恒定法向刚度条件下三维粗糙裂隙面剪切力学特性EI北大核心CSCD

通过恒定法向刚度边界条件下真实三维粗糙裂隙面剪切试验,研究初始法向应力(0.02~8 MPa)和粗糙度系数JRC(12~18)对裂隙面剪切应力、法向位移、法向应力和表面剪切磨损特征的影响。结果表明:整个剪切过程中,裂隙面法向位移–法向应力拟合关系为一组平行直线,法向边界刚度保持在10.8 GPa/m。随着初始法向应力和粗糙度系数的增加,裂隙面法向应力均逐渐增大,初始剪应力峰值分别增加了6.201~9.974倍和22.70%~55.76%;裂隙面法向位移随初始法向应力的增加逐渐减小,而随JRC的增加,由于剪切过程中沿凸起体的"爬坡效应"趋于显著,剪胀变形逐渐加剧。峰值表面阻力指数随初始法向应力的增加线性减小,而随JRC的变化增加了10.82%~36.46%。随着粗糙度系数的增加,初始剪应力峰值强度包络线变得陡峭;剪切磨损阶段,法向应力–剪切应力路径可通过线性函数较好地拟合,且随着初始法向应力的增加,拟合曲线趋于平缓。二值化计算结果表明试验后裂隙面剪切面积占比随初始法向应力和粗糙度系数分别增加了1.032~1.799倍和8.63%~71.81%,剪切磨损特征趋于显著。     

循环动载边界下三维粗糙节理面剪切力学响应研究

开展正弦波式循环法向动载–循环剪切位移叠加作用下三维粗糙节理面剪切试验,探讨初始法向静载(F_s)、法向动载振幅(F_a)、法向动载频率(f_v)及循环剪切次数(N)对节理面剪切特性的影响。随着F_s与F_a的增加,节理面法向荷载变化范围逐渐增大,一个剪切位移周期内剪切荷载呈现波动增加→波动减小→波动增加趋势;稳定状态下峰值剪切荷载随着F_s与F_a的增加分别增大4.90倍与65.12%,节理面抗剪能力逐渐增强,而随着f_v的增加,节理表面损伤渐进累积导致峰值剪切荷载逐渐减小,且出现的时刻逐渐前移,稳定状态峰值剪切荷载减小17.49%。一个剪切位移周期内节理面法向位移呈现波动增加→波动减小→二次增加→二次减小的趋势,当节理面远离初始位置剪切时,凸起体持续“爬坡效应”导致法向位移逐渐增大;节理面法向位移–法向荷载呈现明显负相关,且最大法向位移滞后于最大剪切位移1/4法向荷载周期;随着N的增加,节理面持续磨损劣化导致最大法向位移呈指...     

恒定法向刚度边界条件下锚固节理岩体剪切特性试验研究

锚固节理岩体的剪切特性对于岩体工程稳定性控制设计至关重要.开展一系列不同恒定法向刚度(CNS)边界条件下锚固和无锚固类岩石材料粗糙节理剪切试验,研究CNS边界条件对锚固节理剪切力学特性以及节理面剪切破坏、锚杆剪切变形破断和锚杆破断剪切位移特征的影响.结果表明:峰前阶段法向刚度对剪切应力第一峰值Tp的影响不明显;峰后阶段...     

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...     

不同注浆材料作用下结构面剪切力学特性研究

注浆技术是裂隙岩体常用加固方法,其对岩体的作用主要体现在对结构面力学特性的影响,不同注浆材料加固效果和作用机制不同。以红砂岩为研究对象,通过劈裂法制取结构面,选取水泥、环氧树脂进行结构面注浆,开展不同法向压力下的直剪试验,并与未注浆结构面剪切试验结果进行比较,对其剪切力学特性进行分析。利用三维扫描仪,对剪切前后的结构面进行扫描,以有效剪切倾角、结构表面三维形貌的起伏度坡度均方根Z_2的计算公式为理论基础,利用分析软件对剪切前后的结构面进行粗糙度评价,分析注浆对于结构面三维形貌特征的影响。试验结果表明:注浆可以增大结构面间的黏聚力,同时改变结构面的三维形貌特征,使得抗剪强度增大;不同注浆材料表现的力学特性有所不同,环氧树脂注浆材料对结构面加固效果突出,水泥注浆材料在低法向应力水平下效果较为明显。     

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...     

法向循环加卸载条件下节理力学特征研究

将节理法向循环加卸载试验所得的法向应力–闭合量曲线分别采用半对数、双曲线本构方程进行拟合,得到2种类型节理法向刚度表达式,并将其引入持续屈服节理模型中,同时编写节理法向循环加卸载程序,首次实现节理非线性本构循环加卸载数值模拟分析。研究结果表明:建立的节理法向非线性本构循环加卸载数值试验方法行之有效;由双曲线方程得到的节理法向刚度值较由半对数方程得到的法向刚度值略有不同,但2种方法得到的节理法向应力–闭合量曲线数值模拟结果均与室内试验十分接近,均可有效表征节理法向循环加卸载力学特征。研究成果可为后续节理岩体动力学性质研究,边坡动力响应分析以及边坡稳定性、安全性评价等奠定基础。     

不同水灰比注浆锯齿结构面剪切力学特性试验研究

岩体结构面对围岩强度控制作用较为明显,为了解决破碎围岩变形较大问题,一般采用注浆支护技术作为防止工程灾害的有效手段。依据人工锯齿结构面开展未注浆与不同水灰比铝酸盐水泥注浆加固的室内直剪试验,揭示注浆加固机制。试验结果表明:(1)注浆支护对结构面的峰值强度、黏聚力、界面刚度有提高作用。同一法向应力条件下,随着水灰比的增大,剪切峰值强度和界面黏聚力均减小。(2)界面的破坏形式:锯齿由不同起伏角组成,未注浆界面在发生剪切破坏时,模式为剪断,磨损,爬坡,啃断耦合效应。注浆后界面发生剪切破坏时,在峰值强度过后,曲线波动振幅较大,破坏从黏结力的破坏转化为滑移破坏。注浆滑移破坏与未注浆界面破坏表征相似。(3)法向位移与剪切位移曲线表明,未注浆结构面以剪胀性为主,注浆结构面呈现出先剪缩,后剪胀的特性。     

节理的剪切力学性质与含三维形貌参数的剪切强度准则比较研究

利用水泥砂浆材料浇注3组不同表面形貌的节理试件,由常法向应力下的直剪试验研究节理的剪切力学性质,并分析法向应力、三维形貌特征对抗剪强度的影响。直剪试验结果表明：峰值剪胀角与法向应力成反变化关系,与粗糙程度呈正变化关系;峰值抗剪强度与法向应力、粗糙程度均呈正变化关系。分析了JRC-JCS准则计算值偏低于试验值的原因,根据试验现象建议采用三维形貌参数、抗拉强度描述节理的剪切强度。对比分析了含三维形貌参数的峰值抗剪强度准则,建议低法向应力水平下采用双曲线形式的峰值剪切强度准则估算岩石节理的峰值抗剪强度。     

变饱和度条件下粗糙岩石节理剪切强度特性的试验研究

为探究节理剪切性质随饱和度变化的演变规律,首先采用三维激光扫描技术和3D打印技术相结合的手段,通过将水泥、砂、粉煤灰和水按1 ∶ 3 ∶ 0.4 ∶ 0.55的配比混合,从而复刻出3种不同粗糙度的类岩石节理,并根据计算得到的节理空隙体积对饱和度进行控制,随后采用自主研发的岩石直剪试验系统,对3种粗糙度的复刻节理开展了在...     

不同孔隙水压条件下完整砂岩剪切力学特性试验研究

利用自主研发的煤岩剪切–渗流耦合试验装置,开展法向应力为2.0 MPa,孔隙水压分别为1.0,2.0和3.0 MPa条件下砂岩剪切破坏试验,同时利用三维立体扫描仪对剪切断裂面进行扫描,运用Matlab软件编写统计参数计算程序,分析不同孔隙水压下的剪切断裂面特征。研究结果表明:(1)孔隙水压对砂岩剪切力学特性具有"软化"效应,孔隙水压越高,砂岩的抗剪强度越低,峰值剪切变形量与峰值法向变形量均越小;(2)孔隙水压越高,试件剪切断裂面各点相对基准剪切面垂直距离的均方根偏差S_q、粗糙度指数S_r以及表面裂纹分形维数D_r等均越小,表明随孔隙水压增大,剪切断裂面粗糙程度降低;(3)通过剪切断裂面裂纹扩展分析发现,在不同孔隙水压条件下的剪切试验过程中,试件表面裂纹的扩展只能反映靠近该表面很小范围的内部裂纹扩展情况,不能等同试件剪切断裂面裂纹的扩展路径。     

节理面剪切应力–切向位移曲线峰值后区特性的初步研究

在节理面剪切试验中,许多剪切应力–位移过程曲线呈现出明显的峰值后区形态。针对这种结构面强度弱化特性,对一组结构面剪切应力–位移过程曲线进行分析,从曲线中获取节理面峰值强度与残余强度。采用一系列应力跌落与塑性流动过程模拟节理面强度弱化过程,通过数值方法再现剪切应力–位移全过程曲线;并进一步研究峰值后区应力–位移曲线与强度弱化的内在关系以及剪胀角演化规律对节理面法向变形的影响,研究成果有助于深化结构面强度与变形特性认识。     

法向常刚度切向应力控制接触面动力特性试验研究

运用最新研制的80 t三维多功能土工试验机,对工程中常用的粗粒土与人造粗糙钢板形成的接触面在常刚度法向边界条件切向应力控制下的动力特性进行了试验研究,并分析了切向控制方式的影响。接触面在剪切时产生了明显体变,可分为可逆和不可逆两部分;可逆性剪切体变的发展程度主要与切向位移幅值有关;不可逆性剪切体变的发展与剪切路程有很大关系;接触面体变出现了一定的异向性,且受切向加载路径、切向控制方式的影响。随着循环剪切的进行接触面切向位移发生明显偏移,其幅值也逐渐增加,受切向加载路径影响较大;切向应力、应力比、法向位移与切向位移的关系与切向加载路径、切向控制方式有很大关系。接触面在初始剪切时没有达到、随后逐渐达到抗剪强度,但破坏状态持续时间很短;其抗剪强度指标与切向控制方式关系不大。     

岩体结构面法向循环加载本构关系研究

对岩体结构面在法向循环加载下的受力变形关系进行了理论研究。试验表明,加卸载应力–变形曲线均可表示为双曲线函数,并且呈现不断硬化的特性,伴随产生法向残余位移。对已有双曲线型式的本构关系加以拓展,引入新的模型参数,假定卸载和重加载曲线均以结构面最大压缩位移为渐近线,曲线在法向力时为0的起始刚度由前一次循环过程的加载和卸载曲线起始刚度决定,从而完全确定循环加载本构方程。新参数体现结构面法向循环加载曲线的收敛速度和所产生的残余位移等受力变形特性,取决于岩石类型、结构面几何特征和填充物特性。通过设定参数的不同取值,这一模型分别等价于已有的不同模型。与无充填岩石裂隙和有厚度岩石夹层在法向循环加载下的试验结果对比表明,模型能较好描述岩体结构面的本构关系。     

常/变法向应力下松砂-混凝土接触面剪切力学性状试验研究

利用Shear Trac-Ⅲ大型直剪仪对松砂-混凝土接触面进行了常/变法向应力作用下的剪切试验,分析了剪切过程中剪应力和剪切面体应变的变化特征,建立了能够反映松砂-混凝土接触面剪切力学性状的数学模型,并给出了模型参数的确定方法。试验结果表明:在常法向应力作用下的剪切试验中,松砂-混凝土接触面的剪应力及体应变与法向应力密切相关;在变法向应力作用下的剪切试验中,松砂-混凝土接触面的抗剪强度与相应的常法向应力的抗剪强度相同,但其体应变小于相应的常法向应力作用下的体应变;在常法向应力作用下,松砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移关系可以用双曲线模型表示;在变法向应力作用下,松砂-混凝土接触面的剪应力-剪切位移关系可以用分段双曲线模型表示。     

基于三维模型构建新方法的块石形状效应下S-RM宏细观剪切力学行为

为研究块石形状效应下土石混合体(S-RM)剪切力学行为,基于CT技术与球谐级数提出三维块石几何形态构建新方法,生成具有不同形状(类球状、扁长状、扁平状与片状)但具有相同凸度与棱角度的块石,并根据改进的不重叠颗粒簇生成方法构建可提高计算效率的三维块石离散元模型,并开展不同块石形状及破碎性的S-RM直剪数值试验,深入分析S-RM宏细观剪切力学特性并揭示块石形状影响机制。研究表明：类球状与扁长状块石咬合程度、滑移摩擦程度及旋转量均大于扁平状与片状块石;块石破碎虽然增加了块石咬合与旋转程度,但减小了块石的滑移摩擦程度;在块石摩擦滑移与旋转运动联合作用影响下,类球状软岩块石破碎程度最大而片状块石最小,类球状与扁长状块石S-RM的抗剪强度与剪胀性均大于扁平状与片状块石;由于类球状与扁平状软岩块石破碎程度较大,其S-RM强度非线性较扁长状与片状块石S-RM更强;由于类球状与扁长状块石的咬合程度较大,其SRM峰值内摩擦角大于扁平状与片状块石S-RM。     

峰前循环剪切作用下岩石节理损伤特征与剪切特性试验研究

采用水刀切割加工原岩试样,开展含二阶起伏体的均质砂岩试样的峰前循环加载直剪试验,研究不同破坏模式下岩石节理的累积损伤特征,并分析循环加载次数、加载速率与幅值等因素对岩石节理剪切特性的影响规律。结果表明:(1)发生爬坡破坏模式的节理,其损伤特征主要表现为二阶起伏体的磨损;而啃断破坏模式下主要表现为一阶起伏体上的损伤裂纹开展和贯通;在爬坡–啃断破坏模式下,岩石节理的损伤特征则兼有爬坡破坏与啃断破坏的损伤特征。(2)岩石节理的峰值抗剪强度随着循环加载次数的增加呈先增后减的变化趋势,但残余抗剪强度受加载次数的影响不大;随着循环加载速率增大、幅值增加,节理的峰值抗剪强度劣化速度加快,峰值抗剪强度降低。(3)峰前循环加载对岩石节理造成的影响可归结为接触效应和损伤效应,在节理经历峰前循环剪切过程中,上述2种效应的演变是造成其峰值抗剪强度先增后减的根本原因。     

法向循环荷载下格栅加筋盐渍土剪切性能研究

为了研究法向循环荷载作用下格栅加筋盐渍土的剪切性能,采用大型直剪试验,研究静荷载、法向循环荷载初始应力、循环幅值以及循环频率等对2种格栅加筋盐渍土剪切性能的影响。结果表明,格栅能较好地改善盐渍土的剪切性能,本文工况下,格栅加筋粗颗粒硫酸盐盐渍土的剪切性能总体高于格栅加筋粗颗粒氯盐盐渍土的。格栅加筋粗颗粒氯盐盐渍土的剪切性能随着频率的增大而减小,但其剪切性能与幅值的相关性并不明显。较低的初始法向应力会降低格栅加筋粗颗粒硫酸盐盐渍土的剪切性能,且在低初始法向应力下,其剪切性能随着幅值的增加几乎不变。频率越低,格栅加筋粗颗粒硫酸盐盐渍土的剪切性能越弱,其出现峰值强度的剪切位移越小。     

纵波在改进的弹性非线性法向变形行为单节理处的传播特性研究

将传统的BB模型与经典指数模型统一起来,提出的准静态条件下改进的节理弹性非线性法向变形本构关系可定量化描述节理变形的这类差异。在不考虑加载速率对节理变形行为影响的情况下,将该本构关系推广至动态条件,建立了法向入射纵波在弹性半无限空间中干性单节理处传播的位移不连续模型,基于Lemaitre假设获得了节理透、反射系数TIMP和RIMP的近似解析解;同时结合一维波动方程特征线法推导了节理透、反射波质点速度时域数值差分格式并自编了计算程序,进而得到TIMP、RIMP、透、反射波能量etra和eref、延迟时间Tdel的半数值解,依此研究弹性纵波在单节理处的传播过程及特征。在针对节理法向初始切线刚度Kn,i、节理闭合量与最大允许闭合量比值γ=dn/dmax、入射波频率f等因素对TIMP、RIMP的影响进行探讨的同时,着重分析模型非线性程度ξ及入射波最大振幅vinc的变化对透射波振幅及能量衰减、波形及频谱畸变、时间延迟所产生的影响,并解释了一种"超越"现象。     

三维条件下应用遗传算法与Monte-Carlo法确定节理岩体的综合抗剪强度

使用遗传算法并充分利用二维研究成果，提出了在结构面三维模拟网络中搜寻结构面与岩桥的最小抗剪力组合的断层扫描方法，从而可以应用Monte-Carlo法的原理，在计算机上多次模拟岩体的剪切试验，最终确定节理岩体的综合抗剪强度。该方法反映了结构面在三维岩体空间的几何分布特征，抓住了控制岩体力学性质的主要因素，并通过使用二维的结构面扩展模型反映了结构面与岩桥的破坏机理及结构面与岩桥的相互作用机理。实例分析的计算结果与反演结果相符，说明了该方法的合理性。