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...     

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明:①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力–应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

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。     

三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明：①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力-应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

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。     

水-岩和重复剪切次序作用下节理岩体损伤效应及模型

水库蓄水运行过程中，部分库岸边坡出现了明显的台阶式变形趋势，消落带岩体处于库水位周期性升降变化和阶段性重复剪切次序作用下。基于此，设计进行了节理岩体的水-岩作用试验，并在不同水-岩作用周期进行重复剪切试验，研究结果显示：(1)在水-岩和重复剪切次序作用下，节理岩体的抗剪强度、剪切刚度、节理面粗糙度系数均呈现先陡后缓的劣化趋势，比较而言，前4个作用周期的劣化趋势尤为明显，而且法向应力越大，劣化趋势越明显；(2)由重复剪切导致的抗剪强度劣化趋势在初始状态时尤为明显，之后随水-岩作用周期的增加迅速减弱，由水-岩作用导致的抗剪强度劣化趋势在前4个作用周期较为明显，随后趋于平缓；(3)将节理面岩壁损伤区域分为水-岩作用损伤区域、水-岩和重复剪切次序作用损伤区域，对JRC-JCS抗剪强度模型进行了修正，验证分析表明修正后的模型计算值与试验结果吻合较好。相关研究方法和成果可为库岸边坡消落带节理岩体性能劣化分析提供较好参考。     

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。     

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。     

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。     

节理对砂岩变形及破坏特征影响研究

工程岩体一般都含有各种不同级别的地质构造节理和软弱面,使得岩体的强度弱化。含有节理的岩体和完整岩石具有完全不同的力学性质。本文在三轴压缩试验的基础上,对不同节理倾角的三峡库区砂岩开展研究,探讨其变形及破坏特征。试验结果表明:①在同种围压下,节理岩样峰值强度的大小关系为:σ_60°<σ_30°<σ_90°<σ_完整。②相同围压下,完整岩样弹性模量及变形模量均高于节理岩样,随着围压升高,岩样弹性模量和变形模量逐渐增大,其增长速度随围压增大而逐渐降低。③在低围压下(＜5 MPa),节理倾角对岩样弹性模量和变形模量影响较大,相比完整岩样有较大幅度地降低,其中30°倾角和60°倾角岩样降低程度较高,弹性模量最高达31%,变形模量最高达40%;随着围压增大(大于10 MPa),节理倾角对岩样变形参数影响逐渐减小,相比完整岩样,节理岩样弹性模量降低幅度小于15%,变形模量降低幅度小于10%。④节理倾角和围压对岩石的破坏机制均有较大的影响,节理倾角及围压不同,岩样破坏形式不同。     

Study on the seepage characteristics and degradation mechanism of a single-jointed sandstone under the cyclic dry–wet process in the Three Gorges reservoir

Bulletin of Engineering Geology and the Environment - The hydro-fluctuation belt is the most sensitive part of the reservoir bank slope. The rock mass in the hydro-fluctuation belt has been...     

基于组合模型法的贯通节理岩体动态损伤本构模型

针对贯通节理岩体动态变形特点并结合已有岩石动态本构模型的相关研究成果,将贯通节理岩体变形过程中的动态应力视为贯通节理岩体静态应力分量与相应动态应力分量的叠加。其中贯通节理岩体静态应力分量采用考虑岩石细观损伤的非线性元件、节理面闭合及剪切变形元件等3个基本元件的串联来模拟,动态应力分量采用黏性元件来模拟,从而建立了贯通节理岩体动态单轴压缩损伤本构模型。其次,根据贯通节理岩体在单轴压缩荷载下往往会沿节理面发生剪切破坏的特点,在前述已建立的损伤本构模型中引人节理剪切破坏准则对该模型进行修正,从而更好地考虑了节理剪切强度对该模型的影响,最终建立了考虑节理剪切强度的贯通节理岩体单轴压缩损伤本构模型。最后利用该模型对贯通节理岩体在压缩荷载作用下的力学特性进行了分析计算,重点讨论了节理倾角对岩体单轴动态压缩峰值强度的影响规律。研究结果表明随着节理倾角的变化,节理岩体将发生岩块张拉或剪切破坏、沿节理面的剪切破坏及上述两种破坏模式的复合破坏,相应地节理岩体的单轴压缩动态峰值强度也随之有较大变化。     

非贯通节理岩体边坡稳定性及破坏规律的数值分析

非贯通节理普遍存在于岩体边坡中,并对边坡的稳定性产生较大影响。利用数值分析软件Optum G2建立2类含非贯通节理岩体边坡的稳定性分析模型,采用shear joint单元模拟非贯通节理,基于有限元强度折减法得到不同节理(组)倾角、节理长度和岩桥长度下边坡的稳定系数F及破坏规律。研究结果表明,第一类模型中,随节理倾角α的增大,F先减小,再增大,最后基本保持不变。节理倾角等于边坡倾角时(α=60°),F有最小值,且节理长度越大,最小值越小,此时破坏面为由非贯通节理向坡脚发育的近圆弧状破坏面,而在其它倾角方向则影响较小;第二类模型中,随节理组倾角θ的增大,F先急剧减小(θ=30°时为最小值),再缓慢增大,最后缓慢降低。岩桥长度越小,F越小,在θ=30°时最为显著。此时破坏面呈不规则状,节理裂隙扩展路径由重力作用从上往下发展,并由一非贯通节理端部向相邻节理端部直线发展,当岩桥长度较小时,节理裂隙扩展路径更为复杂和密集。     

岩石水化学损伤的机理及量化方法探讨

提出了化学损伤概念，分别运用化学成分分析理论、能量观点、考虑化学操作的破坏力学方法，分析了岩石水化学损伤机理，并探讨了其定量方法。采用水－岩反应的大模式与小模式理论，解释了自然界中岩体的剧烈变形及破坏往往发生在暴雨或人类工程活动时的原因。探讨了岩石水化学损伤定量方法的研究途径，提出并分析了岩石水化学损伤的层次分区性。重点讨论了考虑化学损伤的破坏力学方法，认为此方法可以解释并定量分析水－岩反应的力学效应。     

单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究

 柱状节理岩体作为一种典型的结构岩体,由于柱状节理构造的存在,其变形和强度表现出显著的各向异性特性。为研究柱状节理岩体的力学各向异性,采用模型试验方法,以石膏、水泥和水的混合物为模型材料,制作具有不同柱体倾角(? = 0°～90°)的圆柱形柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同柱体倾角?下的变形模量和单轴抗压强度。在此基础上绘制出变形和强度随柱体倾角变化的各向异性曲线,分析柱状节理岩体变形和强度的各向异性特性：柱状节理岩体变形和强度各向异性曲线都呈现近似“U”型,单轴抗压强度在? = 30°时取得最小值,在? = 90°时取得最大值,强度各向异性比达到1.5,表现出较显著的各向异性;变形模量在? = 30°～60°范围内取得较小值,侧向应变比大于0.5。同时,根据试验结果,总结柱状节理岩体在单轴压缩应力条件下的4种典型破坏模式,并对其破坏机制进行分析。     

节理岩体卸荷各向异性力学特性试验研究

 针对节理岩体开挖卸荷所产生的各向异性力学难题,通过制作不同倾角单一预制节理试件,开展节理岩体三轴卸荷试验,研究卸荷条件下节理岩体的应力–应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式。得到如下结论：(1) 进入卸荷阶段之后,0°,30°和90°倾角节理试件的应力–应变曲线依次出现屈服、软化和残余变形阶段,而45°和60°倾角节理试件只出现屈服阶段。(2) 节理试件的变形模量随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件的变形模量最小;随着围压升高,不同倾角节理试件之间的变形特性差异逐渐减小。(3) 0°,30°和90°倾角节理试件的抗压强度降低,而45°和60°倾角节理试件几乎未降低;节理试件的黏聚力随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件仍为最小;而内摩擦角随节理倾角增大而增大。(4) 0°,30°和90°倾角节理试件的破坏模式均为穿越节理的压剪破坏,且不受节理影响,而45°和60°倾角节理试件的破坏模式均为沿节理面滑动破坏。(5) 揭示节理岩体的卸荷力学特性分为受岩块强度控制和节理面强度控制。     

节理特性对顺层隧道破坏模式及稳定影响分析

顺层隧道的破坏模式及稳定性与岩体节理特性密切相关。建立顺层隧道的节理岩体模型,采用有限元强度折减法,研究了当顺层隧道围岩为硬质岩层、硬质岩软质岩互层时,节理倾角变化以及节理间距变化对隧道破坏模式及稳定性的影响。结果表明,顺层隧道开挖后,顺层面方向围岩会顺着节理面滑移,垂直层面方向围岩会产生弯曲折断破坏。当节理倾角变化时,两个方向的破坏程度和破坏范围会随之发生变化,从而影响隧道的安全系数,倾角40°时安全系数达到峰值。当隧道围岩为硬质岩层时,节理倾角的变化对隧道围岩的破坏模式影响较小,当隧道围岩为硬软互层时,随着节理倾角的增大,软质岩顺着节理面滑移的可能性大大增加。当节理间距增大时,隧道围岩宏观力学性质逐渐趋向于岩石,安全系数逐渐增大。研究成果对于合理设计顺层隧道的支护措施具有指导意义。