触理论,提出考虑微凸体变形相互作用影响的闭合变形理论模型,该相互作用由一个均布荷载体现。模型采用不同接触下节理的组合形貌参数,适用于含起伏度分量的节理的闭合变形问题。较之于不考虑微凸体变形相互作用影响的Xia模型,新模型的计算值更为接近试验值。     

考虑基体变形的节理闭合变形理论模型

节理的表面形貌对其法向闭合变形有重要影响,对给定的节理而言,接触状态也是影响闭合变形的重要因素,不同接触状态得出的闭合变形曲线差异较大。基于Hertz理论的Greenwood模型不能考虑接触状态对闭合变形的影响,Brown模型引入不同接触状态节理的组合形貌拓展了Greenwood模型。对单个微凸体的弹性分析表明:Greenwood模型与Brown模型均没有考虑基体变形的影响,基于统计理论将考虑基体变形的单微凸体变形模型应用于整个粗糙节理表面得到一个新的节理闭合模型。最后,采用该模型分析处于不同接触状态的节理闭合变形数据并与Brown模型的计算结果进行比较,验证该模型的合理性。     

含节理岩石试件的卸荷变形特性研究

 开展含节理岩石试件在主应力差卸载路径下的变形特性试验,试验发现：(1) 恒定s3减小s1卸载主应力差过程中,完整岩石卸载变形曲线与加载变形曲线基本重合,但节理试件加卸载变形曲线表现出较大差异,且卸载后试件轴向和环向均出现较大残余应变;(2) 按照2种不同路径卸载主应力差时,含节理试件变形特征存在很大差异。为从理论上研究含节理试件变形特征并解释上述试验现象,建立节理加卸载本构模型,并提出确定模型参数的方法。研究表明：用节理面加载与卸载变形特征的差异,从理论和试验结果两方面能很好地解释含节理岩石试件加卸载变形特性的差异以及在不同卸荷应力路径下的变形差异。研究成果可以反映含单组节理岩体的加卸载变形特性。     

岩石节理经历不同变形历史的剪切试验研究

基于不规则的人工岩石节理经历不同剪切变形历史的剪切试验，分析了岩石节理剪切变．形特性及与变形历史的依存关系。结果表明，岩石节理峰值和残余剪切应力随垂直应力的增加呈线性增长趋势，而剪胀特性已变得不明显。两类节理面在经历不同垂直应力下的剪切变形历史后，剪切应力均不再出现尖峰；而不同剪切变形历史主要影响节理的剪切强度，对剪胀特性影响较小。     

共面闭合断续节理岩体的直剪强度研究

根据模型试验研究结果，深入分析了直剪条件下含共面闭合断续节理岩体的变形和破坏机理，并在此基础上建立了这类岩体的初裂强度和贯通破坏强度准则，将计算结果与实测值进行了对比分析，表明两者吻合较好，证明该强度准则是合理可靠的，具有理论和工程应用价值。     

岩石节理剪切力学特性的非线性理论模型研究

针对人工节理试样开展不同法向应力条件下的直剪试验,基于试验结果的非线性特征,对Goodman线性剪切模型进行改进,提出一种更接近实际情况的非线性全量剪切模型,该模型大部分参数均可从试验数据获取,并能准确描述节理剪切过程中剪切应力与剪切位移之间的非线性关系.借鉴Saeb和Amadei切向与法向耦合刚度系数的计算方法,结合...     

不同频率载荷作用下的岩石节理本构模型

用Instron1342材料试验机对表面含二、三、四锯齿状人工节理试样进行4种不同频率载荷下的动态压缩试验。通过对试验结果的分析,获得加载频率和表面形态对节理闭合变形性质的影响规律。通过5种常用函数方程对节理动态压缩试验数据的拟合,发现用幂函数模型来描述人工节理动态压缩闭合变形性质较好。根据试验数据,得出模型参数与载荷频率之间的关系,从而建立考虑率效应的节理本构模型,并进行试验验证。     

含节理大理岩变形和强度特性的试验研究

 锦屏二级水电站处于高地应力区域,引水隧洞开挖后岩体变形和稳定问题十分突出。从辅助洞取样制备含节理试件,采用MTS815.03岩石三轴试验机,开展了含天然节理大理岩试件的常规三轴压缩试验。试验中,节理面与最大主应力夹角θ为29.3°～56.0°,围压为5～40 MPa。通过试验结果分析,主要得到如下结论：(1) 试件共有两类破坏形式：穿切节理面破坏和沿节理面滑移。试件破坏形式主要取决于节理面与最大主应力夹角大小。在试验围压范围内,围压高低对试件破坏形式没有影响。(2) 试件变形特征取决于节理面与最大主应力夹角的大小,并受围压高低影响。(3) 试件轴向变形曲线均具有较好的线性段,但其轴向等效弹性模量均显著低于完整岩石弹性模量。(4) 试件强度首先取决于θ的大小,θ＞40.0°的试件破坏强度与完整岩石相当;θ＜40.0°的试件破坏强度较完整岩石有显著降低,不同节理强度差异是导致不同试件破坏强度差异的主要原因。     

压缩作用下岩石裂纹闭合判据的研究

 采用复变函数和保角变换的方法,分析压缩作用下张开型裂纹面的变形规律,并求解裂纹面的变形参数;在此基础上,建立裂纹面闭合分析的几何模型。通过对几何模型的分析,首先得出裂纹面的闭合规律,结果表明：张开型(椭圆型)裂纹面在压缩作用下,或者完全闭合,或者完全不闭合,这和岩石力学的普遍观点相符。其次建立裂纹面的闭合判据,并将裂纹面闭合临界载荷值的大小归结为一个一元二次方程的解,求解方便。该判据以裂纹面变形参数作为基本的参量,所得的结论不受加载模式的影响,消除了以往闭合条件的应用局限性;且判据中参数物理意义明确,数学形式简单,便于应用。最后运用相应的算例和数值方法对裂纹的闭合过程进行分析,验证以上的结论的正确性。     

金沙江白鹤滩水电站柱状节理玄武岩 岩体变形特性研究

 金沙江白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩与一般柱状节理玄武岩相比,特点明显,其柱状节理起伏、不规则,柱体断面不规则且切割不完全,柱体内微裂隙发育,岩体内缓倾角构造结构面也较发育,岩体完整性较差,但呈断续镶嵌结构。在柱状节理玄武岩工程地质调查、岩体弹性波测试、多种现场岩体变形试验等工作基础上,系统分析了白鹤滩柱状节理玄武岩的基本力学特性和不同试验加载条件下的岩体变形机制。白鹤滩柱状节理玄武岩中发育的柱状节理、微裂隙及缓倾角结构面是导致岩体变形模量较低的主要因素;柱状节理玄武岩水平向变形模量明显大于铅直向变形模量,是由结构面发育特征和岩体应力状态决定的;新鲜柱状节理玄武岩中的柱状节理和微裂隙为硬性结构面,围压状态下呈闭合状,解除围压后易张开、松弛,保持围岩状态下柱状节理玄武岩仍具有较高的变形模量。     

Quantifying topography and closure deformation of rock joints

This paper presents a study for quantifying both the joint topography characteristics and the load–closure deformation of a rock joint under normal compressive loading condition. The study covers (1) laboratory measurements of rock joint surface profiles using a profilometer designed and fabricated by the research team, (2) development of a mathematical method to identify the waviness and unevenness components in joint surface profiles and the associated composite topography, (3) development of a general load–closure deformation model by using both the waviness and unevenness components in the composite topography, (4) unconfined compressive testing of rock samples with joints for the experimental load–closure deformation of joints and, (5) verification of the general load–closure deformation model by the experimental load–closure deformation results. The study leads to the following four findings: (a) the mathematical method can be used to identify the waviness and unevenness components for joint surface profiles and its composite topography. The height characteristic parameters of the complete surface topography of a joint are mainly determined by the waviness component. The texture characteristic parameters of the complete surface topography of a joint are mainly determined by the unevenness component, (b) joints can be classified into the three contact state cases using the waviness and unevenness components for both the joint surface profiles and the associated composite topography. The load–closure deformation behavior of a joint is determined by the waviness and unevenness components of the composite topography for a specific contact state, (c) the general load–closure deformation model developed in this paper is applicable to the three contact state cases. The general load–closure deformation model uses the composite topography of a joint and can take into account the effects of the contact states, the initial aperture and the waviness and unevenness components; (d) parametric studies and verifications with the uniaxial compression test results show that the general load–closure deformation model gives reasonable estimations of the load–closure deformation behavior of rock joint under compressive loading and can be reduced to those given by other researchers in the relevant literature.     

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。     

基于三维形貌特征的岩石节理峰值剪切强度准则研究

引入3个在一定范围内独立于测量尺度的三维形貌参数表征岩石节理形貌,并基于形貌参数建立了新的岩石节理峰值剪切强度准则。同时采用新准则和Barton公式计算了23对岩石节理的峰值剪切强度并与室内直剪试验结果对比,新准则的计算值与试验结果较为接近而Barton公式在一定程度上低估了节理剪切强度,表明新准则能更好地描述节理峰值剪切强度。新准则的三维形貌参数反映了不同形貌特征对剪切强度的贡献,物理意义明确,并且形貌参数可在一定范围内采用任意尺度测量,因而有利于新准则的工程应用。进一步分析表明：在规则齿形节理情况下,新准则可退化到Patton公式的形式,因而新准则实质是Patton公式的三维推广。     

考虑围压效应的修正软岩热弹黏塑性本构模型

 大量的软岩三轴剪切试验表明,不同的围压下,软岩力学特性变化非常大。随着围压的增加,软岩的应变软化和剪胀性变弱;当围压足够大时,甚至表现为应变硬化和剪缩。已有软岩热弹黏塑性本构模型针对不同的围压大小,需要设定不一样的参数,使其应用到数值分析上带来一定困难。为了能用统一参数来描述软岩受围压影响的力学性质,对已有的软岩热黏弹塑性本构模型进行修正。修正模型中所有参数都具有明确的物理意义且都可通过常规三轴试验确定。通过实验数据与计算结果对比,验证了修正本构模型的正确性。     

改进的岩石节理弹性非线性法向变形本构模型研究

回顾了已有的几类岩石节理法向变形本构模型,指出以往模型在中应力水平条件下模拟结果与试验结果发生偏离的现象。针对这一问题,引入"半值节理最大闭合量应力"σ1/2概念,着重论述了传统的BB模型与经典指数模型本身所固有的数学缺陷。随后,以Malama和Kulatilake(2003)提出的统一指数模型为例,进一步阐明模型改进的必要性,同时分析了该模型因采用对σn/σ1/2项添加幂函数n的修正方式而丢失节理法向初始刚度Kni的物理意义这一不足之处。基于上述研究,根据前人试验数据分析建立单调加载条件下岩石节理法向应力–位移关系曲线的控制微分方程,定义拟节理最大允许闭合量Dmax=ξdmax的概念,提出一种新的三参数本构模型--改进的岩石节理弹性非线性法向变形本构关系,并在数学上严格证明了BB模型与经典指数模型是新模型的两个特例。新模型克服了前述模型数学上的缺陷,弥补了以往模型模拟结果与试验结果发生偏离的不足,且没有因新参数ξ的添加丢失Kni的物理意义。最后采用新模型对他人试验结果进行预测,建议了修正参数ξ的确定方法。模型预测结果与试验结果吻合良好,进而验证了本文模型的可行性。     

基于大变形分析的锚固节理岩石全程剪切阻力计算(英文)

提出了一个基于测量锚固节理岩石位移的用以预测锚杆拉剪大变形行为的分析模型，给出了受拉剪荷载作用下的锚固节理岩石综合抗力的表达式，得到了考虑锚杆作用的锚固节理岩石剪切阻力与节理位移(或节理中锚杆变形角)间函数关系的理论全程曲线，试验验证了理论方法的有效性。     

Calculation of complete curve of shear resistance for bolted rock joints based on large deformation analysis（基于大变形分析的锚固节理岩石全程剪切阻力计算）

提出了一个基于测量锚固节理岩石位移的用以预测锚杆拉剪大变形行为的分析模型,给出了受拉剪荷载作用下的锚固节理岩石综合抗力的表达式,得到了考虑锚杆作用的锚固节理岩石剪切阻力与节理位移(或节理中锚杆变形角)间函数关系的理论全程曲线,试验验证了理论方法的有效性.     

基于率效应的岩石材料次加载面动态模型在岩体工程中的初步应用

为较准确反映岩体工程在地震荷载下的响应,结合Drucker-Prager屈服准则和次加载面理论,初步构建基于Drucker-Prager准则的次加载面应力路径模型,在此基础上,除计算弹性模量的率效应之外,还在Drucker-Prager准则上考虑强度的率效应,提出岩石材料的动态模型,并把该模型运用到滇中引水香炉山隧洞中。计算结果表明,相对于Drucker-Prager准则,应力路径模型能较好地描述玄武岩在循环荷载下体现的曼辛效应和棘轮效应,由于没有考虑率效应,表现出应力–应变曲线的斜率没有试验曲线大,且累计应变也比试验曲线大;在岩石循环加卸载过程中,动态模型得出的模量上比次加载面应力路径模型模拟的要大,同时变形量也较次加载面应力路径模型要小,因此该模型能较好地反映岩石的动态力学性质和变形性质;相比于Drucker-Prager准则下,采用动态模型得出隧洞的左侧监测点和右侧监测点的瞬时相对变形峰值增大了0.67 cm,同样底部和顶部以及左右两侧的永久相对变形也分别增大了0.19和0.77 cm,说明动态模型可以较好地反映围岩残余大变形;岩石动态模型相对于Drucker-Prager准则和线弹性本构,更具有滤掉高频的功能。说明该模型能很好地运用到岩石动力学中,同时也为准确分析岩体工程在地震作用下的响应奠定了一个很好的基础。