水–岩作用下节理岩体剪切力学特性及本构模型

在库水位周期性升降变化作用下，库岸边坡消落带节理岩体长期处于浸泡–风干循环作用状态，为研究消落带节理岩体的损伤劣化特性，选取三峡库区库岸边坡消落带典型节理岩体为研究对象，进行考虑水压力升降变化和浸泡–风干循环过程的水–岩作用试验，系统分析节理岩体的剪切力学性能和微细观结构损伤演化规律。结果表明：(1)水–岩作用下节理岩体抗剪强度呈先陡后缓的劣化趋势，总体可以分为3个阶段，其中前6个水–岩作用周期导致节理面的抗剪强度参数劣化幅度占总劣化幅度的90%左右，水–岩作用10期后，节理面抗剪强度总劣化度为30%左右。(2)水–岩作用下节理面微细观结构损伤劣化显著，逐渐由密实状态转变为疏松多孔状态，节理面平均起伏角、平均相对起伏幅度、面积扩展率等形貌参数呈先陡后缓的劣化趋势，宏观上表现为节理面粗糙度系数JRC和岩壁强度降低，节理面上、下盘吻合度降低，进而导致了水–岩作用下节理岩体剪切性能特性逐渐劣化。(3)基于Clough-Duncan双曲线模型，建立考虑水–岩作用损伤的节理岩体剪切本构模型，验证分析表明，该模型可较好反映水–岩作用下节理岩体剪切力学特性劣化规律。相关研究方法和结论可为库岸边坡长期...     

水–岩作用下断续节理砂岩力学特性劣化机理

在库水位周期性升降作用下,库水消落带节理岩体的损伤劣化很可能导致库岸边坡向不稳定的方向发展。基于此,开展了断续节理砂岩的水–岩作用试验,结合力学试验和微细观结构检测综合分析其劣化规律及机理。结果显示:(1)在长期水–岩作用过程中,断续节理岩样的抗压强度、变形模量劣化趋势明显,而且存在明显非均匀性,其中前3个水-岩作用周期的阶段劣化度明显较大,5个水–岩作用周期之后的阶段劣化度明显减小并趋于稳定。(2)水–岩作用下,不同节理倾角岩样的力学参数劣化幅度不一样,阶段劣化度总体呈U型分布,节理倾角在0°和90°附近时,节理岩样从明显的张性破坏逐渐向剪性破坏转变,破坏模式变化特征比较明显,对应力学参数劣化幅度较大;节理倾角为60°左右时,节理岩样总体保持顺节理面的剪切破坏,破坏模式变化特征不明显,对应力学参数劣化幅度比较小,这些变化也使得节理岩样各向异性力学特征逐渐减弱。(3)在水库长期运行过程中,消落带节理岩体的产状直接影响水–岩作用的劣化趋势和变形破坏特征,因此,在库岸边坡长期变形稳定分析中,不仅要关注消落带岩体力学性质的劣化,也要关注节理岩体的产状差异及其在水–岩作用下变形破坏模式的转化。     

(库)水-岩作用下砂岩抗剪强度劣化规律的试验研究

在水库工程运营后,将按计划进行周期蓄、排水。对于构成库岸边坡的岩体来说,将受到库水"饱水–风干"水–岩循环作用造成岩性劣化,进而对坡体稳定性构成严重的危害。随着三峡工程完工蓄水,这方面的研究显得愈加迫切。以砂岩为代表岩体,通过试验模拟了库岸边坡岩体在库水涨落情况下水–岩作用的过程,得到了砂岩受库水"饱水–风干"水–岩循环作用后抗剪强度的劣化规律,为库岸边坡的稳定性分析提供了有益的依据。     

考虑水–岩作用特点的典型岸坡长期稳定性分析

大型水库库岸边坡长期经受库水位升降变化的影响,其作用效应主要表现为两个方面,一方面是水压力升降变化的影响,另一方面是岸坡消落带岩土体的水–岩作用劣化效应。基于此,在前期研究基础上,考虑消落带水–岩作用的影响深度及时间效应,建立了岩体强度劣化模型,并结合典型库岸边坡进行了计算分析。研究表明:库水位变化对库岸边坡稳定性影响明显,尤其在一定时期以后,在高水位运行期间安全系数将会出现骤减后迅速恢复的现象,说明坡体下滑力与阻滑力的平衡被打破后又得到调整至新的平衡,随着水–岩作用次数的增加,这种骤减在年循环周期内,逐渐向前推移,且频率与减幅均有所增大,进一步说明当水–岩作用程度越大时,岩体平衡越容易被打破且库岸边坡稳定性越差,而新的平衡对应的安全性逐年降低。这一现象符合重力背斜型滑坡在库水作用期间的破坏堆积过程,研究成果对库区岸坡的稳定性计算具有一定指导意义。     

重复剪切作用下节理强度和形貌特征劣化规律

为了分析重复剪切作用下节理面剪切力学特性及微观形貌特征劣化规律,制备了单节理砂岩试样,考虑4种法向应力分别进行了6次重复剪切试验。研究结果发现:(1)在重复剪切作用下,节理面剪应力–剪切变形曲线变化特征明显,经过2~3次剪切,不再出现明显峰值,剪切硬化现象明显,残余抗剪强度逐渐趋于稳定;(2)随着重复剪切次数增加,节理面的抗剪强度劣化趋势明显,呈先陡后缓的劣化趋势,前2次剪切的劣化幅度占总劣化值的65%以上,而且法向应力越大,抗剪强度劣化幅度和劣化速度越大;(3)在重复剪切作用下,节理面上相互咬合的微凸起和凹陷部分发生切齿、磨损和填充,节理面的凹凸起伏程度逐渐减小,使得其形貌特征参数及粗糙度系数逐渐降低,进而导致其剪切力学特性逐渐劣化;(4)建立了重复剪切作用下节理面粗糙度系数劣化方程,结合N.Barton提出的结构面抗剪强度经验公式,建立了考虑重复剪切作用的节理面抗剪强度计算公式,结果表明计算值与试验值吻合的较好。     

水–岩作用下红层软岩力学特性劣化规律研究

红层软岩在三峡库区广泛分布,其在水–岩作用下的物理力学特性劣化将直接影响相关库岸边坡的长期变形稳定与安全。基于此,考虑消落带库水位反复升降变化,设计进行红层软岩的浸泡–风干循环水–岩作用试验,研究结果表明:(1)在水–岩作用过程中,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势明显,岩样存在逐渐"变软"的趋势,而且前3次浸泡–风干循环中的劣化速率较快,5次浸泡–风干循环作用之后,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势逐渐趋于缓慢;(2)在水–岩作用过程中,岩样的破坏模式也存在明显的变化,不同围压下岩样的剪切破坏特征逐渐明显,岩样破坏时控制性裂纹数量逐渐减少,次生裂纹的数量逐渐增加;(3)在水–岩作用过程中,水压力的反复升降变化和浸泡–风干循环作用对红层软岩造成了不可逆的渐进累积损伤,红层软岩由相对致密的结构转变成微观裂隙、孔隙发育的松散多孔结构,宏观上就表现为抗压、抗剪强度劣化和破坏模式的变化。相关研究结论可为库岸边坡长期变形稳定分析提供参考。     

水作用下砂岩断裂力学效应试验研究

 消落带是库岸边坡稳定的敏感地带,在库水位反复升降作用下,岩石的断裂韧度变化规律对库岸边坡的稳定性十分关键。以三峡库区典型库岸边坡砂岩为研究对象,针对库岸边坡消落带的实际赋存环境,设计长期浸泡和浸泡–风干循环作用2种试验方案。试验结果表明：(1) 长期浸泡和浸泡–风干循环作用下砂岩试样有明显“变软”的趋势,其断裂韧度、抗拉强度和抗压强度劣化趋势基本一致,劣化幅度在试验初期较为明显,后期逐渐趋于平缓;(2) 各力学参数劣化的幅度差别较大,其中,断裂韧度劣化最快,抗拉强度次之,抗压强度劣化相对较慢;(3) 比较而言,在浸泡–风干循环作用下,砂岩的各力学参数劣化趋势更加明显,说明在模拟库岸边坡消落带水–岩作用时,浸泡–风干循环作用是不可忽略的因素。研究成果对大量存在的库岸边坡稳定性分析具有重要参考价值,同时,相关试验方法也可以为类似试验提供参考。     

“饱水-风干”循环作用下砂岩损伤劣化规律研究

水库正常运营过程中,将周期性的进行蓄水、排水,库岸边坡部分岩体处于“饱水-风干”的循环状态,将造成岩体性质劣化.据此,在以往研究的基础上,对循环加卸载砂岩损伤试样进行了“饱水-风干”循环作用试验,试验结果表明,在“饱水-风干”循环过程中,砂岩损伤试样的纵波波速、回弹值和单轴抗压强度均逐渐劣化,而且规律明显.水压力的升、...     

水岩作用下损伤砂岩强度劣化规律试验研究

针对震后边坡岩体在降雨或库水浸泡作用下易出现变形破坏的现状,选取典型砂岩为研究对象,对岩样先进行循环加卸载损伤作用,再进行浸泡–风干循环水岩作用试验,对损伤砂岩在水岩作用下的劣化效应和机制进行详细研究。结果表明:(1)循环加载作用导致的岩石矿物颗粒界面滑移、局部接触变形和破坏不仅使得岩样产生塑性变形,而且使得岩样内部形成初始损伤;(2)在浸泡–风干循环水岩作用过程中,损伤砂岩的抗压、抗剪强度劣化效应明显,具有明显的时间效应和非均匀性;(3)与完整岩样相比,损伤岩样的强度劣化速度更快,说明水岩作用对损伤岩样的耦合损伤效应明显,这也能较好解释一些震后边坡在经历多个浸泡或者降雨周期后容易失稳的原因。     

浸泡–风干循环作用对砂岩变形及破坏特征影响研究

水库正常运营后,库水位将按计划周期性的上升或下降,浸泡–风干循环作用将导致库岸边坡变幅带岩体性质逐渐劣化,进而影响库岸边坡的稳定性,基于此,设计了考虑水压力升、降变化的砂岩浸泡–风干循环作用试验,重点研究了砂岩试样的变形及破坏特征。研究结果表明：水压力升、降变化和浸泡–风干循环作用对岩样造成了不可逆的渐进性损伤,在循环作用过程中,砂岩试样的应力–应变曲线逐渐变缓,压密段长度逐渐变长,弹性变形段的斜率逐渐减小,弹性模量逐渐降低,屈服阶段也逐渐变长,试样达到峰值强度时对应的轴向应变逐渐变大,试样的剪切破坏角有逐渐变小的趋势。应力–应变曲线的变化显示岩样有明显的“变软”的趋势,而且,浸泡–风干循环次数越多,岩样的损伤越严重。研究成果对于把握库岸边坡库水消落带岩体变形、破坏规律具有较大的参考价值,为库岸边坡的长期稳定性分析提供了有益的依据。     

不同位置和尺寸的裂隙对岩体破坏影响的试验研究

为研究节理裂隙岩体中节理位置和尺寸对岩体综合抗剪强度的影响,以水泥砂浆作为模型材料,通过在试件的不同位置预制相同长度的节理裂隙和相同位置预制不同长度的节理裂隙,进行不同法向压力下3种具有不同起伏角的节理面剪切试验。试验结果表明:当节理位置和长度一定时其抗剪强度随法向压力增加而增加;对于同一节理裂隙,当其位于试件中间时抗剪强度和黏聚力最小,位于试件后端时抗剪强度和黏聚力最大,位于试件前端时介于两者之间;内摩擦角随节理位置的变化规律不明显;当节理裂隙位置固定时,节理裂隙越长,抗剪强度和黏聚力越低,且抗剪强度随节理长度的增加呈近乎线性的减小。节理位置和尺寸对综合抗剪强度的影响可能由于节理、岩桥的强度参数及岩桥内部损伤劣化程度共同作用所致,现场节理岩体的抗剪强度取值应考虑节理的位置影响。     

巫山段消落带岸坡库岸再造模式及典型案例分析

三峡库区在库水季节性升降作用下,库岸边坡形成了一段高程约为30m的消落带。消落带是库岸边坡稳定性的敏感地带。在库水升降、波浪淘蚀等其它外力作用下,消落带库岸的岩土体不断地被冲刷和搬运,从而导致库岸后退,消落带岸坡不断地进行库岸再造。根据三峡库区巫山段消落带库岸考察结果,从地质因素和环境因素两个方面对库岸稳定性影响因素进行分析总结,归纳5类易引发消落带变形破坏的致灾岩组,总结岩质岸坡存在的3种岩体结构变形特征;在对库岸再造比较明显的15例消落带岸坡典型案例分析的基础上,提出5种巫山段消落带岸坡库岸再造类型;并在巫山段消落带岸坡灾害防治典型案例分析的基础上,提出了库岸边坡地质灾害防治的要点和岸坡防护的一些建议。     

循环剪切对岩石节理形貌与力学行为影响实验研究

为研究岩石节理在循环剪切作用下的物理力学特性变化规律,对节理试件进行了不同法向荷载下的循环剪切试验,并对节理表面形貌进行了测量研究。结果表明:随着循环剪切次数的增加,节理表面最高点与最低点之间的垂直距离迅速减小,试件所施加的法向荷载越大则会增加节理表面形貌的劣化程度,节理表面的劣化主要发生在第1次剪切过程。节理峰值抗剪强度与残余强度均随剪切次数增加而减小,第2次剪切以后节理剪切曲线峰值点消失,峰值抗剪强度几乎与残余抗剪强度相等。同时,随着形貌特征的劣化,节理剪胀随着剪切次数的增加而减小。     

库水作用下库岸边坡红土的侵蚀模型试验研究

库水位的升降变化会引起库岸边坡红土的侵蚀。本文采用室内边坡模型试验和浸泡试验的方法,研究库水作用下库岸边坡红土侵蚀过程中的颗粒迁移、土压力、孔隙水压力的变化及其对应的抗剪强度和渗透性的变化情况。试验结果表明:在相同库水位下,边坡红土颗粒迁移现象不明显,库水位以下的土压力与孔隙水压力都比水面以上的土压力与孔隙水压力值大;随着库水位上升,土体内部孔隙中的气泡随水带出,边坡红土内部的土压力减小,孔隙水压力增大,且两者呈显著的非线性变化;随着浸泡时间的增长,土体抗剪强度先迅速减小,后缓慢回升,之后强度持续降低;渗透系数随浸泡时间延长明显增大;随着浸泡温度的升高,土体抗剪强度先增大后减小,但在常温作用时强度最大。     

水库运行期岸坡消落带红砂岩抗剪与抗压强度劣化机制

目前在水库运行期岸坡消落带环境条件模拟方面,对消落带岩石在库水位周期性升降条件下宏观强度劣化规律进行研究时,主要侧重于"湿干"交替作用环境条件的单一模拟,鲜见对水库运行期岸坡消落带岩石所处的岸坡应力、"湿干"交替和库水渗透综合作用的真实环境条件进行模拟。自主研发了能模拟岸坡应力、"湿干"交替和库水渗透综合作用环境的水库岸坡消落带软岩三轴试验系统,以三峡库区马家沟滑坡红砂岩为研究对象,开展红砂岩的单轴、三轴压缩试验,并分析了岩石试样的破坏模式;同时,通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等测试方法,获得红砂岩的微细观结构和黏土矿物成分随"湿干"交替作用次数增加的变化规律。研究结果表明:红砂岩的峰值抗压强度随"湿干"交替作用次数增加逐渐劣化,其中前4次"湿干"交替过程中,峰值抗压强度劣化幅度较大;第6～8次"湿干"交替过程中,劣化幅度逐渐减小。随"湿干"交替作用次数的增加,红砂岩的黏聚力也逐渐下降,第1～4次"湿干"交替过程中,黏聚力的下降幅度较大;第6～8次"湿干"交替过程中,黏聚力的下降幅度明显减小。随"湿干"交替作用次数的增加,红砂岩的内摩擦角有所降低,但变化规律不明显。红砂岩中的黏土矿物因水化反应产生不均匀膨胀、收缩,导致碎屑矿物颗粒之间的胶结作用遭到一定程度的弱化,在宏观上表现为抗剪强度、抗拉强度的劣化;抗剪强度、抗拉强度的劣化使得红砂岩在轴向荷载的作用下更容易发生破坏,是导致峰值抗压强度发生劣化的直接原因,而红砂岩中胶结物胶结作用的变弱是红砂岩峰值抗压强度发生劣化的根本原因;同时,渗透压对峰值抗压强度、抗剪强度的劣化具有一定程度的促进作用。研究成果可为水库运行期岸坡稳定性动态分析与评价提供科学的依据。     

考虑多尺度结构的贯通节理岩体损伤摩擦耦合模型

基于贯通节理岩体结构的多尺度特征,采用两步均匀化方法,给出了节理岩体在复杂荷载作用下的自由焓表达式,建立了节理岩体损伤摩擦耦合本构模型。模型可同时考虑岩块损伤扩展、微裂纹滑移剪胀、法向刚度恢复,节理面多阶凸起体滑移磨损、剪胀演化以及节理与岩块相互作用等特征,较好地反映岩体内部微裂纹、节理等不同尺度微结构变化对其力学特性的影响。采用Lac du Bonnet花岗岩三轴压缩试验、花岗岩节理剪切试验以及不同节理倾角与不同围压下Martinsburg板岩三轴压缩强度试验等成果对模型进行了验证,模型预测值与实测值相当吻合,论证了模型的准确性。     

节理岩体正交各向异性等效强度参数研究

将节理裂隙视为岩体的损伤,利用岩体裂隙网络模拟技术、损伤力学和节理张量理论对等效抗剪强度参数(即黏聚力和摩擦系数)进行了研究。在岩体损伤力学研究成果的基础上,研究了包含多组节理裂隙的岩体在空间任意截面上损伤变量的近似计算方法;以损伤变量作为加权系数,将岩块和结构面抗剪强度参数的加权平均值作为岩体等效强度参数;根据岩体在各空间截面上的等效抗剪强度参数计算成果,将岩体抗剪强度参数等效为正交各向异性变化的抗剪强度参数;编制相应的计算程序,通过计算实例验证了研究成果和计算程序的正确性。     

节理剪切试验及其表面形貌特征变化分析

 节理表面形貌是影响节理抗剪强度的重要因素之一。采用试验方法研究岩石节理表面形貌与其抗剪强度之间的关系;运用RYL–600岩石剪切流变仪对天然岩石节理在不同法向应力下进行剪切试验,得到不同法向应力下节理的抗剪强度曲线,并运用TALYSURF CLI 2000扫描仪将节理表面在每次剪切前后进行高精度激光扫描测试,得到岩石节理表面的三维扫描图。分析节理在不同法向应力作用下的抗剪强度与节理表面形貌变化的关系,计算岩石节理表面轮廓平均角的加权平均值 ,发现随着法向应力的增加,节理峰值抗剪强度增加,随着剪切次数增加, 呈减小趋势。说明节理的抗剪强度与法向应力和节理表面形貌特征参数 有关。     

不同锚固角加锚无摩擦节理面剪切试验研究

为进一步阐明锚固角对锚固节理抗剪作用的影响,开展了无摩擦锚固节理双面剪切试验。对比不同锚固角情况下锚固节理的抗剪强度,分析锚固角对锚固节理抗剪性能的影响。试验采用应变片测量节理岩体中锚杆在节理面位置处的轴力,研究锚固节理在剪切荷载作用下锚杆的轴力变化规律以及变形特性。试验结果表明,锚固角增大,锚固节理极限荷载、屈服荷载以及抗剪刚度先逐渐增大后逐渐减小,在锚固角为60°时达到最大值;不同锚固角锚杆最终破坏模式不同,锚固角较小时,锚杆发生拉剪破坏;锚固角较大时,锚杆发生拉弯破坏;试验也发现,剪切位移较小时,锚杆的抗剪作用就已经充分发挥。     

岩桥渐进弱化的Jennings抗剪强度准则

Jennings 抗剪强度准则以节理和岩桥抗剪强度参数按连通率加权平均的方式求取非贯通节理岩体的峰值抗剪强度,未考虑直剪试验过程中岩桥力学参数逐步弱化的影响,计算所得的抗剪强度与直剪试验结果存在较大偏差.基于人工齿状共面非贯通节理岩体的直剪试验,采用以剪切位移为变量的岩桥弱化度模型考虑岩桥力学参数弱化对抗剪强度的影响,提出改进的Jennings抗剪强度准则.考虑岩桥力学参数弱化的Jennings抗剪强度准则的计算结果更为接近试验值,表明考虑岩桥力学性质弱化是合理的.