不同剪切速率下岩石节理的强度特性研究

不同剪切速率作用下岩石节理强度特性是研究地震荷载作用下岩体结构响应和安全的基本参数，通过RMT-150C电伺服试验机，利用人工浇铸的表面为锯齿状的混凝土岩石节理试样，研究不同剪切速率下各种岩石节理起伏角度岩石节理的强度特征。试验结果发现：（1）岩石节理面的峰值剪切强度随着剪切速率的增大而减小，减小幅度随着剪切速率的增大变小；（2）岩石节理面的峰值剪切强度随着起伏角度的增大而增大：（3）岩石节理面的峰值剪切强度随着法向应力的增大而增大，基本成线性关系。最后，基于试验的结果提出考虑不同剪切速率的岩石节理峰值强度模型。     

基于JRC的结构面双面剪切强度经验公式

为揭示岩体结构面单、双面剪切强度差异,更好评估层状岩体的稳定性,选择4条Barton标准剖面线建立结构面模型,制作含单、双结构面的类岩试样进行剪切试验。基于试验结果,分析3种法向应力(σ_n)下单、双结构面的峰值剪切强度(τ_p)的差异及其原因。基于颗粒流模拟结果,推导出同JRC双结构面的峰值剪切强度经验公式,引入组合节理粗糙系数(JRC_c)表征异JRC双结构面的粗糙度,构造JRC_c与低、高粗糙度系数(JRC_xx,JRC_yy)的相关关系,建立了综合考虑JRC_xx,JRC_yy对异JRC双结构面峰值剪切强度影响的经验公式,然后分析同JRC双结构面与异JRC双结构面的τ_p随混合节理粗糙系数变化的规律,最终建立了估算任意JRC组合双结构面峰值剪切强度的经验公式。研究表明:在τ_p-JRC曲线的增长趋势随σ_n增大而增大的阶段,σ_n一定时,双结...     

双粗糙结构面剪切试验与数值模拟研究

为了研究压剪状态下结构面间的相互作用与破坏机制,分别采用物理试验及数值模拟方法,对双粗糙结构面的剪切特性进行研究。采用3D打印技术生成可以定量化的PLA材料结构面模具,通过混凝土浇筑PLA模具制得人造结构面。研究发现,通过该方法制作的人造结构面的粗糙度远低于原始结构面,故其粗糙度需在剪切试验前重新测定。双结构面剪切试验结果表明,由于中间夹层岩石的破坏,整体的剪切强度要低于其中任何一条结构面单独剪切的抗剪强度,甚至低于单光滑结构面的剪切强度。同时,采用宏观概化模型策略用PFC~(2D)建立双结构面剪切的颗粒流数值模型,数值模拟结果表明,结构面的粗糙形态引起的应力集中造成了中间夹层岩石破坏,并最终导致了整体剪切强度降低,其中结构面间距对整体强度的影响并不明显。     

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。     

重复剪切作用下节理强度和形貌特征劣化规律

为了分析重复剪切作用下节理面剪切力学特性及微观形貌特征劣化规律,制备了单节理砂岩试样,考虑4种法向应力分别进行了6次重复剪切试验。研究结果发现:(1)在重复剪切作用下,节理面剪应力–剪切变形曲线变化特征明显,经过2~3次剪切,不再出现明显峰值,剪切硬化现象明显,残余抗剪强度逐渐趋于稳定;(2)随着重复剪切次数增加,节理面的抗剪强度劣化趋势明显,呈先陡后缓的劣化趋势,前2次剪切的劣化幅度占总劣化值的65%以上,而且法向应力越大,抗剪强度劣化幅度和劣化速度越大;(3)在重复剪切作用下,节理面上相互咬合的微凸起和凹陷部分发生切齿、磨损和填充,节理面的凹凸起伏程度逐渐减小,使得其形貌特征参数及粗糙度系数逐渐降低,进而导致其剪切力学特性逐渐劣化;(4)建立了重复剪切作用下节理面粗糙度系数劣化方程,结合N.Barton提出的结构面抗剪强度经验公式,建立了考虑重复剪切作用的节理面抗剪强度计算公式,结果表明计算值与试验值吻合的较好。     

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。     

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。     

循环加卸载作用下不同粗糙度结构面的变形破坏门槛值试验研究

岩石的应力“门槛值”是预测是否发生变形破坏的重要参数。为研究应力“门槛值”的变化规律及其对岩石变形特征的影响，利用CSS-1950岩石双轴流变试验机对不同粗糙度的Barton曲线结构面的水泥砂浆试块展开分级循环加-卸载试验。通过分析各法向应力下不同结构面试样的变形特征，总结“门槛值”的求解方法。基于“门槛值”的计算结果，分析了“门槛值”与岩石节理粗糙度系数(JRC)和法向应力的关系，探讨了JRC和法向应力对结构面变形特征的影响。研究表明：随着剪切荷载等级的提高，结构面循环加载后的位移先呈现线性增长，而后进入非线性发展阶段，两者转折点所对应的水平应力值即为结构面的“门槛值”;随着JRC或法向应力的增大，结构面的“门槛值”增大，“门槛值比率”却发生了下降。     

岩石结构面两级形貌剪切特性研究

岩石结构面表面形貌由宏观起伏体(一级)和表面微凸体(二级)两级形貌共同组成，剪切过程中各级形貌的剪切特性不尽相同。结合三维激光扫描技术、3D打印技术和模拟材料批量制作了模型结构面，开展了不同法向应力条件下的直剪试验。试验结果表明：相同法向应力条件下，二级形貌剪切磨损接近总体形貌，且大于一级形貌；不同法向应力条件下，剪切前后两级粗糙参数平均变化率随法向应力增加而逐渐增加，其中一级粗糙参数平均变化率ηI为1.99%～4.03%，二级粗糙参数平均变化率η_Π为5.97%～8.16%；进一步基于“余弦相似性”原理计算余弦夹角以评价剪切前后结构面形貌相似性，发现二级形貌余弦夹角波动最大，一级形貌余弦夹角与总体形貌余弦夹角较接近，验证了二级形貌的剪损特性和一级形貌的剪胀特性。上述研究可为结构面抗剪强度的评价提供参考意义。     

考虑各向异性特征的三维岩体结构面峰值剪切强度研究

 由于岩体结构面形貌的复杂性,目前,所提出的峰值剪切强度模型不能够很好地体现其各向异性特征。鉴于此,综合考虑岩体结构面起伏角和起伏幅度,提出一个考虑各向异性特征的综合参数?表征岩体结构面粗糙度的新方法;?由某一方向的起伏角参数SRv和起伏幅度参数A表示;其中参数SRv表示结构面粗糙度的各向异性特征,用变异函数分析方法进行计算获得。然后,应用该法分析Barton十条标准轮廓线,拟合出JRC与参数SRv,A的关系表达式;结合Barton强度公式,给出考虑各向异性特征的岩体结构面峰值剪切强度模型。最后,基于ShapeMetriX3D三维形貌测量系统,在实验室开展类岩体结构面形貌的量测;并应用上述方法估算结构面4个方向上的峰值剪切强度。于此同时,开展该类岩体结构面各向异性的剪切力学试验,通过试验值与估测值的对比分析,验证了所提模型的正确性。研究结果为准确预测岩体结构面抗剪强度提供一种新方法。     

不同接触状态岩石节理的剪切力学性质试验研究

除粗糙度外,节理上、下面壁的接触状态是影响其剪切力学性质的重要因素。采用水泥砂浆制备若干不同形貌的节理,对其上、下面壁沿剪切方向错开不同的位移量、形成不同的接触状态以模拟不同偶合度的节理,在常法向应力条件下进行试验研究。试验结果表明:峰值剪切强度随错开位移量的增加而呈非线性减少,但错开位移对峰值剪切强度的影响随法向应力的增加而减弱;峰值剪切位移随错开位移量的增加逐步变大;剪切刚度随错开位移量的增加逐步减少直至某一恒定值,且在高法向应力下错开位移量对剪切刚度的影响更为明显。采用几种不同的简单函数分析峰值剪切强度与错开位移量之间的关系,在偶合节理峰值剪切强度准则的基础上提出不同接触状态节理的峰值剪切强度准则。与已有的准则相比,新准则采用的描述节理接触状态的参数易于确定且更为客观。     

节理峰值抗剪强度试验研究

 节理的三维形貌特征是影响节理剪切力学行为的重要因素。为了深入研究三维形貌特征对岩石节理峰值抗剪强度的影响,制备花岗岩和红砂岩人工劈裂岩石节理试样,并在常法向应力条件下进行了两种岩样节理的直剪试验,法向应力变化范围为0.325～8.0 MPa。在直剪试验前对节理表面形貌进行测量,并计算其三维形貌参数最大接触面积比A0、最大有效剪切倾角 和粗糙度参数C。通过对三维形貌参数和直剪试验结果的分析,基于三维形貌参数最大有效剪切倾角 和粗糙度参数C,建立了节理峰值抗剪强度模型。最后,引用Grasselli的30组直剪试验数据对模型进行验证计算,并结合本文的20组试验数据与Grasselli和夏才初的节理强度模型进行对比分析,结果表明新模型有合理的改进,而且能够很好的预测节理的峰值抗剪强度。     

非贯通节理Jennings强度准则的岩桥弱化和节理面起伏角修正

 通过对具有不同粗糙程度(以节理面起伏角表示)的共面非贯通人工节理进行不同法向应力水平下的直剪试验,研究节理面起伏角对非贯通节理剪切强度的影响,分析在剪切过程中岩桥力学参数的弱化机制。现有Jennings准则将岩桥视为完整岩块,计算所得的剪切强度与直剪试验结果存在较大偏差。在试验结果的基础上,考虑剪切过程中岩桥力学参数的弱化和节理面起伏角的影响,对Jennings准则进行修正。将修正Jennings准则计算的非贯通节理剪切强度结果与直剪试验结果对比,结果表明：修正Jennings准则的计算结果与试验结果吻合较好,能较好地预测具有规则起伏角的非贯通节理剪切强度。     

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。     

基于三维形貌参数的偶合节理峰值抗剪强度公式

 节理表面形貌是影响节理峰值抗剪强度的重要因素,采用人工模拟材料节理分别在0.5,1.0,1.5,2.0,3.0 MPa的法向应力下进行直剪试验,研究三维形貌参数与峰值抗剪强度之间的关系。选用节理面有效三维平均倾角 、粗糙度系数 、最大可能接触面积比 作为表征节理面粗糙度的参数。直剪试验前、后采用TJXW–3D型便携式岩石表面形貌测量仪对节理表面进行形貌数据测试;根据直剪试验结果建立节理峰值剪胀角与三维形貌参数 , , 之间的关系;建议采用新的强度准则计算节理的峰值抗剪强度。新公式的计算结果与试验值具有较好的一致性,并将其与Barton公式的计算结果进行比较,可知Barton公式的计算结果低于试验实测值。     

Effect of roughness on the shear behavior of rock joints subjected to impact loading

The shear behavior is regarded as the dominant property of rock joints and is dramatically affected by the joint surface roughness. To date, the effect of surface roughness on the shear behavior of rock joints under static or cyclic loading conditions has been extensively studied, but such effect under impact loading conditions keeps unclear. To address this issue, a series of impact shear tests was performed using a novel-designed dynamic experimental system combined with the digital image correlation (DIC) technique. The dynamic shear strength, deformability and failure mode of the jointed specimens with various joint roughness coefficients (JRC) are comprehensively analyzed. Results show that the shear strength and shear displacement characteristics of the rock joint under the impact loading keep consistent with those under static loading conditions. However, the temporal variations of shear stress, slip displacement and normal displacement under the impact loading conditions show obviously different behaviors. An elastic rebound of the slip displacement occurs during the impact shearing and its value increases with increasing joint roughness. Two identifiable stages (i.e. compression and dilation) are observed in the normal displacement curves for the rougher rock joints, whereas the joints with small roughness only manifest normal compression displacement. Besides, as the roughness increases, the maximum compression tends to decrease, while the maximum dilation gradually increases. Moreover, the microstructural analysis based on scanning electron microscope (SEM) suggests that the roughness significantly affects the characteristics of the shear fractured zone enclosing the joint surface.     

粗糙节理的峰值抗剪强度准则

采用3组具有不同表面形貌的节理试件分别在0.5,1.0,1.5,2.0,3.0 MPa的法向应力下进行直剪试验,研究常法向应力条件下峰值抗剪强度与节理表面三维形貌特征参数之间的定量关系。选用有效三维平均倾角、最大可能接触面积比作为表征节理三维形貌特征的参数;在分析剪胀角与法向应力关系的基础上基于试验结果提出双曲线形式的经验剪胀角模型,进而建立新的节理峰值抗剪强度公式。与Barton公式、Son公式进行了对比,在分析计算偏差的基础上对新公式做出简要评价。     

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.     

节理的剪切强度准则和剪切分量Ⅰ：剪切强度准则

节理的峰值剪切强度受表面三维形貌和材料力学属性的影响,已有的文献着重阐述形貌参数的重要性。总结分析了材料的抗拉强度对节理剪切力学性质的影响。采用最大可能接触面积比、最大视倾角、视倾角分布参数描述节理沿剪切方向的三维形貌特征,用双曲线函数描述不同法向应力下的剪胀角,提出新的剪切强度准则,计算值与试验值保持了较好的一致性。采用其中28组岩石节理的直剪试验数据对新准则与JRC-JCS准则进行了比较,结果表明JRC-JCS准则的计算值与试验值相比差异更大。新准则采用的形貌参通过由形貌测试确定,避免了主观因素对形貌参数取值的影响,可用用于估算岩石节理的峰值剪切强度。