三峡工程岩石拉剪断裂特性的试验研究

本文根据三峡工程永久船闸区地质勘探中的花岗岩岩芯 ,通过非对称切口试件来模拟岩体的拉剪作用的实际情况 ,对岩石拉剪力学特性进行了试验研究 ,探讨了岩石的单轴受拉强度、拉剪联合强度、应力应变关系、破坏形式及破坏准则等 ,为三峡工程建设提供了有价值的数据和资料。     

三峡工程岩石拉剪断裂特性的试验研究

本文根据三峡工程永久船闸区地质勘探中的花岗岩岩芯，通过非对称切口试件来模拟岩体的拉剪作用的实际情况，对岩石拉剪力学特性进行了试验研究，探讨了岩石的单轴受拉强度，拉剪联合强度，应力应变关系，破坏形式及破坏准则等，为三峡工程建设提供了有价值的数据和资料。     

渗透压作用下压剪岩石裂纹流变断裂贯通机制及破坏准则探讨

探讨了渗透压作用下黏弹性压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,得出:一定轴向压应力下,渗透压、远场侧向应力和裂纹面摩擦系数是影响分支裂纹尖端应力强度因子KI演变的主要因素,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,随着裂纹渗透压的增大,分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展;建立了渗透压作用下压剪岩石裂纹体的轴向贯穿、岩桥剪切贯通两种不同类型的断裂破坏力学模型,引入虚拟应力强度因子KI(LC),提出以分支裂纹临界长度时裂尖虚拟应力强度因子KI(LC)作为黏弹性压剪岩石裂纹的流变断裂破坏准则,通过算例证实了该准则的可行性,得出:在既定裂纹分布、一定轴向应力和裂纹面摩擦系数的条件下,低渗透压、侧向拉应力共同作用下的压剪岩石裂纹趋向于轴向贯穿破坏,而高渗透压作用下会导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,渗透压、侧向压应力共同作用下压剪岩石裂纹可能会发生具时间效应的流变断裂贯通破坏。为研究水岩相互作用下裂隙岩体的失稳破坏提供了一种新的思路。     

节理岩石剪切流变特性试验与模型研究

利用岩石剪切流变仪,对龙滩水电站大型地下洞室群围岩中的无充填节理岩石进行了剪切流变试验,得到了节理岩石长期抗剪强度参数,与快速剪切试验获得的短期抗剪强度参数进行比较,发现长期抗剪强度参数有所降低,且粘聚力对时间敏感性高于内摩擦角。基于得到的剪切流变试验曲线,采用五元件粘弹性剪切流变模型对表现为粘弹性流变特性的试验曲线进行了辨识,获得了节理岩石的粘弹性剪切流变参数。然后将提出的非线性粘塑性体与五元件粘弹性剪切流变模型串联起来,建立了岩石七元件非线性粘弹塑性剪切流变模型。采用节理岩石加速剪切流变全程曲线,对七元件非线性粘弹塑性剪切流变模型进行了辨识,得到了非线性剪切流变模型材料参数,剪切流变模型与试验结果的比较,显示出了所建剪切流变模型的正确性与合理性。     

三峡船闸边坡岩体拉剪试验及强度准则研究

三峡永久船闸边坡开挖后,卸荷和应力重分布使得岩体出现较大范围的拉应力区,且该区岩体多呈拉剪应力状态。为研究受拉区岩体拉剪强度准则,进行了室内岩石拉剪试验,但采用现场试验进行岩体拉剪强度准则研究则较为少见。通过在船闸区开展拉剪面尺寸为50 cm×50 cm的现场岩体拉剪试验,获得了不同拉应力时的岩体拉剪强度,岩体拉剪强度与拉应力关系呈明显的曲线特征。岩体拉剪强度准则研究结果表明:三峡花岗岩岩体拉剪强度准则宜采用莫尔强度准则的二次抛物线型来描述,其次为双曲线型,而双直线型偏差较大。进行边坡变形稳定分析时,对于拉剪应力区岩体则不宜采用直线型强度准则,更不能简单地采用压剪试验取得的直线型关系向拉应力区延伸方法确定岩体拉剪强度。     

基于修正压力场理论的钢纤维自密实混凝土梁受剪性能研究

为研究不同钢纤维掺量和配箍率对自密实钢筋混凝土梁受剪性能的影响,制作16个钢纤维自密实混凝土梁试件,对其进行了四点弯曲试验。根据试验得到荷载-位移曲线和破坏形态,对试件受剪承载力及纤维混凝土构件在剪切变形过程中能量吸收能力、峰值后继续承受荷载的能力、等效受剪强度进行了分析。结果表明：钢纤维的加入可以明显提高混凝土梁的受剪承载力与等效受剪强度。基于修正压力场理论提出了钢纤维混凝土梁的受剪承载力计算式,采用该式对试件的受剪承载力进行预测,并与Rilem TC 162-TDF以及 CECS 38:2004建议的纤维混凝土受剪承载力公式进行了对比。计算结果表明,该式计算的受剪承载力与试验结果比值的变异性较小,能较准确地预测纤维混凝土梁的受剪承载力,可用于纤维混凝土梁的受剪分析与设计。     

基于弹性应变能D-P强度准则修正

针对D-P强度准则存在的拉剪区偏大及不具备应力角效应等不足之处,为使其更符合岩石的屈服(破坏)机制,从弹性应变能角度对D-P强度准则进行修正,开展如下工作：为便于研究将弹性应变能分为偏量弹性应变能与张量弹性应变能之和,并分析各能量对材料破坏影响;研究D-P强度准则的物理意义及其不足之处产生的内在原因,并基于此建立广义D-P强度准则,总体上可较好地反映岩石的破坏特性,并能较好地解决拉剪区偏大及应力角效应等问题。对4种不同岩石的破坏强度进行计算,结果表明：广义D-P强度准则计算结果较为精确,该准则突破材料破坏时泊松比恒为0.5传统假设,对于准确定量地描述岩石破坏特性具有重要意义。     

基于简化修正压力场理论的钢筋混凝土柱荷载-变形分析

基于简化修正压力场理论对钢筋混凝土柱抗剪机理进行了分析,并考虑核心混凝土膨胀对箍筋抗剪承载力贡献的影响,计算了骨料咬合作用及受压区的抗剪承载力贡献,获得受拉区和受压区的抗剪强度,从而建立箍筋屈服后柱构件抗剪强度计算方法;结合传统截面纤维分析法,同时引入弯曲变形、剪切变形及滑移变形3种变形分量,在箍筋屈服前对柱构件进行抗弯分析,最终得出压弯剪作用下钢筋混凝土柱荷载-变形曲线,并与所收集的15个钢筋混凝土柱低周反复试验结果进行了对比。研究结果表明:采用该方法计算的荷载-变形曲线与试验骨架曲线吻合较好,对发生弯曲破坏、弯剪破坏及剪切破坏3种不同破坏类型的钢筋混凝土柱均有较好的分析效果,可用于压弯剪作用下钢筋混凝土柱的荷载-变形分析。     

对“关于‘节理岩体拉剪断裂与强度研究’一文的一点看法”的回复

首先欢迎王启智教授对作者在《岩石力学与工程学报》1998年第3期上发表的“节理岩体拉剪断裂与强度研究”一文提出的几点看法(以下简称王文),为此作出如下回复。(1)作者在“节理岩体拉剪断裂与强度研究”一文中已指出,由于岩石材料的不均匀性与性质各异,导致了岩体拉剪断裂的复杂性,要比较准确地确定岩石的断裂性质是很困难的,因此只有从宏观上去把握问题的实质,以求得总体效果,这样,我们采用等效的原则来确定裂缝前沿的应力分布。所谓等效,就是裂缝前沿的应力分布的总和力与等效平均应力的总和力相等,来求等效应力,合力是平衡力,是相等的,…     

核岛厂房低剪跨比混凝土剪力墙拟静力试验

为研究核岛厂房中低剪跨比钢筋混凝土剪力墙的抗震性能,完成了6片剪跨比为0.5的剪力墙试件在恒定轴力作用下的拟静力试验。考察了不同轴力水平下试件的破坏形态、受剪承载力、变形性能和抗震性能。结果表明:轴压比为0.3和0.5的试件,其破坏模式为斜压破坏或斜压后滑移破坏,而承受轴拉力的2个试件(轴拉比均为0.1)分别发生剪切滑移破坏和拉剪破坏;增大轴压比在一定程度上提高了剪力墙受剪承载力,但其骨架曲线下降更快,位移延性变差;受拉试件的受剪承载力明显低于受压试件;斜压破坏试件的耗能很差,斜压后滑移破坏试件因后期竖向钢筋的销栓作用而耗能相对较好,拉剪破坏及剪切滑移破坏试件的耗能性能较差。     

边坡潜在滑移面关键单元岩体裂隙演化特征细观试验与滑移机理研究

 利用自行研制开发的剪切蠕变细观试验装置与软弱煤岩细观力学特性测控软件,对边坡潜在滑移面关键区红砂岩进行了系统的剪切蠕变试验研究,分析了红砂岩在不同载荷水平的剪切蠕变作用下细观裂纹扩展的时空演化规律及破坏后破裂面形态特征与剪切蠕变强度之间的关系,初步探讨了边坡的滑移机理。结果表明：剪切蠕变作用下,红砂岩宏观蠕变变形与细观裂隙扩展同步进行;红砂岩裂纹扩展方向与剪切应力方向具有一定偏差,且出现多次分岔;裂纹多为绕晶体边缘扩展,扩展路径的不规则性受到岩体晶体分布特征的影响;岩体不同成分之间的应力响应差异、变形不协调和微裂隙之间的相互作用促进了裂隙的萌生和扩展,裂隙多在张拉和剪切共同作用下形成;破裂面粗糙度与剪切蠕变强度呈非线性递增关系,曲率呈先增大后减小趋势。     

规则岩体结构面的蠕变特性研究

 岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。通过规则齿型结构面在剪切应力条件下的双轴蠕变试验,研究不同爬坡角的结构面在不同法向应力时的蠕变特性,并根据蠕变试验结果,得到结构面剪切蠕变、法向蠕变随法向应力、剪应力、爬坡角的变化规律和时效性,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性。在模型试验的基础上采用三维有限元程序对具有锯齿状结构面的水泥砂浆块体在荷载作用下的受力性状进行模拟分析。通过有限元分析,探讨规则齿状结构面的应力分布规律。利用ANSYS计算结果,通过最大正应力理论对结构面的破坏进行判别,从而验证在剪切试验中,齿面以拉断形式破坏。     

软硬互层岩体卸荷蠕变力学特性试验研究

 利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全程曲线。蠕变试验结果表明：围压较高时,试样的轴向与侧向变形随时间的推移变化不大,蠕变现象不明显;随着围压逐渐减小,试样的蠕变变形越来越显著,在最后一级出现了典型的蠕变3个阶段并发生了非线性加速蠕变现象直至试样破坏。软硬互层岩样三轴卸荷蠕变破裂形式主要以剪切破坏为主,局部伴随着一定程度的张拉破坏,主裂纹与水平面大致呈45°角,剪切破裂面较为单一平整,且破坏面基本是沿着强度较低的绿片岩层理内部并平行于层理面产生和扩展贯通而形成的。在加速蠕变阶段之前,其侧向蠕变变形比轴向蠕变变形小,但试样处于加速蠕变阶段时,侧向蠕变变形量与蠕变速率均要高于轴向蠕变;这表明随着时间的增长和围压的降低,岩样的侧向蠕变比轴向蠕变更为灵敏,而且体积扩容效应显著。卸荷条件下,蠕变力学参数表现出较为显著的非定常性规律,当外荷载小于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数与卸荷量有关,随着卸荷量的增大逐渐弱化;当外荷载大于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数不仅与卸荷量有关,而且还与蠕变时间有关。     

Test on Soft Sedimentary Rock Under Different Loading Paths and its Interpretation

Tests on soft sedimentary rock under conventional triaxial and plane-strain compression and/or creep have been conducted. The purpose of the tests is to investigate the influence of intermediate principal stress that may affect the strength and dilatancy of the soft sedimentary rock under different loading paths. Meanwhile, theoretical simulations by an elasto-viscoplastic constitutive model were also conducted. Influence of membrane and filter paper was investigated using finite element analysis based on the elasto-viscoplastic model. Furthermore, particular attention was paid to the migration of excessive pore water pressure within a specimen, by continuous monitoring of the inner excessive pore water pressure of specimens and calculation with soil-water coupled finite element-finite difference (FE-FD) method. The shear strength, inherent dilatancy and creep behavior of soft rock were explained experimentally and numerically in detail.     

Experimental research on creep behaviors of sandstone under uniaxial compressive and tensile stresses

The consideration of time dependence is essential for the study of deformation and fracturing processes of rock materials, especially for those subjected to strong compressive and tensile stresses. In this paper, the self-developed direct tension device and creep testing machine RLW-2000M are used to conduct the creep tests on red sandstone under uniaxial compressive and tensile stresses. The short-term and long-term creep behaviors of rocks under compressive and tensile stresses are investigated, as well as the long-term strength of rocks. It is shown that, under low-stress levels, the creep curve of sandstone consists of decay and steady creep stages; while under high-stress levels, it presents the accelerated creep stage and creep fracture presents characteristics of brittle materials. The relationship between tensile stress and time under uniaxial tension is also put forward. Finally, a nonlinear viscoelastoplastic creep model is used to describe the creep behaviors of rocks under uniaxial compressive and tensile stresses.     

Experimental research on creep behaviors of sandstone under uniaxial compressive and tensile stresses

The consideration of time dependence is essential for the study of deformation and fracturing processes of rock materials, especially for those subjected to strong compressive and tensile stresses. In this paper, the self-developed direct tension device and creep testing machine RLW-2000M are used to conduct the creep tests on red sandstone under uniaxial compressive and tensile stresses. The short-term and long-term creep behaviors of rocks under compressive and tensile stresses are investigated, as well as the long-term strength of rocks. It is shown that, under low-stress levels, the creep curve of sandstone consists of decay and steady creep stages; while under high-stress levels, it presents the accelerated creep stage and creep fracture presents characteristics of brittle materials. The relationship between tensile stress and time under uniaxial tension is also put forward. Finally, a nonlinear viscoelastoplastic creep model is used to describe the creep behaviors of rocks under uniaxial compressive and tensile stresses.     

第一拐点法确定结构面长期强度的研究

在岩石双轴流变试验机上进行了圆柱体标准试件单轴抗压强度试验、结构面常规剪切试验以及结构面剪切蠕变试验,利用蠕变曲线第一拐点法确定了不同粗糙度结构面试件在不同法向应力条件下的长期强度,并将其与结构面的瞬时强度进行了对比。     

蠕变作用后大理岩强度与变形特性试验研究

为研究蠕变行为对岩石力学性质的影响,分别在裂隙压密阶段、弹性阶段、裂隙稳定扩展阶段和非稳定扩展阶段,对大理岩进行不同应力水平和时间的蠕变预处理,卸载后再进行单轴压缩破坏试验,分析不同条件蠕变作用后大理岩强度与变形特性的变化规律,同时提出采用体变速率进行岩石变形阶段划分的新方法。结果表明:(1)裂隙压密和弹性阶段蠕变对大理岩力学性能起强化作用,随蠕变时间增长,强度和弹性模量增大,泊松比减小,且弹性阶段蠕变的强化程度大于压密阶段。裂隙稳定扩展阶段蠕变呈现相反的变化规律,起劣化作用,而岩样在非稳定扩展阶段蠕变预处理时快速破坏;(2)依据扩容速率可将岩石变形过程分为3个阶段,分别为平稳压缩阶段、加速扩容阶段及减速扩容阶段;(3)裂隙压密和弹性阶段蠕变后,大理岩峰值扩容速率随蠕变时间增长略有减小,裂隙稳定扩展阶段蠕变后则随蠕变时间增长显著增大;(4)原始岩样和蠕变作用0 h后岩样的单轴压缩破坏形态以单一剪切面破坏为主。随蠕变时间增长,裂隙压密和弹性阶段蠕变后岩样破坏形态转为沿轴向劈裂破坏,裂隙稳定扩展阶段蠕变后转为剪切、劈裂组合破坏,除几条主裂隙外,还伴随众多次生裂隙。     

典型红层软岩软弱夹层剪切蠕变性质研究

 红层软岩边坡岩体中软弱夹层发育且具有蠕变性,很多边坡岩体的失稳破坏都是沿软弱结构面的滑移失稳,软弱夹层剪切强度参数的选取是边坡工程勘察中的关键问题。通过2个典型红层软岩边坡工点软弱夹层样品室内剪切蠕变试验研究,表明红层软岩软弱夹层具有显著的蠕变特性,在边坡剪切强度参数选取中应考虑软弱夹层蠕变的影响。通过软弱夹层长期强度与短期强度试验资料分析,建议软弱夹层长期剪切强度可取短期剪切强度的75%。     

Nonlinear shear behavior of rock joints using a linearized implementation of the Barton-Bandis model

Experiments on rock joint behaviors have shown that joint surface roughness is mobilized under shearing,inducing dilation and resulting in nonlinear joint shear strength and shear stress vs.shear displacement behaviors.The Barton-Bandis(B-B) joint model provides the most realistic prediction for the nonlinear shear behavior of rock joints.The B-B model accounts for asperity roughness and strength through the joint roughness coefficient(JRC) and joint wall compressive strength(JCS) parameters.Nevertheless,many computer codes for rock engineering analysis still use the constant shear strength parameters from the linear Mohr-Coulomb(M-C) model,which is only appropriate for smooth and non-dilatant joints.This limitation prevents fractured rock models from capturing the nonlinearity of joint shear behavior.To bridge the B-B and the M C models,this paper aims to provide a linearized implementation of the B-B model using a tangential technique to obtain the equivalent M-C parameters that can satisfy the nonlinear shear behavior of rock joints.These equivalent parameters,namely the equivalent peak cohesion,friction angle,and dilation angle,are then converted into their mobilized forms to account for the mobilization and degradation of JRC under shearing.The conversion is done by expressing JRC in the equivalent peak parameters as functions of joint shear displacement using proposed hyperbolic and logarithmic functions at the pre-and post-peak regions of shear displacement,respectively.Likewise,the pre-and post-peak joint shear stiffnesses are derived so that a complete shear stress-shear displacement relationship can be established.Verifications of the linearized implementation of the B-B model show that the shear stress-shear displacement curves,the dilation behavior,and the shear strength envelopes of rock joints are consistent with available experimental and numerical results.