卸荷条件下岩体裂隙扩展贯通及能量演化机制

采用颗粒流软件PFC模拟了单轴压缩、双轴压缩和卸围压条件下裂隙倾角和岩桥倾角分别对含单裂隙和双裂隙岩体的裂纹扩展贯通的影响,对比分析了不同应力路径下裂隙岩体破裂演化过程,总结了裂纹扩展贯通模式,揭示了裂纹扩展贯通的细观力学机制和裂隙岩体损伤破裂的能量机制。研究表明:卸围压条件下岩样张性破坏略弱于单轴压缩条件但远强于双轴压缩条件,而剪性破坏远强于单轴压缩条件但略弱于双轴压缩条件;裂隙尖端应力集中导致岩体开裂,随后张性翼裂纹受拉应力场驱使沿拉应力释放区与压应力区边界延伸扩展,剪切裂纹受压应力场驱使,其扩展路径处压应力释放;裂隙岩体发生卸荷破坏时,内部损伤和贯通裂隙的产生会导致耗散能的急剧增加。     

预应力锚索加固技术的力学行为与群锚效应分析

预应力锚吲技术是现代岩土工程加固技术的重要手段。通过对锚索、灌注锚固体和锚孔周围岩土体进行三维弹塑性有限元分析，研究了锚索、锚固体、岩体的轴向应力分布规律，以及锚固体与岩体中的剪应力、锚固体的位移和塑性区的变化趋势：并对群锚效应下锚固体的位移、正应力、剪应力的影响范围进行了分析，探讨了考虑群锚效应下锚索间距的布置原则，为在锚固工程中合理施锚和优化布锚提供了依据。     

拉伸条件下锚杆对含表面裂隙类岩石试样加固效应试验研究

选用改性橡胶粉–水泥砂浆来模拟真实岩石,用玻璃纤维增强塑料作为锚杆材料,研究锚杆对三维表面裂隙岩体的加固止裂效果。结果表明,锚杆提高了裂隙岩体的变形模量和单轴抗拉强度,变形模量随锚固角的增大而增大,而单轴拉伸随锚固角的增大先增大后减小,当锚固角β=45°时,锚杆对单轴抗拉强度的提高幅度最大;锚杆通过其抗滑移和抗剪切性能使裂隙岩体避免发生脆性破坏,并且在预置裂隙起裂之后存在不同程度的残余强度;单轴拉伸条件下加锚或无锚裂隙试件的破坏均以预置裂纹尖端为突破口产生翼裂纹,其扩展方向大致与轴向拉应力方向垂直。当锚固角小于某个临界值时,会有次生裂纹产生;拉伸条件下,含裂隙试件的破坏机制是张拉型裂纹的贯通作用。     

辉绿岩裂隙注浆体力学特性试验研究

为了分析裂隙几何形态对注浆后岩体力学特性的削弱影响规律,通过切割辉绿岩预制不同的裂隙倾角、裂隙贯通程度和裂隙条数,设计裂隙岩样简易注浆模具并进行室内注浆试验,开展辉绿岩原岩及其裂隙注浆体的单轴、常规三轴压缩试验,较全面地分析不同裂隙几何形态下辉绿岩裂隙注浆体的应力–应变关系及力学特性。主要结论有:(1)裂隙中充填水泥浆体以及围压作用明显改变了岩样的应力–应变关系,由原岩典型弹脆性转变为弹性–一定范围内塑性–脆性或理想弹塑性,除发生沿裂隙面滑移破坏情况外,均显著提高了峰后区延性;(2)裂隙显著地降低了岩样的力学性质,呈现出明显的各向异性,在低围压、全贯通、裂隙倾角60°时力学性质最差,处于最不利状态,为岩体隧道工程中选线定向、强度参数选取提供理论参考依据;(3)全贯通条件下岩样破坏以岩块沿裂隙面发生较大剪切滑移变形为主、岩块沿纵–斜向的张拉–剪切裂纹为辅,半贯通条件下岩样破坏首先源于裂纹尖端起裂,然后裂纹追踪最大主应力的方向而导致贯通或裂纹追踪剪切面达到其抗剪强度而剪切破坏。为相应的裂隙岩体(岩石)力学工程设计与施工提供指导,具有一定的理论价值与工程实际意义。     

危岩锚固机理的断裂力学分析

危岩主控结构面受荷断裂扩展是危岩失稳的根本原因。用锚杆加固危岩体在危岩治理中有着广泛应用,效果十分明显。从线弹性断裂力学角度考虑锚固力对危岩主控结构面的阻裂增韧作用,分析在拉剪综合应力作用下锚固力对减小主控裂隙面尖端相当应力强度因子的贡献,并讨论了锚杆水平角变化对相当应力强度因子的影响。以重庆万州太白岩危岩为例计算结果表明,锚固力的存在使得相当应力强度因子明显减小,并随着锚杆倾角的增大,其成抛物线变化,并在20°~30°时具有最优锚固效果。     

裂隙倾角和长度对低强度岩体力学特性及破坏模式影响的试验研究

根据不同倾角和长度单裂隙条件下的低强度岩体试件的常规单轴压缩试验结果,详细分析不同倾角和长度单裂隙低强度岩体试件的应力-应变曲线、强度、变形参数及破坏模式。结果表明:1)裂隙倾角和长度将使低强度岩体试件的应力-应变曲线在峰后破坏阶段变为多台阶式下跌,显示出明显的塑性破坏特征; 2)低强度岩体试件的峰值强度随裂隙倾角的减小和长度的增加均呈降低趋势,但受结构效应的影响,随裂隙长度的增加,其减小趋势将逐渐趋于平缓; 3)裂隙倾角和长度均可以影响裂隙变形在试件总变形中的所占比例,进而影响低强度裂隙试件整体弹性模量和轴向峰值应变的大小; 4)裂隙倾角能彻底改变低强度岩体试件的破坏模式,而裂隙长度只能改变试件局部的破坏模式,其对试件整体破坏模式的影响程度远小于裂隙倾角。     

三峡工程永久船闸中隔墩原生裂隙施工张开变形的数值模拟研究

针对三峡船闸中隔墩岩体开裂现象，以工程地质为基础，建立了典型的裂隙概化模式。采用裂隙界面单元法进行裂隙张开变形机理分析，研究中隔墩岩体裂隙的张开变形特征及其与开挖卸荷分区的关系。研究表明，裂隙的张开变形、张开长度与裂隙产状有直接关系。倾角较陡、长度较大、与边墙距离较短、不易滑动的裂隙易张开，且张开为形量与前两个因素成正比，与边墙距离成反比；反之则不易张开。中隔墩岩体可能的最大裂隙张开区与弹塑性分析得到的塑性芡、灾测得到的卸荷损伤区在分布范围与规律上基本相同；及时合理地施加预应力锚索，即可减少隔墩裂隙张开的可能性，又可明显减小裂的张开为形与长度，因而有着重要的工程意义。     

加载速率影响的含裂隙类岩石材料破断试验与数值模拟

为了探索加载速率对裂隙岩体强度规律及变形特征的影响,分析加载速率与裂隙倾角复合因素影响下裂隙岩体破断响应规律,室内制备含不同倾角裂隙类岩石试件,基于RMT–150B对其进行不同加载速率下的单轴压缩试验,结果表明:在静态加载条件下,裂隙体峰值强度对应应变值与加载速率呈负相关性;相同裂隙倾角下,裂隙体峰值强度呈现出随加载速率的增加而非线性增大的规律;相同加载速率下,裂隙体峰值强度受控于裂隙倾角,在裂隙倾角为15°时出现最小值;裂隙体弹性模量同时受裂隙倾角和加载速率的影响,并随裂隙倾角的增大而近似线性增大,随加载速率的增加而非线性增大,并趋近于一个常数。为弥补室内试验测试技术在反映裂隙体微观形态上的不足,运用PFC2D数值计算平台,基于平直节理接触单元构建裂隙体数值分析模型,设定与室内试验测试环境相同的边界条件,对比完整试件变形破坏特征数据,标定数值模型细观力学参数;数值模拟试验发现:裂隙体峰值强度与裂隙倾角及加载速率之间的关系与室内试验测试结果相吻合;同时获得数值模拟试验过程中的裂隙尖端应力响应规律,发现15°时裂隙尖端应力集中现象最显著。     

预应力锚索锚固段界面滑移的细观力学分析

 在预应力锚索锚固段界面力学特性试验的基础上,研究锚固体界面在荷载作用下的变形规律及失效条件。试验结果表明,锚固力的大小与锚固长度有关,但不是成比例关系;当锚固长度达一定值时,再进一步增加锚固长度,锚固力的增大是非常有限的;在保证砂浆具有一定强度的条件下,含砂量越高的锚固体,其锚固力越大。从细观层面上对预应力锚索锚固段从弹性变形到塑性滑移以至脱黏失效的过程进行研究,结果表明,锚固体界面层是具有一定厚度并具有特殊力学性质的材料,其力学性质不仅与岩土体的性质有关,而且与灌浆体的材料组构密切相关;降低灌浆材料的水灰比,加入减水剂和其他外加剂对提高界面层的强度性能有着重要的意义;可将锚固体界面上的变形分为弹性变形、塑性滑移变形和脱黏变形3个阶段。由于锚固体界面层的剪胀效应,在滑移段中,越靠近荷载的近端,锚固体所受的剪应力越大;在整个锚固体中,主要的受力部分是塑性滑移区,而弹性区和脱黏区的受力都较小。     

锚索预应力在岩体内引起的应变状态模型试验研究

介绍锚索预应力在岩体内引起的应变状态模型试验研究成果,其中包括由锚索预应力引起的岩体轴向应变沿锚索轴线分布状态,岩体表面及断层面上岩体法向应变分布状态,岩体内部不同深度上岩体轴向应变沿水平方向分布状态等。上述成果对正确分析预锚加固作用机理和进行合理锚固工程设计具有重要指导意义。     

锚索抗滑桩加固路堤工程实例分析

 国内甬台温高速公路路堤在施工过程中产生较大的沉降和侧向位移，呈现出滑坡的初期征兆。为提高本路段路堤的抗滑稳定性，在坡脚处布置钻孔灌注桩结合预应力锚索的锚索抗滑桩式挡土结构以控制路堤沉降和侧向变形，并同时实施变形与稳定性监测。通过对该路堤锚桩挡土结构内力与变形的观测监控，取得了较为完整的观测资料，在高路堤填土施工中起到指导与控制作用；结合本工程的实际监测和数据分析，评价锚索抗滑桩加固路堤的机制和效果，提出采用锚索抗滑桩加固措施时应注意的一些问题和建议，以期为类似工程提供参考和借鉴。     

Fatigue Crack Tip Plasticity for Inclined Cracks

The evaluation of the crack tip deformation is essential to the estimation of crack growth under either static or cyclic loading. A 3-D elastic–plastic finite element analysis was developed to simulate the crack tip deformation along mixed mode inclined edge cracks in a steel plate subjected to either monotonic or cyclic loading at selected R-ratios. In this paper, two types of crack configurations were investigated: inclined cracks with equal inclined lengths (EICL) and inclined cracks with equal horizontal projection length (ECHP). The development of the monotonic (Δm) and cyclic (Δc) crack tip plastically zones and the monotonic (CTOD) and cyclic (ΔCTOD) crack tip opening displacements were traced to find the effect of the crack inclination angle, which significantly affected the size and shape of the crack tip plastic zone. The finite element results compared well with the analytical results based on modified Dugdale’s model. It was observed that Mode II has a significant effect on the plastic zone in the case of equal inclined crack length (EICL), i.e., Mode II increases as the crack angle decreases. Also, it is interesting to note that for the EICL case, the magnitude of Δc is delayed to appear with decreasing the inclination angle, for example, for θ?=?90° the cyclic plastic zone appeared at Δσ?=?103.32 MPa, while for θ?=?45° the cyclic plastic zone appeared at Δσ?=?132.84 MPa. Whereas, the variation of monotonic and cyclic plastic zone size in the equal crack horizontal projection (ECHP) case is not affected by the crack inclination angle. Furthermore, it was observed that the static crack tip opening displacement (CTOD) and the cyclic (ΔCTOD) are independent of the crack inclination angle in case of ECHP, due to such cracks take into consideration the effect of inclination angle through its length.     

小湾拱坝坝体裂缝加固措施研究

 针对小湾坝体出现的裂缝,通过建立2种状态的锚索模型模拟锚索张拉和二次灌浆后的应力状态,利用整体网格和局部子模型相结合的方法,研究坝体内部加锚的可行性以及对锚固区域应力状态和裂缝面性能的影响,并分析化灌对裂缝抗剪强度提高的作用。计算结果表明：400 t加锚方案优于100 t加锚方案;400 t加锚方案中,锚索张拉时在内锚段附近最大拉应力约0.2 MPa,与当前应力相叠加形成新的裂纹的可能性较小。加锚及化灌对裂缝面的抗剪性能有一定的提高,随着水位的升高,其作用越明显。在高水位作用下,部分裂缝出现压剪屈服,建议此区域加大吨位或者采取其他措施。     

低周往复荷载作用下预应力锚索震害特征研究

 以地震灾区的震害斜坡为原型搭建锚固工程模型,采用低周往复荷载试验方法,研究预应力锚索在往复荷载作用下的震害特征与变形规律。结果表明：在往复荷载作用下,预应力锚索最先发生破坏且破坏最为严重的是位于模型最上排的锚索,其破坏形式以锚索体自由段根部拉断和外锚头脱落为主,未出现内锚固段黏结力和握裹力失效现象;锚索体应变显著变化的部位集中在锚固段,一处靠近锚固段底部,另一处靠近滑面位置,且尤以靠近滑面处的应变较大;往复荷载比单一的水平推力对锚索的变形影响更大,更容易导致材料的破坏。该成果对地震灾区预应力锚索的健康诊断与震害评估具有一定的参考价值和指导意义。     

失稳岩石边坡加固处理实例

 某一工程主体部分属于国家重点工程，在施工过程中岩石边坡出现险情，直接威胁着下部结构物和施工人员的安全。依据周边环境和地质条件，采用工程类比法和经验法对边坡采用预应力锚索、自钻式锚杆、钢筋网和喷射混凝土联合加固的措施；合理的设计参数、正确的支护结构形式和科学的施工步骤，使该加固措施充分发挥了锚固作用；根据锚杆钻孔施工过程中遇到的裂缝位置及边坡极限平衡理论，采用反算法得出岩体力学参数，进而对加固后边坡的安全系数进行计算。结果显示，安全系数得到大幅度的提高，确保了边坡稳定和后续施工的顺利进行。重点介绍本边坡加固工程的设计和施工情况。     

基坑工程预应力锚索锚固力试验研究

基坑工程预应力锚索锚固力的影响因素很多，主要有锚固段的岩土层物理力学性质、锚索施工工艺及锚索张拉锁定过程中的预应力损失等。通过工程试验，分析锚索锁定时钢绞线不均匀受力，造成这种现象主要有两个原因：（1）千斤顶在自重作用下，千斤顶轴心偏离锚索的轴心；（2）锚杆孔的施工角度与设计角度的误差，引起锚索与锚座不垂直。通过试验分析单次张拉锁定的预应力损失、循环荷载下锁定的预应力损失，循环荷载下，锚索的锚固力增加，预应力损失减少。分析基坑开挖过程中锚索锚固力动态监测结果。讨论锚索抗拔验收试验标准存在的问题，提出锚索弹性变形简化计算方法，对锚索抗拔验收试验标准提出了改进建议，锚索抗拔验收试验应综合考虑锚头总位移、每级荷载下锚头位移量及卸荷后锚头位移的回弹率等3个指标。     

洞室预应力锚索加固效果研究

运用模型试验方法,对处于软弱岩体中的大跨度、高边墙洞室中的预应力锚索的锚固效果进行了研究。试验结果表明,经预应力锚索锚固,洞室围岩的开挖位移显著减少,围岩抵抗变形的能力得到提高,侧墙部位锚索的锚固效果较好。     

预应力锚索锚固机理的数值模拟试验研究

为研究预应力锚索对三峡船闸高边坡岩体的加固效果，采用三维显示有限差分法，建立预应力锚固数值仿真模型，进行一系列计算机模拟试验。结果表明：预应力铹索在张拉过程中在岩体内形成了表层压缩区，由于多根预应力锚索的应用，每根锚营的压应力集中区相互叠合形成一个连续发布的压缩带，其分布形态与锚索布置方式、间距、锚索根数以及预应力的大小有关。对于三峡船闸高边坡，在预应力锚索和系统锚杆的共同作用下形成表层压缩带，构成了所谓的岩石锚固墙，进而缓解岩体力学性关随开挖爆破的优劣过程，限制边坡岩体的变形，改善了坡的稳定性。     

峰前围压卸荷条件下岩石的应力–应变全过程分析和变形局部化研究

地下工程和边坡工程开挖一般处于卸荷条件。岩石在加载和卸荷条件下的力学特性不同,研究岩石在卸荷条件下的强度特性具有重要的理论和现实意义。根据损伤断裂力学知识建立了岩石处于卸荷条件下的全过程应力–应变关系,包括线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶段。理论和试验研究发现,岩石卸荷破坏所需要的应力比连续加载破坏时小,且卸荷破坏时的变形比连续加载时大,其主要原因是卸荷时存在裂纹张开,裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减少,岩石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。通过和试验结果的比较验证了该理论的有效性和正确性,该理论对边坡工程和地下工程开挖具有重要的参考价值。