基于直剪试验的页岩强度各向异性研究

 层理面的存在是页岩地层力学性质、强度特征和破裂模式表现出明显各向异性特征的根本原因,也是引起水平井井壁易失稳的重要原因之一。为分析层理面的力学性质及其影响下页岩的抗剪强度各向异性特征,开展不同角度页岩的直接剪切试验,并根据剪切破坏机制的各向异性和剪应力集中系数,从不同角度分析抗剪强度各向异性的原因,试验和理论分析结果表明：(1) 层理面是页岩地层的薄弱面,其黏聚力和内摩擦角明显小于页岩基质体,抗剪强度也最低,其剪应力–剪切位移曲线并没有表现出岩石剪切强度随滑动而弱化的特点,而是其残余摩擦力甚至还略大于抗剪强度。(2) 0°,30°,60°和90°四个方向中,页岩抗剪强度的最大值在60°时取得,且0°,30°和60°试样的剪应力–剪切位移曲线均表现出剪切强度随滑动而弱化的现象。(3) 页岩剪切破坏机制可分为沿页岩本体的剪切破坏、沿层理面张拉和本体剪切的复合破坏、以及沿层理面的剪切滑移3种模式;页岩抗剪强度的各向异性是由其剪切破坏机制的各向异性控制的。(4) 剪应力集中系数在一定程度上反映了岩石直接剪切时剪切承载力的强弱,可用来分析页岩抗剪强度的各向异性特征;不同方向页岩直接剪切时,剪应力集中系数仅与沿剪切方向的弹性模量和剪切层的厚度有关;相同法向应力下,90°试样的剪应力集中系数最大,抗剪强度最小,而60°试样的剪应力集中系数最小,抗剪强度最大。该试验和理论分析结果可为深入分析岩质边坡中滑动面的运动特征和页岩气水平井井壁稳定性等提供一定参考。     

JRC-JCS模型在某边坡抗剪强度取值中的应用

简要回顾了岩体结构面抗剪强度估箅方法发展的历程和JRC-JCS模型的原理,并以某边坡岩体中的硬性结构面为研究对象,利用JRC-JCS模型和结构面剪切试验两种方法相互验证,确定结构面抗剪强度指标值。     

制样误差对结构面直剪试验结果影响定量研究

在结构面直剪试验制样过程中,所产生的误差会对试验结果带来很大的影响。研究结构面制样误差对试验结果的影响具有十分重大的意义。推导结构面倾斜时的正、剪应力的修正公式,并研究控制结构面倾斜的2个参数爬坡角α、偏角β对试验结果的影响。定量分析结果表明:试验结果误差对控制结构面倾斜的因子爬坡角α敏感,而偏角β对试验结果影响较小,可忽略;最后提出了2种试验结果误差修正方法,并给出一修正实例。     

直剪试验与三轴试验的对比探讨

介绍了直剪试验与三轴试验的仪器设备及方法，通过对两种不同试验方法及结果的对比，指出三轴试验结果更接近土的实际理论值，数据更安全可靠，为岩土工程师使用抗剪强度指标提供了依据。     

考虑非平稳趋势向影响的结构面抗剪强度模型研究

结构面非平稳趋势向(结构面与剪切平面之间的夹角)的存在直接影响结构面试样抗剪强度评价的准确性。现有抗剪强度计算模型未考虑结构面非平稳趋势向的影响,不适用于趋势向非平稳的结构面抗剪强度计算。为此,在定量表征结构面趋势向α和β (α为结构面沿剪切方向的倾角,β为结构面沿垂直于剪切方向的偏转角)的基础上,以结构面最小二乘拟合平面为参考平面,将外部施加的法向、切向应力分解为参考平面的法向、切向应力,并据此建立考虑非平稳趋势向影响的结构面抗剪强度模型,采用数值解析法计算该模型的数值解,通过直剪试验对数值解的准确性进行验证。研究结果表明：结构面抗剪强度主要受趋势向α控制,而趋势向β对抗剪强度的影响比重小于1.5%,计算时可忽略不计;抗剪强度的改进值相对其原型值的误差上下限随法向应力的增大而增大、随结构面三维粗糙度JRC^3D的增大而增大;相较于未考虑趋势向影响的抗剪强度模型,改进模型计算得出的抗剪强度的准确率分别提高了24.45%,23.693%,25.37%,14.504%,所提出的结构面抗剪强度模型可有效评价含非平稳趋势向的结构面抗剪强度,为岩体结构面抗剪强度的估算奠定了理...     

基于直剪试验的金坛盐岩力学特性研究

 采用RMT–150C试验机对江苏金坛拟建储气库埋深段盐岩试样进行一系列直剪试验研究。将盐岩作为多晶聚合体考虑,深入分析试验过程中的剪切应力、剪切变形、剪胀以及破坏特性。试验结果表明：盐岩剪切破坏是一种延性破坏,盐岩剪切峰值对应的剪切位移一般为4～6 mm,个别试样可达7～8 mm,且整个剪切应力–剪切位移曲线都较平缓,剪切峰值不明显,这主要是由于局部位错交替导致的;得到盐岩抗剪强度参数c,? 值分别为3.16 MPa,44.7°;发现残余强度基本上与法向应力呈正比例关系,且残余应力较大,约为峰值应力的50%～80%,表明盐岩摩擦承载能力较强;盐岩剪胀终止发生在峰值应力之后、残余应力之前,且在较大法向应力作用下剪胀起始应力与剪胀终止应力接近;盐岩的剪切破坏位置不是一个面,而是一个破碎带,破碎带上下一定范围内有不同程度损伤;表面局部有明显擦痕,类似于摩擦学的“犁沟效应”,有利于提高其抗剪能力。试验研究成果对深入理解金坛盐岩破坏机制及地下盐岩储气库稳定性研究具有一定的参考价值。     

直剪与三轴试验下土体抗剪强度指标对比分析

为了研究滑坡土体的抗剪强度指标性质,文中以昌宁共浴滑坡土体试样为研究对象,分别运用直剪仪与静三轴仪对其进行试验处理分析,最终得出两种测定方法下土体抗剪强度指标的差异性,对于不同条件下的土体试样,所采用的试验方法不同。     

某核电厂边坡岩体结构面直剪试验研究

综述了边坡工程结构面抗剪强度参数的获取方法,探讨了基于钻孔取芯的室内直剪试验设计方案.采用YDS携带式岩、土力学性质多功能试验仪,设计了某核电厂边坡结构面抗剪断直剪试验和摩擦直剪试验,比较了结构面抗剪强度参数的试验值和经验值,采用三维可变形离散元法数值还原了结构面抗剪断直剪试验全过程.试验表明:室内试验测得的某核电厂边...     

岩体结构面抗剪强度参数试验研究

从工程实际出发,讨论了岩体结构面直剪试验方法的选取原则。工程实例表明,采用现场原位抗切试验确定结构面c值,再结合规范取值确定φ的方法更适用于坡高小于25m的中小岩质边坡。结合乌江构皮滩水电站岩体结构面大型原位抗剪试验成果,分析了结构面性状对结构面抗剪强度的影响。本文还通过多组室内试验研究了水对结构面抗剪强度的弱化作用,得出若干有益的结论。     

岩石结构面力学原型试验相似材料研究

基于岩体结构面抗剪强度机制及相似材料的选择原则和要求,研制以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等原料混合而成的模拟材料,并利用其制得的试样及结构面模型进行大量物理力学试验的对比分析,研究结果表明:相似材料的抗压强度与原岩结构面相近,调整不同混合材料的配合比,相似材料可以覆盖中低强度的岩石类型;利用相似材料及多尺度试样模具可制作与原岩结构面表面形态及起伏度近似一致的模拟结构面;利用模拟结构面代替原岩结构面进行直剪试验,模拟结构面表面的磨损程度、粗糙度系数衰减规律及破坏形式均与原岩结构面相似,且模拟结构面抗剪强度直剪试验结果与理论计算值相差不大;模拟材料具有物理力学性能稳定、制作方便、成本低廉的优点,可代替原岩结构面进行不同尺寸、可重复性的破坏性试验。     

岩石节理直剪试验颗粒流宏细观分析

 基于颗粒流理论和PFC程序,在解决建模过程中悬浮颗粒的消除、恒定法向荷载伺服机制的施加、拟静力加载状态的选取等问题后,较为完善地实现岩石节理PFC数值直剪试验,并分别从宏观和细观角度深入探讨节理在直剪试验过程中的力学演化特征和破坏机制。结合已有的节理直剪试验成果,进行室内试验和计算结果的对比分析,验证计算方法的可靠性。研究成果如下：(1) 随恒定法向荷载的增大,剪切应力及其峰值时刻的剪切位移增大,节理面上黏结破坏颗粒增多,而剪切阻抗和节理剪胀效应却降低;(2) 随剪切位移的增加,节理面上粒间法向接触数不断减少,接触矢量方向逐渐向剪切荷载施加方向偏转,而粒间接触压力不断增大,裂纹不断沿节理面附近产生,破裂频数在剪切应力达到峰值时最为强烈;(3) 数值试验得到的剪切阻抗值普遍高于试验值,但减小模型颗粒半径可有效降低计算剪切阻抗值。室内试验和计算结果对比分析表明,新提出的颗粒流计算方法非常适用于岩石节理直剪试验的数值模拟,可为室内节理直剪试验和PFC节理模型细观力学参数选取的深入研究提供有益的参考。     

不同接触状态下粗糙节理剪切强度性质的颗粒流数值模拟和试验验证

节理表面形貌和接触状态对节理剪切力学性质有重要的影响。用砂浆材料的单轴压缩试验和光滑节理直剪试验得到材料和光滑节理的宏观力学性质参数,对颗粒流数值模拟的节理细观力学性质参数进行标定。用颗粒流离散元数值软件(PFC2D)构建人工粗糙节理表面形貌,对不同表面形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质进行颗粒流直剪数值模拟试验,获得其峰值剪切强度。同时进行人工材料节理直剪试验,与颗粒流直剪数值模拟试验结果进行对比分析,数值试验与直剪试验结果吻合较好,验证了颗粒流直剪数值模拟试验与直剪试验具有同等的精度,可以作为各种表面形貌的节理在不同法向应力水平下抗剪强度研究的一种补充方法,以解决节理直剪试验中表面形貌损失对其剪切强度的影响,也可以在少量节理直剪试验的基础上,预估相同形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质,同时还可以在现场测定不同粗糙度的节理表面形貌,预估其在不同接触状态、不同法向应力下的剪切力学性质。从而解决节理直剪试验中在相同形貌节理试件取样和制备困难的问题,且具有经济、方便、快捷、可重复性强等特点。     

基于面积和应力修正的直剪试验数据分析

 直剪试验具有方便、经济的优点,被广泛应用,提高直剪试验数据的可靠性具有重要意义。在总结前人研究成果的基础上,将直剪试验结果数据的修正分为2类：单点面积修正方法和多点面积修正方法。通过简化受剪切土体受力物理模型,提出基于面积修正和正应力修正的单点面积应力修正方法。结果表明：该方法是有效、可靠的,修正后的强度指标要大于其他2种方法,并且对3种方法的实际运用进行简单探讨。在推导过程中,提出面积修正系数和正应力修正系数。修正系数结果表明：随着剪切位移的增加,有效剪切面上的剪应力大于实测值;有效剪切面积上的正应力小于施加的竖向应力,并且随着剪切位移的增加而逐渐减小;非有效剪切面上的正应力呈逐渐增大趋势。由于直剪试验本身的缺陷,使得其修正后的强度参数与三轴试验结果存在一定差别。提出的单点面积应力修正方法提高了利用直剪试验获取土体抗剪强度参数的可靠性和准确性。     

压实土不固结不排水单剪、直剪试验对比

对国内外单剪、直剪试验装置进行调研,总结、分析单剪和直剪试验的优缺点。结合具体填方工程中的压实土体,利用一种类似NGI单剪仪的仪器,进行不固结不排水情况下单剪和直剪试验,并将结果进行对比。研究发现,压实土的黏聚力值,单剪比直剪低20.3%,内摩擦角低5°。结合国内外的研究成果,详细分析试验结果的差异所在。     

节理剪切试验及其表面形貌特征变化分析

 节理表面形貌是影响节理抗剪强度的重要因素之一。采用试验方法研究岩石节理表面形貌与其抗剪强度之间的关系;运用RYL–600岩石剪切流变仪对天然岩石节理在不同法向应力下进行剪切试验,得到不同法向应力下节理的抗剪强度曲线,并运用TALYSURF CLI 2000扫描仪将节理表面在每次剪切前后进行高精度激光扫描测试,得到岩石节理表面的三维扫描图。分析节理在不同法向应力作用下的抗剪强度与节理表面形貌变化的关系,计算岩石节理表面轮廓平均角的加权平均值 ,发现随着法向应力的增加,节理峰值抗剪强度增加,随着剪切次数增加, 呈减小趋势。说明节理的抗剪强度与法向应力和节理表面形貌特征参数 有关。     

随机形貌岩石节理剪切数值模拟和非线性剪胀模型

 采用满足正态分布的随机函数,构造岩石节理剖面的形貌,为研究受剪岩石节理的细观剪切特性和宏观剪胀效应提供研究基础。利用UDEC软件,基于CY微段节理模型,开发随机形貌岩石节理直剪特性的数值分析程序,采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨微段节理的细观剪切特性和岩石节理的宏观剪切响应,提出节理抗剪强度参数与节理面粗糙度系数JRC之间的拟合关系。得到如下结论：JRC越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大,而峰值剪切位移与JRC成反变化关系;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;这些数值结论得到模型实验的充分验证。微段节理的细观切向爬坡和剪胀效应是岩石节理产生宏观剪胀的细观力学机制。通过对随机形貌岩石节理的宏观剪胀数值曲线性态进行分析,提出能考虑节理粗糙度JRC和法向应力影响的非线性剪胀本构模型,该模型较好描述了受剪岩石节理的剪缩段和剪胀段。