节理岩体卸荷非线性力学特性研究

工程岩体根据其受力特性可以分为加载岩体和卸荷岩体,结合三峡工程永久船闸高边坡岩体,利用自行开发的三轴试验设备进行研究,根据几何和重力相似、材料力学性能相似、岩体结构相似、边界力相似、开挖过程模拟相似,由重晶石粉、铁粉、石膏、水等制作尺寸为250 mm×250 mm×250 mm的试件,试件的几何比尺选择为CL=3,9,27,81;并对几何比尺为27的试件制作含有与船闸轴线相垂直的卸荷方向成8°,36°,52°,82°,90°的结构面。对节理岩体的加卸荷应力–应变关系、卸荷岩体(应力–应变关系、抗拉强度、变形模量)的各向异性、卸荷岩体(抗拉强度、抗压强度、泊松比、变形模量)的尺寸效应、卸荷岩体的流变特性、卸荷岩体的强度准则进行试验研究。研究结果表明,不同结构面方向对岩体的卸荷作用明显;岩体的抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比以及岩体的各向异性等均随着尺寸的加大而降低;岩石受拉的流变特性与岩石所受的拉应力大小直接有关;得出Hoek-Brown准则所描述的岩体强度关系曲线中的岩体材料常数m,s值。     

X型非贯通相交节理干涉效应试验及力学机制

共轭X型节理岩体广泛分布于自然界,准确认识共轭X型相交节理之间的干涉效应对相关岩体工程的安全稳定至关重要。通过制作节理岩体相似材料试件,改变主次相交节理的倾角及长度,进行室内模型试验和理论分析,研究相交节理干涉效应对岩体力学特性的影响规律。研究结果表明：X型节理岩体翼裂纹主要沿主节理尖端扩展,次节理扩展受到抑制;同倾向相交节理间干涉效应导致主节理尖端应力强度因子增大,且次节理倾角为45°时,干涉效应最明显;反倾向主次节理夹角为60°时,次节理对主节理尖端应力强度因子的屏蔽效应最强;反倾向主次节理间夹角为90°时,相交节理间不存在干涉效应;反倾向主次节理夹角大于90°时,相交节理干涉效应导致主节理尖端应力强度因子减小。     

浅析节理对岩体物理力学性质的影响

岩体中含有大量的节理裂隙.裂隙由张开到关闭形成的应力应变曲线是非线性的,裂隙间的摩擦引起了加卸载间的滞回和应力波的衰减,而剪胀又是新的裂隙形成的重要标志.研究表明裂隙对岩体的物理力学性质有重要影响,岩体也因此具有特殊的“塑性屈服”--裂隙间的相对滑移而非位错.     

含非贯通节理花岗岩的力学特性与细观起裂机制研究

非贯通节理复杂的起裂机制与破坏模式对岩体力学行为有着重要的影响。考虑节理倾角与贯通度的影响，基于花岗岩试样单轴压缩试验，分析非贯通节理对岩体力学特性及断裂特征的影响，结合三维离散元数值模型，从细观尺度研究裂纹起裂、贯通破坏过程与岩体宏观破坏的相关性，并建立含非贯通节理的断裂力学理论模型，引入应力强度因子一般表达式，分析非贯通节理的断裂韧性，量化节理倾角与贯通度对岩体抗脆断能力的影响。结果表明：非贯通节理对岩体造成的劣化效应显著，随着倾角的增加，节理岩体强度增加。根据裂纹形态与形成机制，区分了6种裂纹，发现节理试样的起裂破坏模式对强度特征影响显著。15°～75°范围内，试样的断裂韧度随节理倾角的增大有不断增大的趋势，其中，15°节理试样抗脆断能力最弱；随节理贯通度的增大，节理岩体的断裂韧性近似双曲线趋势减小。     

不同侧压对于节理岩体特性和洞室稳定性的影响

利用DDARF(discontinuous deformation analysis for rock failure)方法对含有45°平行节理的试块进行了双轴压缩数值模拟试验,分析了侧压不同对于原生裂隙起裂和试块破坏的影响,得出了侧压会抑制原生裂隙的开裂和试块的破坏的结论;为了与完整岩体做比较,建立了相同尺寸和参数的完整岩体的试块模型,做了同样的双轴压缩试验,得到了45°节理岩体和完整岩体的包络线和包络线方程,两者的包络线可分别得到对应的c、φ值,可分别建立45°节理围岩和完整围岩的地下洞室模型,用Flac-3d程序模拟了两种洞室的开挖过程,并得到了两种洞室开挖完后的塑性区面积和关键点位移,通过比较可以得出节理对围岩的稳定性影响颇大的结论。     

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。     

开挖动态卸荷对节理岩体渗透特性的影响研究

 利用应力波理论分析高地应力条件下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷效应，探讨卸荷松动后节理岩体渗透特性的变化规律。研究结果表明，高地应力作用下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷松动效应显著，其影响必须考虑。开挖荷载幅值、岩体弹性模量和节理分布间距等因素通过影响节理开度而影响岩体的渗透特性；岩体中完整母岩与节理岩体的结合部位往往是开挖松动较大的部位，其渗透系数变化明显。对于等间距平行节理组垂直切割的直立坡岩体，若岩体的弹性模量由坡外向坡内呈线性增大，计算得到的节理岩体渗透系数分布符合幂函数衰减规律(由坡外向坡内)；若节理岩体的弹性模量由坡外向坡内无变化，则开挖动态卸荷松动现象不会发生。     

节理起伏角对非贯通节理岩体力学特性的影响

对非贯通节理岩体进行直剪试验,在相同法向应力作用下研究具有不同节理起伏角的非贯通节理岩体的强度特性、变形特征。并采用颗粒流数值模拟软件(PFC 2D)进一步研究非贯通节理岩体的细观扩展机理。两种试验研究表明:(1)非贯通节理岩体的破坏形态受节理起伏角的影响显著,随着节理起伏角增大,岩体的破坏程度逐渐加重,岩体破坏时的张拉裂纹越大,裂纹数目也越多,张拉节理与两节理面之间的夹角将越大,表面破损也越明显;(2)非贯通节理岩体的变形特征受节理起伏角的影响显著,当节理起伏角不同时,非贯通节理岩体的法向变形将不同,随着节理起伏角增大,非贯通节理岩体的峰值切向位移逐渐减小;(3)非贯通节理岩体的强度特性受节理起伏角的影响显著,随节理起伏角的增大,非贯通节理岩体的峰值剪切强度增大,岩体抗剪强度增大。     

节理填充物对岩体起裂强度影响规律的试验研究

以水泥、泥浆、石膏三种材料作为填充物制作含单一裂纹的节理岩体试件,进行单轴压缩试验,并通过建立单轴压缩下闭合裂纹起裂强度的解析表达式和开展数值模拟对其进行深入的研究。研究表明：在单轴压缩下,基于摩擦系数理论数值模拟得到的试件起裂强度与室内试验测得的峰值强度基本吻合;填充物摩擦系数越大,节理岩体越难被破坏,且与无填充岩体相比含填充岩体的起裂强度大幅提高;含填充节理试件的峰值强度远大于无填充的节理试件,其中填充水泥的节理试件峰值强度最高,填充泥浆的最低;剪切破坏是泥浆作为填充物的试件的主要破坏形式,而水泥和石膏作为填充物的试件的破坏则是复合型;随着填充物强度的提高,节理岩体的破坏形式将从剪切破坏转变为张拉破坏。     

单轴压缩下节理间距和倾角对岩体模拟试件强度和变形的影响研究

通过含一组预置张开裂隙石膏试件的单轴压缩试验,系统地研究了当节理连通率固定时,节理组的间距和倾角对试件强度和变形特性的影响。研究发现：①随着节理间距的增大,试件的应力-应变曲线的由单峰型变为多峰型,延性增大。试验中观察到的应力-应变曲线包括4种类型,单峰型、软化段多峰型、多峰平台后软化型和多峰平台后硬化型。②当节理间距不变时,试件的当量化强度、当量化弹性模量和第一峰值应变随节理倾角的变化曲线都呈V型,其最小值发生在节理倾角为45°处;而残余强度与强度之比和第二峰值应变随节理面倾角的变化规律则反之。③当节理倾角不变时,当量化弹模、当量化强度和第一峰值应变都随节理化系数的增大而减小;而残余强度与强度之比和第二峰值应变则反之。④各节理倾角下,试件的当量化弹模和当量化强度随节理化系数的变化规律可以用相同形式的幂函数来表示。⑤上述宏观力学行为与预制节理闭合、次生裂隙发展等细观损伤力学机制密切相关。上述研究表明,节理间距对岩体的强度和变形特性的影响有显著的各向异性。     

模拟柱状节理岩体常规三轴压缩下变形和强度特性试验研究

柱状节理岩体是溢出型火成岩常见的结构性岩体,对其在三轴应力下变形和强度特性的正确认识,是水利水电及地下洞室等大型岩体工程论证和设计需要解决的关键问题之一。为此,采用石膏混合材料制作柱体与最大主应力σ1具有不同夹角β的模拟柱状节理岩体试件,通过对试件进行不同围压下的三轴压缩试验研究柱状节理岩体变形和强度特性,得到其在三轴压缩下弹性模量和峰值强度随β角的变化规律。由试验结果可知:在同一级围压下,弹性模量和峰值强度随夹角β增大呈递减趋势,即弹性模量和峰值强度随夹角增大先减小,在β=45°时最小,而后随夹角增大保持相对不变。此外,利用试验数据建立柱状节理岩体弹性模量和峰值强度与夹角β之间的经验关系式,通过比较发现经验关系式与实测数据吻合较好。最后对试件的破坏类型与特征进行了归纳,总结了柱状节理岩体在三轴压缩下的4种典型破坏类型,并对其破坏机制进行了分析。     

静载对节理煤岩体动态力学特性和应力波传播的影响

为研究地应力和节理作用下煤岩体的动态力学特性和应力波传播规律,利用改造的动静组合加载SHPB装置,针对人工构造节理试样,研究不同静载(0,2,4,6和8 MPa)和不同节理吻合系数(JMC:0.8,0.9,1.0和无节理)煤样的动态力学特性和应力波传播规律。试验结果表明：随节理吻合系数减小,反射波振幅呈现增大趋势,透射波振幅呈现降低趋势;随着静载从0 MPa增大到8 MPa,不同节理吻合系数试样的透射系数均呈现增大趋势,且节理吻合系数越小,透射系数增加值越大,静载对低节理吻合系数试样的透射系数影响更为明显;峰值应力随静载增大而增大,而峰值应变反之;节理比刚度和动态模量均随静载增大呈现增长的趋势,表明静载的存在抑制节理煤岩体劣化作用。基于应力–应变关系和标准线性固体模型分析验证了试验结果,随静载和节理吻合系数增大,地震波品质因子增大,试样耗散能量减少。研究认为在地下工程中应更为重视节理和静载共同对应力波传递特性的影响。     

含不同节理倾角深部巷道砂岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为探讨含不同倾角的充填型软弱贯通节理砂岩在冲击荷载作用下的力学特性及破坏规律,采用50 mm杆径分离式霍普金森压杆试验装置对7种不同倾角的充填型软弱贯通节理砂岩试件进行冲击试验,借助高速摄像仪实时捕捉裂纹扩展和动态破坏过程。结果表明:砂岩的动态抗压强度、峰值应变随着节理倾角的增加呈先减小后增大的趋势;随着节理倾角的增加,节理试件的塑性降低、脆性增加,0°,15°和30°节理试件的应力–时间曲线存在明显的塑性平台段,45°,60°,75°和90°节理试件无明显的塑性平台段,45°节理试件的应力–时间曲线"应力双峰"现象显著;节理倾角控制试件的最终破坏模式以及节理和岩石基体的破坏顺序,不同倾角的充填型软弱贯通节理试件的最终破坏模式可分为劈裂拉伸破坏、剪切–拉剪复合型破坏、剪切破坏;随着节理倾角的增加,破坏顺序逐渐由充填型软弱节理先破坏演变为岩石基体先破坏。     

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。     

不同应力下剪切速率对尾矿砂强度特性影响研究

尾矿库的运行稳定性很大程度上取决于尾矿砂的强度特性。为了分析应力及剪切速率对尾矿砂抗剪强度的影响,利用室内三轴仪对云南某铁矿尾矿库内原尾矿砂进行了不同围压及剪切速率条件下的固结不排水(CU)试验,并对试验后的颗粒破碎进行分析。试验结果表明:尾矿砂的抗剪强度在低应力下(小于500 k Pa)基本符合线性摩尔库伦准则,但在高应力下(大于500 k Pa)符合幂函数强度准则。尾矿砂的抗剪强度及内摩擦角在各围压下均随着剪切速率的增加而减小,其减小速率在剪切速率0.08~2 mm/min范围内先增加后减小。试验尾矿砂在各围压下剪切后颗粒均有破碎,且在高应力下固结过程也会造成颗粒破碎,但相对整过剪切过程中的破碎量比值很小。颗粒破碎主要集中在构成骨架结构的粗颗粒段(粒径大于0.25 mm),粒径小于0.074 mm的细颗粒基本不破碎,且颗粒破碎与剪切速率成负相关,但颗粒破碎在围压低于400 k Pa时很少受剪切速率的影响。     

孔隙水压循环作用下围压卸荷速率对砂岩力学特性的影响

针对三峡库区消落带边坡岩体的开挖,通过室内三轴卸荷试验,研究在不同孔隙水压循环次数和围压不同卸荷速率下砂岩的力学特性。结果表明:1)水岩作用对砂岩的偏应力峰值强度和变形模量均产生显著影响,随着孔隙水压升降循环次数的增加,偏应力峰值强度和变形模量逐渐减小;随着围压卸载速率的加快,偏应力峰值强度和变形模量增大; 2)随着围压卸荷速率的加快和孔压循环次数的增加,砂岩破坏时的轴向和环向应变围压柔量及峰值围压均不断降低,对环向应变围压柔量的影响比对轴向应变柔量更大; 3)在0.3 MPa的孔隙水压循环作用下,砂岩破坏时的破裂角与卸荷速率没有明显的线性关系。