非贯通性节理砂岩剪切力学特性及破坏模式分析

为分析倾角对节理岩石砂岩剪切力学特性与破坏模式的影响,采用有限元对不同节理倾角砂岩进行直接剪切模拟。结果表明,随着节理倾角增大,岩石抗剪强度先减小后增大,节理倾角45°时岩石抗剪强度最弱;裂纹倾角与岩石破坏形态之间有着较为密切的关系,节理倾角小于45°时,主要表现为沿着剪切方向的左右错动,岩石以受剪为主。节理倾角大于45°时,节理两侧出现明显的压密,导致岩石中部应变量增大,顶部和底部应变量减少,变形不协调导致岩石的顶部和底部出现拉应力,最终导致岩石表现为拉剪破坏。     

典型结构面分布型式节理岩体室内直剪试验研究

针对节理岩体变形破坏及抗剪强度参数确定问题,开展了5种包含两条节理的典型节理分布型式的节理岩体试样的室内直剪试验研究。试验结果表明节理岩体的破坏主要表现为节理控制的节理与岩桥间渐进搭接破坏;对比分析了试验得到的25条应力应变全过程曲线,提出了应力应变曲线分类方法,包括滑动型、屈服型、剪断型、脆断型、剪断复合型五种类型,揭示了不同类型曲线间的转化规律;对基于Lajtai岩桥破坏理论的强度准则进行试验验证,验证结果表明基于Lajtai岩桥破坏理论的强度准则计算得到抗剪强度偏低与试验结果相对误差较小(小于9%),可用于节理岩体综合抗剪强度计算。     

冻结岩石节理面峰值剪切强度准则研究

冻土区工程场地岩石节理作为力学薄弱面对工程的安全和耐久性有很大影响,因此研究冻结岩石的力学性质对冻土区工程建设有重大的意义。为了研究冻结岩石节理的剪切力学性质,试验选定青海省G214国道姜路岭路段4组不同粗糙度的凝灰岩天然耦合节理面,在设定温度下冻结后进行直剪试验。试验成果表明:冻结岩石节理面的峰值剪切强度与法向应力呈正比,与张开度和粗糙度呈反比。张开度大于节理面最大起伏差时,节理面以脱离破坏为主,其峰值剪切强度由冰与节理接触面的黏结力决定;当张开度小于节理面最大起伏差时,在较小法向应力下以冰层剪断破坏为主,在较大的法向应力下,冰层的剪断与节理面凸起的剪断同时存在,其峰值剪切强度由冰和节理面的剪切强度共同决定。研究推导出各破坏形式下的冻岩节理面峰值剪切强度准则,对分析岩石的边坡稳定性起着十分重要的作用。     

滑雪赛道结构面倾角对基岩破坏模式影响研究

岩体中结构面的空间产状分布是影响岩体变形及破坏模式的关键因素之一,节理岩体的破坏有不连续性,离散单元法成为研究节理岩体破坏模式的有效方法之一。以高山滑雪中心赛道基岩为对象,采用颗粒流离散单元方法对含有不同倾角节理的岩石试件进行数值试验,研究了不同倾角节理对岩石强度的影响以及岩石试件的破坏模式。结果表明:含节理面岩石试件的抗压强度显著低于基岩,节理面倾角对其抗压强度的影响随着角度的增大会出现一定程度的降低,当其数值不大于45°时,其影响并不明显;但当节理倾角大于45°时,抗压强度会开始发生显著的降低,达到75°时其强度值最低。     

锁固段对红砂岩锯齿节理面剪切特性影响因素研究

为了探究锁固段对锯齿节理面剪切特性的影响规律,采用3D雕刻技术制作了不同数量锁固段(2～4个)的红砂岩锯齿节理面,并进行了不同竖向应力和不同起伏角条件下的节理面直剪试验。试验结果表明:节理面直剪试验的剪切应力-位移曲线可划分为4个阶段,即,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;节理面峰前线弹性阶段和峰前非线性阶段的剪切刚度以及破坏时的峰值剪切强度不仅与锯齿的起伏角和节理面所受的竖向应力有关,还与节理面上锁固段个数有关;锁固段个数对节理面的内摩擦角影响较小,但是深刻地影响其黏聚力剪切作用的发挥;而节理面的残余强度则只与节理面所承受的竖向应力有关,与其初始形貌特征无关,符合摩擦作用规律。基于拉应力和切应力破坏准则,得到了节理面峰值剪切强度与起伏角的关系,而且理论分析还建立了起伏角与锯齿节理面破坏模式之间的内在联系,预测结果与试验结果相符,可为后续节理面剪切特性的研究提供相应的理论基础与参考借鉴。     

填充节理直剪试验颗粒流模拟

针对天然节理岩体的安全问题,为了揭示填充物对节理剪切特性的影响规律,通过颗粒流程序(PFC)建立了填充节理试样,对岩石的宏观力学参数进行了标定,并编制了能够施加恒定法向压力的伺服模块和裂纹扩展监测模块。对比了填充节理与闭合节理的剪切特征差异,设置了8种不同填充度和4种不同法向应力方案。结果显示:因填充物在"岩石-填充物-岩石"接触效应中起到了缓冲作用,填充节理的剪切强度和破坏程度小于闭合节理。当填充度为0.25时,剪切应力峰值在5 MPa和14 MPa时为11.61 MPa和21.10 MPa,相比闭合节理分别降低36.86%和32.38%。这表明填充物对节理的剪切强度的影响不容忽视。随着节理填充度的增加,剪切强度非线性降低,并逐渐接近填充物自身的剪切强度;随着法向应力的增大,剪切强度线性增加。试样破坏图示和裂纹数量化结果表明,填充度的增加能够弱化试样的破坏而法向应力的增大能够加剧试样的破坏。进一步考虑了填充物摩擦性质的差异,发现其对试样的剪切强度和裂纹发育均有所影响。     

非贯通平行节理对岩石力学性质影响的颗粒流分析

为探究节理密度与节理倾角对岩石主要力学性质的影响,依据室内预制节理岩体试验生成颗粒离散元模型。模拟结果表明,岩石峰值强度与弹性模量会随着节理密度的增加呈现先减小后增加的变化趋势。随着节理密度的增加,岩体的破坏模式由以张拉破坏为主转变为以拉剪复合破坏为主,但节理倾角对岩石破坏模式的影响并不明显。     

考虑水软化作用的非贯通共面节理岩体直剪试验的离散元分析

水软化作用会使得岩体内的胶结物溶解、腐蚀,引起节理岩体宏观力学特性的劣化。为探究水软化作用对节理岩体力学特性的影响机理,本文将考虑水软化、化学风化因素的岩石微观胶结接触模型引入到离散元中并模拟了非贯通共面节理岩体的直剪试验,根据得到的剪应力-应变曲线、胶结破坏数-位移曲线以及破坏后的微观信息,从宏微观角度分析了不同饱和度下法向应力及节理连通率对节理岩体力学性质的影响。模拟结果表明：在同一饱和度时,节理岩体的峰值剪应力与法向应力的关系满足摩尔库伦定律,饱和度的增长对岩体剪切强度的影响主要是使节理面及岩桥的黏聚力降低。节理岩体的破坏以岩桥与节理面的贯通为标志,在岩桥区域产生张裂缝及贯通的剪切裂缝,且拉力链主要集中在岩桥区域。     

层状各向异性岩体的室内单轴压缩试验分析

为研究层状岩体变形及强度的各向异性特征,将不同倾角的层状岩体制成标准试件进行单轴压缩试验,得到岩石试件弹性模量、峰值强度和残余强度,以及它们随层面倾角β的变化规律;并对试件峰值破坏形态进行了分析,最后通过理论计算验证试验结果的正确性。研究结果表明:随着层面倾角β的增大,层状岩体的弹性模量、峰值强度和残余强度呈先减小后增大的变化趋势。β为90°时,其模量和强度最大,β为45°~60°时较小,且β为90°时对应的模量和强度比β为0°时要大,表现出明显的各向异性特征。当β为0°~15°时,岩石产生沿轴向应力方向的劈裂破坏;β30°以后,岩石开始产生沿层理结构面的滑移破坏;β为90°时产生沿层理结构面的劈裂破坏。     

节理岩体声发射特性试验研究

天然岩体为特殊结构的不连续体,其声发射特性要比岩块复杂的多。以0°,30°,45°,60°,90°倾角节理试件为研究对象,开展了单轴压缩条件下的声发射试验。研究表明:受节理影响,不同倾角节理试件的应力应变关系有较大差异,这与其不同破坏模式有关;岩石变形破坏过程中的应力应变关系与其声发射特性一一对应,声发射过程中的撞击数和能量代表试件内部微小结构的破坏数量;节理试件的破坏模式不同,导致节理试件的声发射特性具有明显差异。     

含交错节理岩石直剪试验颗粒流模拟

借助颗粒流程序(PFC)建立了模拟含有交错节理岩石试样破坏的几何模型,对试样宏观力学参数进行标定,在编制了伺服模块的基础上,模拟了试样在不同法向应力条件下的直剪强度变化。采用软件内置的fish语言编制了裂纹扩展过程监测模块,从细观角度描述了交错节理试样在直剪过程中的裂纹扩展规律和破坏模式,并通过追踪微裂纹的数量对试样破坏规律进行量化分析。结果表明,试样剪切应力-剪切位移曲线主要分为4个阶段,随着法向应力和剪裂角的增大,剪切强度线性增加。试样裂纹主要产生在节理处,表现为中间夹块和上下节理凸起破坏,剪裂角对试样破坏规模有重要影响。相比单节理试样,交错节理试样抗剪强度明显降低,破坏规律有所不同。同时进一步考虑了节理间摩擦性质差异的影响,分析发现试样节理间摩擦性越强,试样剪切强度和破坏规模越大。模拟试验结果可为复杂节理岩体力学性质的研究提供参考依据。     

基于神经网络的节理岩体单轴强度预测

基于RMT-150C岩石力学试验系统上的节理岩体单轴压缩试验结果,分析了影响节理岩体单轴压缩强度的因素。节理岩体的单轴压缩强度与节理贯通度、节理倾角、节理个数等因素有关,且是一种复杂的非线性关系。同一贯通度节理岩体在节理倾角为0°时峰值强度最大;同一节理倾角岩体的峰值强度随着贯通度的增大而减小。考虑到多种因素对节理岩体单轴压缩强度的影响,建立了BP神经网络模型,对节理岩体的单轴压缩强度进行预测,然后利用遗传算法优化BP神经网络模型。通过岩石单轴压缩试验样本数据的学习,遗传算法优化的神经网络模型能够很好地预测节理岩体的单轴压缩强度。     

不同应变速率下双裂隙红砂岩力学特征试验研究

节理岩体在外力扰动下的失稳破坏往往对工程产生较大影响。为探究应变速率对节理裂隙岩体力学特征的影响,室内采用不同加载速率对含两条预制裂隙的红砂岩试样进行单轴加载试验,在此基础上利用数值分析软件进行模拟和分析,并对试验结果进行验证。试验结果表明：在不同加载速率下,含预制双裂隙红砂岩破坏过程大致相同;随着加载速率的增加,试样的峰值强度增加,试样发生应力强度跌落时的应变也有一定的增长;随着加载速率的增加,在预制裂隙两端萌生的裂隙数量逐渐增多,裂隙的扩展方向更多样,扩展的距离也更远,导致试样逐渐从局部破坏形式向整体破坏形势发展。利用FLAC3D软件数值分析得到,随着加载速率的增加,单轴压缩荷载作用产生的塑性区范围变大。     

基于结构面几何参数的深部隧洞围岩破坏机理研究

岩体的强度主要由结构面控制,为确定结构面对隧洞围岩的影响,在对围岩中单一结构面的应力分布和破坏形式进行理论分析的基础上,研究了结构面倾角以及结构面到隧洞中心的距离对节理围岩破坏机理的影响。并利用3DEC离散元程序分别对不同结构面分布、不同岩石强度和结构面强度下18种组合的围岩变形进行了计算,分析了结构面不同分布情况下围岩的破坏模式;对比分析岩石、结构面强度不同组合下岩石强度和变形特征,研究了结构面力学变形性质在岩体损伤破坏中的贡献。研究结果表明:结构面距开挖轮廓线越近越容易发生破坏;结构面倾角影响结构面首先发生破坏的位置;结构面的分布决定围岩首先发生破坏的位置,结构面的破坏不一定会导致围岩的破坏。研究成果对不同结构面组合分布的围岩变形和破坏分析具有一定的指导意义。     

单轴压缩和劈裂试验下不同岩性岩石声发射特性研究

为研究不同岩石声发射特性,选取均质、节理裂隙不发育的白砂岩、大理岩和花岗岩3类完整岩样和不均质、节理裂隙发育的现场岩样为试验对象,进行单轴压缩和巴西劈裂试验,研究拉-压作用下不同岩石声发射特征的差异性。结果表明,在单轴压缩试验下,完整岩样声发射参数特征与岩石强度密切相关,花岗岩破坏所释放的累积AE能量明显大于白砂岩和大理岩;现场岩样各声发射参数最大值则与岩石强度关联性不大。完整岩样和现场岩样的动态b值基本分布范围在1~4之间,且整体呈先上升中间波动随后回落的变化规律。岩石加载整个过程中的声发射特征与岩石均质程度和节理发育情况密切相关。     

中间主应力对岩体力学特性影响的试验研究

采用LY-C拉压真三轴仪对完整岩体和节理岩体模型进行了试验研究,结果表明,σ1随着中间主应力的增大有所提高.在中间主应力较低时,岩石呈现出延性,但随着中间主应力的增加,岩石特征向脆性转变.岩石破坏不仅取决于应力差(σ1-σ3),而且与中间主应力关系密切.主应力方向对节理岩体的极限强度有较大影响.     

单轴压缩和劈裂试验下不同岩性岩石声发射特性研究

为研究不同岩石声发射特性,选取均质、节理裂隙不发育的白砂岩、大理岩和花岗岩3类完整岩样和不均质、节理裂隙发育的现场岩样为试验对象,进行单轴压缩和巴西劈裂试验,研究拉-压作用下不同岩石声发射特征的差异性。结果表明,在单轴压缩试验下,完整岩样声发射参数特征与岩石强度密切相关,花岗岩破坏所释放的累积AE能量明显大于白砂岩和大理岩;现场岩样各声发射参数最大值则与岩石强度关联性不大。完整岩样和现场岩样的动态b值基本分布范围在1~4之间,且整体呈先上升中间波动随后回落的变化规律。岩石加载整个过程中的声发射特征与岩石均质程度和节理发育情况密切相关。     

岩体原位试验新技术在水工复杂岩体工程中的应用综述

为解决复杂岩石力学问题,研发了复杂应力路径岩体高压真三轴原位试验技术及流变试验技术、岩体原位大尺度模型试验技术以及岩体破裂扩展精细探测技术等岩体原位试验新技术,并将其应用于白鹤滩柱状节理玄武岩修建高拱坝适宜性、锦屏二级引水隧洞高应力条件下深埋岩体力学特性、乌江构皮滩垂直升船机软岩地基长期变形预测等水工复杂岩体工程关键技术问题的研究。主要研究成果为:①针对高地应力岩体和地下洞室开挖复杂应力路径岩体的变形破坏问题,获得了柱状节理玄武岩、深埋大理岩考虑中间主应力影响的非线性强度准则的强度参数;②针对高应力、复杂应力路径条件下复杂结构岩体的流变特性问题,获得了深埋大理岩流变参数;③针对柱状节理玄武岩松弛特性及预应力锚固防松弛措施,实现了柱状节理玄武岩开挖松弛过程以及岩体真三轴试验破坏过程声发射精细探测;④针对构皮滩超高垂直升船机桩-软岩复合地基长期变形问题,获得了桩-软岩复合地基流变参数。该成果提升了岩体原位试验技术水平,发展了岩石力学基础理论,对解决水工复杂条件下的岩石力学新问题提供了技术支撑。     

非贯通节理岩体单轴压缩试验研究

对不同节理倾角、不同节理连通率的预制节理圆柱形岩体试样进行单轴压缩试验。结果表明:试样的强度、变形特性及破坏模式与节理构造形态密切相关;在不同节理连通率下,不同角度的非贯通节理试样的力学特性均表现出各向异性特征,随着节理连通率的增大,各向异性特征越来越明显,岩体峰值强度逐渐下降,岩体在弹性阶段的最大弹性模量也逐渐降低;相应地,试件的破坏模式也变得更加复杂,随着节理连通率的增大,应力-应变曲线的斜率逐渐减小,曲线出现多个峰值,且有较明显的屈服平台;非贯通节理岩体峰值强度和弹性模量随节理连通率的非线性变化规律,可分别采用二次和三次多项式函数表示,其系数与节理倾角有关;非贯通节理试样的裂纹变化特征与节理连通率、节理倾角有着密切的联系。     

不同倾角层状砂岩单轴压缩及数值模拟试验研究

地下层状岩体存在节理、断层等结构面,层状岩体是许多基础设施和地下工程的载体,层状岩体具有明显的各向异性。为探明具有不同结构面倾角岩石的力学性质和破裂模式对水利裂缝扩展的影响,人工制作不同角度结构面的岩石模型,并开展单轴压缩试验和ＦＬＡＣ3Ｄ数值模拟对岩样进行破裂模式和力学参数各向异性分析。结果表明当结构面倾角为0°时,试样发生劈裂破坏,宏观破裂面沿着结构面,结构面主导岩石的破坏模式;倾角为15°、30°和45°时,试样由劈裂张拉破坏逐渐转换为剪切破坏,宏观破坏面主要沿节理面发生,节理主导岩石破坏的作用开始逐渐削弱。倾角60°、75°和90°时,裂缝会穿过结构面,宏观破裂面不沿着节理层面。相同角度的饱水模型的单轴抗压强度明显降低,随着节理面倾角的减小,岩石单轴抗压强度出现先减小再增大的现象,图像趋势为“勺”形。研究结果可为矿区水力裂缝扩展趋势、岩层失稳破坏风险评估提供参考。