JMC对应力波透射系数和节理比刚度影响的实验研究

 节理对岩体的动态力学特性有重要影响。采用改进型霍普金森花岗岩压杆(SHPB)实验设备,研究一维应力波在花岗岩人工节理处的传播规律,进而分析节理的动力学特性。通过切割工艺在花岗岩试样表面形成人工节理,使其具有不同的节理吻合系数(JMC)。采用两点式波分离方法处理实验数据,得到节理处的入射波,以及节理产生的反射波和透射波,进一步计算得到应力波传播通过节理的透射系数。基于SHPB实验的基本原理,得到节理的闭合量和作用在节理上的压力之间的关系,从而分析出节理的比刚度。该实验分析节理吻合系数对波传播的影响,进而研究节理吻合系数对花岗岩节理动态力学特性的影响。     

节理粗糙度及吻合状态对岩体动态压缩特性影响的试验研究

节理粗糙度及吻合状态不仅直接影响节理力学性质,也对岩体的动态压缩性质有重要影响。首先采用水泥砂浆材料浇制不同粗糙度的完全吻合和不吻合节理岩体试样,然后使用分离式霍普金森杆系统对所制试样进行冲击试验研究节理岩体的动态压缩性质,同时利用高速摄像机及数字图像相关方法进行观测和计算去探究节理岩体动态破坏过程。结果表明:(1)给定冲击荷载下,节理面粗糙度对完全吻合型节理试样的动态压缩强度和平均模量影响不大,但对不吻合型节理试样影响较大;(2)不吻合型节理表现出非线性动态压缩闭合特点,其闭合特性不仅受到节理面粗糙度的影响,而且与节理的具体形貌特征相关;(3)应力波在通过完全吻合型节理岩体的能力时受到节理面粗糙程度的影响不大,而不吻合节理岩体试样则表现出随着JRC增大而增大的趋势;(4)节理岩体破坏与节理面的不规则凸起有关,节理壁凸起与应力波的相互作用引起节理面凸起处出现应力集中效应。拉应力引起张拉裂纹,而后裂纹扩展,直至贯通,岩体发生劈裂破坏坏。     

接触面积对波传播规律及节理力学特性影响

自然界中节理的接触往往不是完全接触,而是部分接触。为考虑节理表面的接触面积对应力波传播规律的影响,采用分离式霍普金森压杆试验装置对不同接触面积的试样进行冲击试验。由于接触面积模拟的难操作性,试验中,采用不同数量的小试样定义小试样的横截面积和与入射杆(透射杆)横截面积的比为接触面积率。通过试验研究接触面积对应力波透射率的影响。基于应力波一维传播理论分析作用在试样上的应力,以及试样在应力波的作用下产生的应变与位移。试验结果表明:随着接触面积的增加,应力波的透射系数增加,且两者呈现非线性关系。当接触面积相同时,随着试样长度的增加,应力波的透射系数会出现小幅度减小,即当节理具有相同的接触面积时,节理的厚度将会影响应力波的传播。此外,随着节理的闭合量的增加,透射系数呈现出近似线性形式的减小。这个试验并不能模拟真实的节理,但是主要是从另一个角度来说明节理的接触面积对波传播以及对节理力学特性的影响。     

基于改进力学等效的岩体关键节理倾角特征试验研究

为了在复杂随机节理网络中甄别出对岩体力学特性影响显著的关键节理，实现节理网络的合理简化，以倾角为变量进行含随机节理网络试样破裂力学特性研究。根据Monte Carlo理论构建随机节理网络，分别剔除某一倾角并采用3D打印技术制备7种节理试样，开展单轴压缩试验。采用变异系数法改进力学等效分析方法，综合试样强度、变形和能量特性探究关键节理倾角特征。研究结果表明：(1)试样峰值应力和弹性模量随剔除节理倾角的增加呈增大–减小趋势，而峰值应变呈减小–增大趋势。(2)试样峰前弹性能密度随剔除节理倾角的增加呈增大趋势，耗散能密度呈减小–稳定–增大趋势。(3)基于变异系数法确定7种力学参数所占权重，综合分析力学特性认为各倾角节理均对试样存在显著影响，其中90°和45°倾角影响最为显著，15°倾角影响最小。     

基于数值试验的节理岩体变形特性REV研究

 根据随机节理网络程序,得到多组随机节理岩体数值模型,通过数值试验获得多组随机节理岩体模型的应力–应变曲线。首先在试件尺寸及节理概率分布特征参数不变时,获得在一定围压下试件的应力应变曲线变化规律。然后考虑试件尺寸变化对岩体应力–应变曲线的影响。通过上述2类工况数值模拟结果进行分析发现,试件尺寸小时,变形曲线比较分散,随着尺寸的增大,曲线趋于一致,说明节理岩体变形曲线存在尺寸效应,岩体变形特性的特征尺寸可以由数值试验获得。     

节理粗糙度对应力波传播的影响研究

考虑节理吻合程度,分析节理粗糙度对应力波传播和节理岩石力学特性的影响规律。使用分离式霍普金森压杆对预制节理试样进行冲击压缩试验,定性研究节理吻合程度对应力波传播的影响,采用投影覆盖法分析节理面,探究分形维数对应力波传播的影响规律。由劈裂试验获得粗糙节理面试样,2个标准试样组合得到光滑节理面试样。试验中控制子弹速度保证入射波的相同,得到以下结论:光滑节理试样的透射系数和等效刚度与完整试样相比衰减约2.1%,表明光滑完全吻合节理对应力波传播影响不大;节理吻合程度相同时,节理粗糙度越大(分形维数2.088～2.214),应力波穿越节理试样的透射系数和等效刚度越小,其中等效刚度近似呈线性减小,透射系数呈二次曲线减小;节理粗糙度相同(分形维数)时,节理吻合程度越小,节理应力波透射系数和试样等效刚度越小,表明节理吻合程度是应力波传播的重要影响因素。     

应力波通过非线性平行节理的能量分析

 应力波在节理岩体中传播规律的研究是开展地下工程安全性分析的基础。着重研究纵波(P波)以任一角度入射一组非线性平行节理的能量传递规律,其中节理的法向模型采用双曲线型的BB模型,而节理的切向模型为线性模型。首先,基于应力波在时域内的递归分析方法,建立P波通过某一岩体的应力波传播方程,其中该岩体中存在一组非线性平行节理;其次,通过计算应力波通过该岩体前后的透反射能量,分析应力波能量大小的改变;最后,引入透射能量系数与反射能量系数,对影响能量传递的因素开展参数分析,即研究节理的初始刚度、间距、数量以及应力波幅值、频率和入射角度等因素对P波能量传递规律的影响。研究表明,应力波在节理处的能量传递规律不仅与节理的力学特性有关,而且也和节理的空间分布相关,且当应力波的物理特性如频率和波幅发生改变时,能量传递规律会出现不同的变化。     

断续节理直剪试验与PFC2D数值模拟分析

 在以往有关断续节理模型试验和数值模拟的研究基础上,设计不同连通情况和法向应力的断续节理模型材料直剪试验,并采用颗粒流离散元软件PFC2D对模型试验进行全真数值模拟。以贯通节理试样、完整试样的剪应力–应变数值模拟曲线和模型试验曲线吻合作为PFC细观力学参数选取准则,并利用获得的细观力学参数对共面断续节理试样直剪试验进行数值重现。对比分析数值模拟曲线和模型试验曲线,对断续节理受剪贯通的力学机制进行研究。根据模型试验和数值试验的成果,分析断续节理预剪面上应力随剪应变的演化过程,发现剪切过程中的剪胀效应使得岩桥承担更多的压应力,从而提高了岩桥的抗剪强度。对断续节理岩体在直剪加载条件下的破坏机制进行讨论,将整个剪切过程分为线弹性阶段、初裂阶段、峰值阶段、峰后阶段及残余阶段5个阶段。     

断续节理岩体模型试验及强度分析研究

采用理论分析同模型试验相结合的方法对共面闭合断续节理岩体的直剪强度特性进行研究。理论分析方面,引入法向变形协调条件,推导了模型的直剪强度公式。模型试验发现,全应力应变曲线主要经历了线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏和残余强度五个阶段;峰值和残余强度都随正应力的增大而增大,而变形特性随正应力的变化规律性不强;峰值强度随节理连通率的增大而减小,低连通率时强度下降速度慢;节理两边分布的试样的强度普遍高于节理在中间的。对比发现,理论计算结果与试验值吻合较好。     

节理特性对应力波传播及爆破效果的影响规律研究

建立节理岩体一维分析模型并进行量纲分析,探讨节理特性对应力波传播规律的影响。单节理时,应力波通过节理后出现了明显的延时和振幅衰减,但主频无明显变化;多节理时,随着节理间距及节理数量的增加,透射应力波幅值均有所降低,且节理岩体等效波速随着节理数量的增加而线性减小。采用连续–非连续单元方法(CDEM),探讨节理强度、节理刚度、节理刚度/强度、节理间距、节理倾角等参数对爆破效果的影响规律,并通过平均破碎尺寸、极限破碎尺寸、大块率、系统破裂度及等效损伤因子等指标进行综合评价。计算结果表明:爆破效果随着节理强度(刚度)的降低而逐渐变差,当节理的强度(刚度)达到岩块强度的1/1 000后,更低的节理强度(刚度)对爆破效果的影响不大;当节理强度和刚度取为岩块的1/1 000时,节理间距越密集,爆破效果越差,但节理倾角对爆破效果的影响不大。节理岩体中爆破时,爆破能量被圈闭在炮孔与附近的节理面之间,导致炮孔附近区域过于破碎,而远离炮孔的区域破碎较少;因此,爆区内节理的发育程度与爆破效果之间存在负相关关系。     

一维动静组合加载下岩石冲击破坏试验研究

 利用研制的岩石动静组合加载SHPB试验装置,系统研究岩石在一维动静组合加载下的冲击破坏特性。首先按照一维应力波传播理论,对动静组合加载的试验原理进行理论论证。试验过程中预先在轴向施加不同载荷,按照静载强度的20%,30%,40%,70%,80%和90%等6个系列进行,然后沿轴向进行冲击加载,考察岩石的临界破坏承载强度。研究结果表明：在临界破坏的情况下,动态冲击的应力–应变曲线(包括常规冲击和动静组合加载)最后都会出现总应变减小的现象,这是由于冲击过程中岩石内部储存弹性能释放所致。在轴向静压较小时,岩石的组合加载应力–应变曲线跟常规的冲击试验曲线类似;轴压较大时,岩石的组合加载应力–应变曲线没有初始的近似线弹性段,直接从非线性段开始。随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大后减小的趋势,大约在静载强度60%时,抗冲击强度达到最大值。在入射能较小时,岩石吸收的能量会缓慢增加,在入射能较高时,岩石吸能会快速增加。常规冲击下岩石的临界破坏模式为劈裂形式,动静组合加载下呈现压剪形式。     

Stochastic seismic wave interaction with a rock joint having Coulomb-slip behavior

Seismic wave interaction with a slippery rock joint with an arbitrary impinging angle is analytically studied based on the conservation of momentum on the wave fronts. Based on the displacement discontinuity method, the wave propagation equations are derived for incident P- and S-waves. By comparison, the calculated transmission and reflection coefficients for normal incident waves are the same as the existing results, which proves the wave propagation equation obtained in the paper is correct. The wave propagation derived in the context can be applied to incident waves with different waveforms. Stochastic seismic waves are then used to analyze the seismic wave interaction with the slippery rock joint, where the stochastic seismic waves are generated from frequency spectra. The parametric studies are carried out to investigate the effect of type, intensity and impinging angle of the incident seismic waves on the wave propagation across the slippery rock joint.     

爆破地震波作用下隧道围岩动应力集中系数分析

将爆破地震波进行合理近似简化,采用波函数展开法,推导了无限岩石介质中爆破地震波作用下隧道围岩动应力集中系数的表达式,结合具体算例,从理论上定量分析了围岩不同位置上爆破地震波主频和围岩物理力学指标对动应力集中系数的影响。分析结果表明：隧道围岩迎爆侧的动应力集中系数整体上大于背爆侧,动应力集中系数峰值偏向于迎爆侧;在不同主频爆破地震波作用下,动应力集中系数的影响存在最大值;隧道围岩的弹性模量对动应力集中系数的影响较大,而泊松比对动应力集中系数的影响较小。     

孔隙岩石的SHPB试验研究

利用分离式Hopkinson压杆装置测量砂岩的动态力学特性，分析冲击过程和砂岩能量耗散过程，进一步讨论孔隙率对人造岩能量耗散的影响。试验结果表明：利用。维应力波理论得到动载下砂岩的应力-应变关系曲线，有助于在数值模拟计算中选择合适的模型和参数；山于砂岩中存在大量的缺陷（微裂隙、空洞和孔隙等），故在冲击载荷作用下具有明显的压剪破坏形式：孔隙率对冲击载荷作用下岩石能量耗散起着重要作用；在冲击载荷作用下，随着岩石孔隙率的增加，岩石耗散的能量也增加。     

刀具动态作用下节理岩体破坏过程的数值模拟

基于细观损伤力学和动力有限元方法,模拟分析了节理岩体在刀具动态荷载作用下的损伤破裂过程,探讨了节理间距和节理角度的影响。在动力分析模型中,通过考虑黏弹性边界以排除边界应力波反射的影响,提高了计算精度。数值模拟结果表明,节理的存在改变了岩体中应力波的传播模式。一方面,节理面反射的拉伸应力波加剧了节理与刀具间岩体的碎裂;另一方面,软弱节理面破坏吸收了应力波能量,阻碍了应力波向下的传播,减弱了下部岩体的破坏程度。模拟结果还表明,节理间距越小,岩体破坏程度更加明显。倾斜节理的存在使刀具下部的裂纹出现不对称性扩展特征,影响了主裂纹向下扩展的能力,限制了其伸展的空间。节理岩体在刀具动态作用下的破坏过程研究还很少见到,研究结果对于节理岩体动态破坏的机理以及地下工程开挖等实际应用,具有一定的参考价值。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

中部锁固岩桥三轴加卸荷力学特性及裂纹扩展研究

 锁固型高陡岩质边坡内部岩桥破坏机制复杂,研究边坡中部锁固段的破坏规律及其对边坡整体变形破坏机制具有重要意义。为表征滑坡后缘拉裂缝和前缘蠕滑破坏,在完整岩样端部预制裂纹形成中部岩桥,开展3种不同长度岩桥试样的三轴加载和三轴加卸荷试验,分析2种应力路径下的应力–应变特征、强度特征和裂纹扩展模式,从断裂力学角度揭示了裂纹扩展机制。结果表明：随围压和岩桥长度的增加,试样峰值强度和对应的应变增大,且三轴加卸荷峰值和应变均大于三轴加载;应力–应变曲线呈现出“突发式破坏”和“峰后回升”现象,部分试样还表现出“双峰值”特征;岩桥试样呈现贯通岩桥、贯通试样上端面、向外环向破坏、向内环向破坏及贯通试样下端面等5类裂纹扩展模式;岩桥试样在下部节理尖端应力集中处产生张拉裂纹和剪切裂纹,大部分裂纹起裂角集中在40°～50°范围。中部岩桥三轴加卸载力学试验表明,边坡锁固段并非一次剪断破坏,可能呈现逐次多级破坏模式,本研究获得的岩桥裂纹扩展及破坏机制,可为锁固型岩质边坡开挖卸荷的破坏机制和变形特征提供理论支撑。     

拉剪条件下节理岩体中锚杆的力学作用分析

在分析穿过节理的锚杆与岩体相互作用的机理后，采用线弹性断裂力学的方法，分析在拉剪综合作用下锚杆对裂纹尖端应力强度因子产生的贡献，并揭示了各种应力作用情况以及锚杆与节理面之间不同的夹角下锚杆的作用规律。计算分析结果表明，锚杆的作用使节理端部的应力强度因子发生转换，从而明显降低了对岩体破坏产生主要作用的应力强度因子。这是锚杆能够加固节理岩体的重要原因。     

地震载荷作用下的节理岩体破裂模型

考虑了地震水平加速度的作用,建立了裂隙岩体的破裂模型,分析了在水平加速度作用下节理组的倾角、节理长度及间距对岩体破裂的影响。分析表明,节理的倾角越大,岩体越容易破坏;节理组的倾角增大过程中,岩体节理的破坏模式逐步由以剪切滑移破坏为主转为以张拉破坏模式为主;当节理的间距与长度的比值在一定的范围内时,该比值越大,岩体越容易破坏,同时,节理的长度越大,岩体越容易破裂。该模型对于地震载荷作用下的岩体安全性分析具有重要的意义。