规则齿型结构面的应力松弛特性试验研究

应力松弛是岩土材料常见的流变特性之一,应力松弛对于岩体特别是地下结构支护的长期稳定性具有重要的影响。将应力松弛单独作为研究对象,通过规则齿型结构面在剪切应力条件下的应力松弛试验,研究结构面的力学特征和主要规律,通过对试验数据的分析了解应力松弛规律,并对试验数据进行拟合,利用Burgers体模型来反映规则齿型结构面的应力松弛特性。     

锯齿状结构面剪切松弛特性及本构方程参数分析

岩体结构面的松弛特性是岩石流变学的一项重要内容。采用水泥砂浆制作成三种不同角度结构面试件进行剪切松弛室内试验,利用岩石双轴流变试验机对规则齿形结构面进行不同剪切应力水平下的松弛试验,分析爬坡角、正应力对剪切松弛特性的影响,并与蠕变方程参数变化规律进行比较。试验结果表明:结构面剪切应力松弛曲线为连续型不完全衰减型曲线;松弛曲线可以明显地分成瞬时松弛、减速松弛、稳定松弛三个阶段;利用Burgers模型的松弛方程对试验曲线进行拟合,结果比较理想。     

规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究

 通过规则齿型结构面在不同法向应力下的剪切试验,对其力学特性进行基础性研究,阐述规则齿型结构面在剪切条件下力学特性的主要特征,以及其强度、变形等力学特性的主要规律。通过对试验数据的分析,对结构面在剪切应力作用下的剪切变形曲线以及不同粗糙度结构面的剪切变形特性进行深入研究,在此基础上提出结构面剪切变形特性的经验本构关系,同时对结构面综合抗剪强度参数在剪切条件下的变化规律进行研究,建立评价结构面剪切强度的经验公式。最后还对结构面在剪切条件下的扩容特性进行分析,并对现象做出解释。     

岩体结构面的剪切试验研究

在深部岩体中,由于洞室的开挖,将造成洞室周围岩体的应力状态发生很大的变化,以往对岩体结构面的力学特性的研究,绝大多数是在加载的应力条件下所进行的,与处在深部岩体中的结构面的特殊应力条件有着很大的差别。目前,结构面在卸载应力条件下的研究还处于初始阶段,尚未形成比较完整的理论体系。文章主要对于在特殊应力条件结构面的力学特性进行了基础性的研究,通过进行常刚度和常应变速率下结构面的剪切试验,获取其相应的力学特性,分析在这样的力学条件下,其强度、变形等力学特性的规律,并与常规加载条件下的结构面的力学特性进行比较,提出卸载条件下结构面的力学特性的主要特征,并建立评价剪切强度的拟合公式。     

连续充填型结构面峰前循环破坏特征及再载强度特性试验研究

通过自行设计的岩体结构面循环荷载试验装置,开展了连续充填型结构面峰前循环荷载试验。研究不同循环次数、循环频率、循环振幅、充填物厚度、充填物强度以及循环法向荷载作用下结构面的破坏特征及循环后结构面再加载剪切强度行为特性。研究结果表明:在峰前循环过程中,充填型结构面的破坏主要经历了充填物滑移裂缝形成→充填物由整体变松散→松散充填物相互磨损→结构面岩体及充填物混合磨损4个阶段;循环后的结构面再载强度随着循环次数、循环频率、循环振幅以及循环法向应力的增加而减小,再载强度变化率也随充填物厚度及充填物强度的增加而减小。结构面再载峰值剪切位移变化与循环频率、振幅、充填物厚度、充填物强度变化成正比,但与循环法向应力变化成反比;再载法向剪胀最大位移随着循环次数的增加而逐渐减小,并且达到最大法向位移时所需要的剪切位移也有进一步增加的趋势。分别以临界频率和临界循环次数为参照,提出了结构面维持及结束峰前循环阶段的临界条件,并提出了结构面在不同影响因子下强度弱化回归模型,该模型能够可靠预测结构面在经过不同峰前循环次数后再载峰值剪切强度的变化。     

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。     

剪切速率和法向加载频率对筋土界面剪切特性的影响

加筋土结构在道路工程中广泛应用,而车辆等动荷载对筋-土界面相互作用特性的影响不可忽略。采用动态直剪仪开展了一系列法向循环荷载作用下的砾石-土工格栅界面直剪试验。试验研究了4种剪切速率(0.1,1,5,10mm/min)、4种法向加载频率(0.1,0.5,1,2 Hz)以及3种法向初始应力(20,40,60 kPa)对筋土界面剪切特性的影响。试验结果表明:法向循环荷载下的剪切应力及法向位移呈周期性动态变化;上峰值应力、上残余应力及剪切应力幅值随频率的增大而减小,随剪切速率的增大而增大,而下剪切应力受影响较小;剪切应力和法向应力的峰值相对时间差分别在频率为0.5 Hz和速率为1 mm/min时最大,而摩擦系数与法向应力的相对时间差约为0.5个周期;上峰值摩擦角随频率的增加而减小,随剪切速率的增加而增大。     

绿片岩软弱结构面的剪切蠕变特性研究

 针对锦屏II级水电站引水隧洞超埋深、高地应力的特点,选取边坡和地下洞室围岩中含有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩为研究对象,对含有软弱结构面的大理岩试样进行分级加载剪切流变试验,并对试验结果进行分析,探讨软弱结构面的蠕变特性。通过对不同法向应力条件下岩体结构面的蠕变力学特性及其规律的研究,以及对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行分析,结果显示结构面的剪切蠕变试验曲线表现出明显的3个阶段。在此基础上选用改进的Burger模型对结构面蠕变试验结果进行拟和分析,并讨论改进的Burger模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

岩石节理面应力–渗流耦合剪切流变试验系统的研制与应用

为了研究岩石节理面在不同应力和渗流耦合条件下的长期力学特性,自主研制岩石节理面应力-渗流耦合流变试验系统,主要由主机、垂向、剪切伺服加载系统、剪切盒、渗流控制系统以及数据动态釆集系统等部分组成,通过配备专门设计的剪切盒装置,能保证节理面在剪切或者剪切流变试验过程中提供最大5 MPa渗透压力,试样的密封方面既考虑了胶套在围压的作用下对试样周围的包裹实现防渗,同时采用主动与被动加载相结合的方式,满足圆形压头与立方体岩样紧密贴合,使得试验过程中节理面在应力渗流耦合剪切流变过程中不发生侧向渗漏。剪切加载可以实现上下任意一块试样固定,而对另一块进行剪切,也可以实现2个方向同时产生剪切位移;满足常法向应力(CNL)、常法向位移(CNV)下结构面剪切或剪切流变试验研究;并实现结构面剪切条件下渗透率的动态测量;该试验机还可开展结构面应力-渗流耦合作用下不同水力梯度和渗透压的剪切流变试验,并开展含节理面花岗岩在不同边界条件下的各类试验,验证了该系统的准确性和可靠性,为节理面应力-渗流耦合剪切流变特性研究提供了支撑,对丰富和完善岩石节理面应力-渗流耦合流变特性理论研究有一定的指导作用。     

聚合物改性水泥砂浆层与混凝土结合面抗剪性能试验研究

聚合物改性水泥砂浆层(文中简称聚合物砂浆层)与原混凝土结合面的有效黏结,是二者协同工作、结合面应力有效传递的前提,是加固层性能充分发挥的关键。通过对33个试件的双面剪切试验,探讨了剪切强度的影响参数分析了聚合物砂浆层与混凝土结合面的黏结剪切性能。试验结果表明:聚合物砂浆层与混凝土结合面的剪切强度主要取决于砂浆强度;黏结面积大于150mm×100mm时,剪切强度基本不受黏结面积变化影响;加载速率变化对界面剪切强度的变化作用显著;加载速率的增加有利于提高结合面剪切强度,但在动力加载时应充分考虑结合面内力的加载速率增大效应。     

节理岩体蠕变特性的数值模拟研究

利用FLAC3D软件建立不同结构面角度的三维规则齿形结构面模型,进行不同应力水平条件下的结构面剪切蠕变试验.试验结果表明,不同剪应力级别下,试样的齿状突起物所发挥的作用并不相同,随着剪应力级别的增大,发挥抵抗作用的齿状突起物逐渐减少,起到抗剪作用的突起物越来越少.对于相同角度的结构面试件,当法向应力水平高时,剪切蠕变变形大,剪切应力加载的级数明显增加;对不同角度的结构面,在相同的试验条件下,角度越大,剪切蠕变变形越小,结构面角度较大的试样剪应力加载的级数也更多.     

结构面在卸载条件下的力学特性研究

在深部岩体工程中,研究节理岩体的卸荷破坏机制,对于揭示节理岩体在卸荷条件下的力学行为及其破坏机理,具有十分重要的理论意义.文章通过规则齿形结构面在卸载条件下的剪切试验,对其力学特性进行了基础性研究,阐述了规则齿形结构面在卸载条件下力学特性的主要特征及其强度、变形等力学特性的主要规律,并与加载条件下的结构面的力学特性进行比较.通过试验分析得出了结构面的综合抗剪强度参数cj和φj,在加卸载条件下的变化规律,结构面强度的变化规律,在此基础上建立了评价结构面剪切强度的经验公式.文章最后还对结构面在加卸载条件下的扩容特性进行了分析,并对现象做出了解释.     

大型斜面剪切仪的研制和试验

位于垃圾填埋场斜坡上的衬垫结构在垂直应力作用下沿斜坡滑移的剪切状态与底坡上衬垫结构的不同,为了模拟斜坡上衬垫结构间剪切特性,研制了斜面剪切仪。通过对标准砂和黏土的大型斜面和普通直剪剪切试验,发现两种试验得到的标准砂和黏土剪切应力位移特性基本相同,强度指标也相同。在此基础上,进行了光面HDPE土工膜与黏土复合衬垫界面斜面剪切试验,得到的剪应力与正应力比-位移曲线均有峰值和峰值后的软化现象。斜面剪切试验的特点是能够得到剪切面上法向应力和剪切应力同时增加的变化规律,可以揭示更详细的剪切特征,这有利于分析剪切过程中剪切面上法向应力和剪切应力的特性,如剪切面上法向应力和剪切应力变化规律以及剪切面上法向应力和剪切应力比的变化规律。     

结构面的剪切蠕变特性及本构模型研究

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,结构面的蠕变力学性态往往控制着岩体的时效变形和长期强度,研究结构面的剪切蠕变特性是岩石流变学的一项重要内容。通过规则齿形结构面在不同法向应力条件下的剪切蠕变试验,研究了不同角度结构面的剪切蠕变特征,并根据蠕变试验结果,对结构面的剪切蠕变特性进行了描述,对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行了研究。研究表明,结构面在蠕变试验过程中,严格意义下的稳态蠕变是不存在的,常说的稳态蠕变实际上是蠕变速度随时间缓慢减小的近似稳态蠕变过程。最后,提出改进Burgers模型来描述蠕变的剪切蠕变特性,并讨论了改进的Burgers模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

长期往复荷载作用下近海饱和软黏土强度和刚度的弱化特性

长期往复荷载作用下,饱和软黏土强度和刚度的衰减是近海桩基础设计必须考虑的,利用带弯曲元的循环三轴仪对原状饱和软黏土进行了一系列等向固结和非等向固结条件下不排水单调和循环加载三轴试验,并在循环加载过程中通过弯曲元测试土体剪切波速。试验结果表明,在相同的固结条件下,随循环次数的增加和动应力比的提高土体的强度和刚度衰减显著;在相同动应力比作用下较小的有效固结应力和偏压固结减缓了土体刚度的弱化。已有的相对偏应力水平参数不能反映不同固结条件下近海饱和软黏土强度和刚度循环弱化特性,为此引入了动偏应力水平参数,考虑了有效固结应力、固结静偏应力、动偏应力的相互影响,利用动偏应力水平对饱和软黏土的强度和刚度循环弱化特性进行描述。     

锯齿形结构面剪切流变特性分析

利用岩石双轴流变试验机,对水泥砂浆浇筑的不同角度的规则齿形结构面试件进行了剪切蠕变试验和松弛试验。试验结果表明:蠕变曲线与松弛曲线形态相似,都有衰减和稳定两个阶段,全过程曲线都呈阶梯状变化,松弛曲线为非完全应力衰减曲线;采用Burgers蠕变模型和松弛模型对蠕变曲线和松弛曲线进行拟合,吻合程度较好。除了参数G1外,蠕变模型的参数值比松弛模型的参数值大;在分析松弛速率与应力水平关系的基础上,提出了用分级加载松弛试验确定长期强度的方法,即:松弛速率拐点对应的剪应力为岩石的长期强度,此方法与稳态蠕变速率确定长期强度的机理一致,而且两种方法确定的长期强度值相同。     

岩石节理经历不同变形历史的剪切试验研究

基于不规则的人工岩石节理经历不同剪切变形历史的剪切试验，分析了岩石节理剪切变．形特性及与变形历史的依存关系。结果表明，岩石节理峰值和残余剪切应力随垂直应力的增加呈线性增长趋势，而剪胀特性已变得不明显。两类节理面在经历不同垂直应力下的剪切变形历史后，剪切应力均不再出现尖峰；而不同剪切变形历史主要影响节理的剪切强度，对剪胀特性影响较小。     

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。     

中等蚀变结构面剪切变形破坏特性及统计损伤模型EI北大核心CSCD

岩体蚀变往往导致其物理力学性能的显著劣化,蚀变沿结构面的伴生分布是蚀变岩地层常见的地质现象,对地下工程围岩稳定性将产生重要影响。针对河北丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩普遍存在的蚀变结构面,选取蚀变程度、充填厚度及岩壁粗糙度基本一致的天然蚀变结构面,通过开展结构面剪切特性试验、声发射(AE)监测等研究工作,分析天然中等蚀变结构面剪切变形和强度特征、破坏模式、AE能量演化规律等,构建基于天然结构面声发射能量规律的剪切统计损伤模型,并分析模型参数对结构面剪切变形和强度的影响规律。结果表明:(1)剪切应力对法向和切向变形均有影响,在剪切后期试样即将破坏前会有剪胀效应;结构面破坏模式主要表现为沿着蚀变充填物破坏,伴随块状颗粒裂解、破碎,最终沿结构面剪切滑移破坏;(2)剪切全过程均伴随AE能量释放,AE信号在应力变化时突增并在应力平衡后趋于平静,在试样剪切破坏前突然活跃,可将整个试验过程分为压密阶段、裂解阶段、破碎阶段及滑移阶段;(3)基于天然结构面剪切过程AE能量定义了损伤变量,假设结构面微元强度服从Weibull分布,推导天然结构面的剪切统计损伤模型,由试验结果验证了所建立模型的合理性和适应性。     

不同粗糙度结构面时效强度特征

为研究不同粗糙度结构面在长期荷载下的强度变化规律,选取Barton标准剖面为人工模拟结构面的表面形态,并用水泥砂浆浇筑,试样成型后,对其进行直接剪切试验以及剪切蠕变试验,基于试验结果,建立瞬时剪切强度公式,并对不同粗糙度结构面的剪切蠕变特征进行分析,提出确定长期强度的方法,并以此求解长期强度,进而分析粗糙度对结构面剪切时效特征的影响,研究成果表明:随着粗糙度的增大,蠕变整体位移减小,蠕变破坏曲线越来越陡,其蠕变速率以及剪切刚度在大于某个应力值时,相对于前一级均会发生显著变化;瞬时强度与长期强度均与粗糙度呈线性关系,随着粗糙度的增大,长期强度与瞬时强度的比值减小,这是连续完整岩石与不连续贯通的结构面具有不同的时效特征以及不同法向应力和粗糙度下剪切面积比的变化共同造成的,另外等速率曲线拐点法得到的长期强度符合蠕变特征变化得到的长期强度范围,其合理性和可靠性得到了验证。