三轴压缩作用下断续节理砂岩力学特性研究

节理岩体的力学特性直接影响工程岩体的安全。为了研究节理岩体的各向异性力学特性和破坏特征,设计进行了0°,30°,45°,60°,75°和90°等6种角度断续节理砂岩的三轴压缩试验,详细分析了节理倾角对断续节理岩体变形强度特征和破坏模式的影响。研究结果表明：①在加载过程中,随着围压增大,断续节理砂岩应力-应变曲线的屈服阶段逐渐明显,峰值强度和残余强度逐渐提高,破坏时延性特征逐渐明显;②随着节理倾角增大,断续节理砂岩的变形模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等力学参数均呈现先减小后增大的U型变化趋势;③节理对岩样破坏裂纹的形成与开展具有明显的诱导和控制作用,不同倾角岩样的破裂面均顺节理倾角方向发展,当节理倾角与岩样计算破坏角接近的时候,岩样的破裂面顺节理面开展,变形和强度参数达到极小值;④随着围压增大,不同倾角断续节理岩样的变形和强度参数差别逐渐减小,各向异性特征逐渐减弱;⑤断续节理砂岩的破坏模式可分为张拉破坏、折线型的复合剪张破坏、沿节理面剪切破坏等3种类型,节理倾角的分布决定了断续节理砂岩在加载作用下的变形破坏模式,变形破坏模式的差异决定了断续节理砂岩变形和强度参数的各向异性特征。研究成果可为工程中节理岩体的各向异性特征分析提供较好的参考。     

含两条节理岩样压缩破坏行为的颗粒流模拟

利用颗粒流软件中平行粘结方式建立数值计算模型,通过校核室内试验数据确定数值模型的细观参数值,并采用smooth-joint在模型中设置两条断续节理,通过改变岩桥倾角和节理倾角,建立不同节理布置数值模型。从细观和宏观两方面,研究单轴压缩荷载下节理试样内接触力、微裂隙数量和节理岩体的破坏行为发现,峰值轴向应力之前,微裂隙数量增加缓慢,峰值轴向应力之后,微裂隙数量迅速增加;颗粒接触力易在节理端部和岩桥处聚集,在节理中间段附近分布较为稀疏,接触力较大的位置易产生裂纹;峰值轴向应力时刻,岩桥倾角为15°时,岩桥均未贯通,岩桥倾角为45°和75°时,绝大部分试样的岩桥贯通了,节理倾角为90°时,岩桥全部没有贯通。     

直剪作用下不共面断续节理岩桥破断试验与数值研究

在伺服控制剪切加载系统下对不共面类岩石断续节理试件进行正向、反向直剪试验,研究直剪下不共面断续节理的岩桥破断机理和剪切规律,试验研究发现,直剪作用下不共面断续节理岩桥破坏过程具有明显的阶段性,经历线弹性阶段、裂纹起裂扩展阶段、岩桥断裂贯通阶段、剪切面爬坡咬合阶段和残余摩擦阶段5个阶段,正向剪切下岩桥呈齿形破断面,反向剪切作用下岩桥产生沿直剪方向贯通的带形破断面,与正向剪切相比,反向剪切下节理的初裂抗剪强度和峰值抗剪强度较大,裂纹倾角、法向应力和相邻节理搭接比例是影响试件初裂抗剪强度和峰值抗剪强度的主要因素。采用FLAC3D对正向、反向直剪作用下不共面断续节理的岩桥破断、剪切破断面的形成过程进行数值试验,数值试验结果和类岩石直剪试件的试验结果基本吻合,数值试验揭示了直剪作用下不共面断续节理岩桥的拉裂破坏和破断面的剪切屈服机理。     

节理倾角及连通率对岩体强度、变形影响的单轴压缩试验研究

 利用含一组张开预置裂隙石膏试件的单轴压缩试验,系统地研究节理组的产状和节理连通率的连续变化对张开断续节理岩体单轴压缩强度和弹性模量及应力–应变曲线的影响。试验研究发现：(1) 随着节理连通率的增大,应力–应变曲线的延性增强,由单峰曲线变为多峰曲线;(2) 在节理倾角不变时,随着节理连通率的增大,岩体的峰值强度和弹性模量都逐渐降低,且二者变化规律不完全相同,可采用不同幂函数的倒数来表示,其系数与节理倾角有关;(3) 当节理连通率不是很大时,岩体的峰值强度和弹性模量随节理倾角的变化规律大致相同,节理倾角为90°时岩体峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为30°和60°时岩体的峰值强度和弹性模量最低,出现2个极小值。当节理连通率较大时,节理倾角为90°时岩体的峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为45°时岩体的峰值强度最低,节理倾角为0°～60°时岩体的弹性模量都很低。对试件破坏过程的进一步分析表明,上述岩体宏观力学特性随节理倾角和连通率的变化规律,与预制节理的闭合摩擦、岩桥内拉伸和剪切裂纹产生及与预制节理组合形成宏观组合破坏面等细观损伤力学机制密切相关。     

非贯通节理岩体边坡稳定性及破坏规律的数值分析

非贯通节理普遍存在于岩体边坡中,并对边坡的稳定性产生较大影响。利用数值分析软件Optum G2建立2类含非贯通节理岩体边坡的稳定性分析模型,采用shear joint单元模拟非贯通节理,基于有限元强度折减法得到不同节理(组)倾角、节理长度和岩桥长度下边坡的稳定系数F及破坏规律。研究结果表明,第一类模型中,随节理倾角α的增大,F先减小,再增大,最后基本保持不变。节理倾角等于边坡倾角时(α=60°),F有最小值,且节理长度越大,最小值越小,此时破坏面为由非贯通节理向坡脚发育的近圆弧状破坏面,而在其它倾角方向则影响较小;第二类模型中,随节理组倾角θ的增大,F先急剧减小(θ=30°时为最小值),再缓慢增大,最后缓慢降低。岩桥长度越小,F越小,在θ=30°时最为显著。此时破坏面呈不规则状,节理裂隙扩展路径由重力作用从上往下发展,并由一非贯通节理端部向相邻节理端部直线发展,当岩桥长度较小时,节理裂隙扩展路径更为复杂和密集。     

断续节理岩体强度评价及承载力预测

从分析断续节理岩体中岩桥的破坏模式出发，建立计算断续节理岩体极限强度的理论公式，定量地讨论了节理的排列方式及其力学性质对岩体强度各向异性的影响。通过试验验证，本文所建公式与试验值吻合较好。与前人研究成果比较，本公式具有适应性强，可靠度高的特点，可用于确定实际工程的节理岩体承载力并进行岩体稳定性评价。     

水平厚层状岩质边坡地震动力破坏过程颗粒流模拟

 基于二维颗粒流软件(PFC2D)的人工合成岩体技术,研究岩桥长度和节理间距不同组合形式下的含水平断续节理厚层状岩质边坡在地震作用下的破坏模式、动力响应规律以及岩桥段应力演化特征。研究结果显示：地震动作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡主要发生溃散型破坏、拉裂–滑移–块体倾倒混合破坏和拉裂–水平滑移混合破坏;水平断续节理是控制边坡动力稳定性的关键因素。节理间距对边坡破坏模式起控制性作用：当节理间距较小时,易发生溃散型破坏;当节理间距较大时,易发生拉裂–滑移–块体倾倒破坏和拉裂–水平滑移混合破坏。岩桥长度和节理间距共同控制着边坡岩体破碎程度,从而控制着边坡失稳破坏时滑动面的个数,当节理间距很小或者节理间距较大、岩桥长度较小时,发生单滑动面破坏;当节理间距和岩桥长度均较大时,发生双滑动面破坏。在地震动力作用下,岩桥段首先发生破坏,随后各节理间也产生破坏并贯通。岩桥长度和节理间距对边坡动力响应均产生一定影响,随着节理间距减小、岩桥长度增大,峰值位移、峰值速度增大,对加速度PGA放大系数的影响区域集中在边坡坡表、坡脚等部位。地震作用下,含水平断续节理厚层状岩质边坡岩桥段应力演化、裂纹萌生与输入的地震波加速度具有良好的一致性。     

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。     

含断续节理岩体强度的各向异性研究

根据断续节理岩体结构的力学效应和压剪断裂破坏特征，用Ｈｏｅｋ－Ｂｒｏｗｎ经验准则预测含断续节理岩体的强度，建立强度参数ｍ，ｓ值与断续节理的几何尺寸、结构形式以及岩桥和节理面物理力学参数之间的定量关系，阐明含断续节理岩体强度的各向异性特征，提出合理确定断续节理岩体强度参数ｍ，ｓ的定量分析法。     

含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理模型强度参数研究

岩体经历的成岩和构造改造等作用通常使其优势节理组发育,使得工程岩体呈现各向异性特征。本文首先说明当大尺度工程岩体含断续节理组时,岩桥对各向异性强度特征的影响突出。进而指出在采用遍布节理模型描述含优势随机节理的岩体各向异性时,模型中结构面参数为贯通节理的参数,不能直接采用现场断续节理的测试结果,需要进行大尺度岩体各向异性参数等效。然后,提出基于连续方法FLAC3D遍布节理的参数变化吻合非连续方法3DEC揭示的宏观岩体各向异性特征的途径,完成由连续方法间接描述非连续节理岩体各向异性力学行为的等效过程。研究表明,在无法应用解析法估算含随机断续节理岩体宏观参数时,数值试验成为了更有效的途径。采用遍布节理模型描述断续节理岩体各向异性强度特征时,节理强度参数值受断续节理与岩桥的综合影响,等效节理参数高于节理真实参数。此外,在进行等效连续过程中,为保证等效贯通节理导致的岩体强度凹陷与断续节理作用的方向一致,遍布节理模型中节理走向取值应与断续节理走向呈( － )/2夹角。     

Strength and failure modes of rock mass models with non-persistent joints

Most problems faced by the practicing rock engineer involve the evaluation of rock mass strength and deformability. The theoretical evaluation of the mechanical properties of fractured rock masses has no satisfactory answer because of the great number of variables involved. One of these variables, the influence of which over rock mass behavior is poorly documented, is the degree of fracture persistence. This paper presents the results of biaxial tests performed on physical models of rock with non-persistent joints. The failure modes and maximum strengths developed were found to depend on, among other variables, the geometry of the joint systems, the orientation of the principal stresses, and the ratio between intermediate stress and intact material compressive strength (σ₂/σ_c). Tests showed three basic failure modes: failure through a planar surface, stepped failure, and failure by rotation of new blocks. Planar failure and stepped failure are associated with high strength behavior, and small failure strains, whereas rotational failure is associated with a very low strength, ductile behavior, and large deformation.     

Numerical simulation of a jointed rock block mechanical behavior adjacent to an underground excavation and comparison with physical model test results

Mechanical behavior of a jointed rock mass with non-persistent joints located adjacent to a free surface on the wall of an excavation was simulated under without and with support stress on the free surface using approximately 0.5 m cubical synthetic jointed rock blocks having 9 non-persistent joints of length 0.5 m, width 0.1 m and a certain orientation arranged in an en echelon and a symmetrical pattern using PFC^3D software package. The joint orientation was changed from one block to another to study the effect of joint orientation on strength, deformability and failure modes of the jointed blocks. First the micro-mechanical parameters of the PFC^3D model were calibrated using the macro mechanical properties of the synthetic intact standard cylindrical specimens and macro mechanical properties of a limited number of physical experiments performed on synthetic jointed rock blocks of approximately 0.5 m cubes. Under no support stress, the synthetic jointed rock blocks exhibited the same three failure modes: (a) intact rock failure, (b) step-path failure and (c) planar failure under both physical experiments and numerical simulations for different orientations. The jointed blocks which failed under intact rock failure mode and planar or step-path failure mode produced high and low jointed block strengths, respectively. Three phases of convergence of free surface were discovered. The joint orientation and support stress played important roles on convergence magnitude. The average increment of jointed block strength turned out to be about 10, 7.9 and 6.6 times the support stress when support stresses of 0.06 MPa, 0.20 MPa and 0.40 MPa were applied, respectively. The modeling results offer some guideline in support design for underground excavations.     

基于组合模型法的贯通节理岩体动态损伤本构模型

针对贯通节理岩体动态变形特点并结合已有岩石动态本构模型的相关研究成果,将贯通节理岩体变形过程中的动态应力视为贯通节理岩体静态应力分量与相应动态应力分量的叠加。其中贯通节理岩体静态应力分量采用考虑岩石细观损伤的非线性元件、节理面闭合及剪切变形元件等3个基本元件的串联来模拟,动态应力分量采用黏性元件来模拟,从而建立了贯通节理岩体动态单轴压缩损伤本构模型。其次,根据贯通节理岩体在单轴压缩荷载下往往会沿节理面发生剪切破坏的特点,在前述已建立的损伤本构模型中引人节理剪切破坏准则对该模型进行修正,从而更好地考虑了节理剪切强度对该模型的影响,最终建立了考虑节理剪切强度的贯通节理岩体单轴压缩损伤本构模型。最后利用该模型对贯通节理岩体在压缩荷载作用下的力学特性进行了分析计算,重点讨论了节理倾角对岩体单轴动态压缩峰值强度的影响规律。研究结果表明随着节理倾角的变化,节理岩体将发生岩块张拉或剪切破坏、沿节理面的剪切破坏及上述两种破坏模式的复合破坏,相应地节理岩体的单轴压缩动态峰值强度也随之有较大变化。     

单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究

 柱状节理岩体作为一种典型的结构岩体,由于柱状节理构造的存在,其变形和强度表现出显著的各向异性特性。为研究柱状节理岩体的力学各向异性,采用模型试验方法,以石膏、水泥和水的混合物为模型材料,制作具有不同柱体倾角(? = 0°～90°)的圆柱形柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同柱体倾角?下的变形模量和单轴抗压强度。在此基础上绘制出变形和强度随柱体倾角变化的各向异性曲线,分析柱状节理岩体变形和强度的各向异性特性：柱状节理岩体变形和强度各向异性曲线都呈现近似“U”型,单轴抗压强度在? = 30°时取得最小值,在? = 90°时取得最大值,强度各向异性比达到1.5,表现出较显著的各向异性;变形模量在? = 30°～60°范围内取得较小值,侧向应变比大于0.5。同时,根据试验结果,总结柱状节理岩体在单轴压缩应力条件下的4种典型破坏模式,并对其破坏机制进行分析。     

砂粒充填大理岩节理剪切强度试验研究

节理充填对节理力学性质具有重要影响,为研究砂粒充填对节理抗剪强度的影响,利用GCTS(RDS-200型)岩石剪切系统对4种粒径砂粒充填的粉晶大理岩节理进行了直剪试验。结果表明:未充填节理剪切应力-位移全程曲线可分为压缩阶段、弹性阶段、屈服阶段、软化阶段和残余阶段,而充填节理剪切应力-位移全程曲线则仅有压缩阶段和硬化阶段,表现出松砂剪切曲线特征;相同法向应力下,4种粒径砂粒充填节理峰值剪切应力明显降低。多层铺设3种较细粒径砂粒的充填对节理粘聚力和内摩擦角的影响基本相同,粘聚力和内摩擦角均降低,且粘聚力降低更为明显;单层铺设的最大粒径砂粒使节理的粘聚力降低,内摩擦角增加。研究结论对理解充填节理岩体稳定性具有一定帮助。     

单轴压缩分级松弛作用下煤样变形与强度特征分析

 利用RMT–150B岩石力学系统对煤样进行单轴压缩分级松弛试验,分析煤样常规单轴压缩与单轴分级松弛条件下煤样的变形、强度和破坏的时效特征。结果表明：2种加载方式下煤样峰值前的应力–应变曲线宏观没有明显区别,仍然表现出压密、弹性、屈服和破坏阶段;单轴压缩分级松弛试验的应力–应变曲线,在松弛期间出现局部应力跌落特征;常规单轴压缩得到的力学参数明显高于分级松弛试验值,表现出煤样的力学参数具有时效特征;当松弛应力比低于70%时,应力松弛特征不明显,当松弛应力比高于70%时,煤样内部强度较高材料积蓄的能量能够使低强度材料逐步损伤破坏,高强度材料将承载更高应力也逐渐趋于破坏,松弛应力比越高,持续破坏时间越短,反之则持续破坏时间越长;常规单轴压缩破坏具有明显张剪性破裂面,分级松弛试验时煤样破坏裂纹沿加载方向扩展后碎裂成许多相对较薄片状和片状碎屑,表现出明显的侧向膨胀特征。     

节理产状对岩石单轴抗压强度的影响研究

运用岩石破坏过程分析RFPA^2D系统,采用控制变量法,分别研究了节理不同位置、方向和迹长对于岩石试件单轴抗压强度的影响。结果表明:试件节理位置对应值(裂纹尖端到受压面的距离)与抗压强度值有近似的线性关系;岩石试件中所含节理倾角不同时,试件的破坏模式不同,随着倾角的增大,试件的强度先降低随后增大;随着节理迹长与试件直径比值的增大,试件强度随之减小。数值模拟结果同物理试验结果相吻合,研究结果对于深入揭示断续节理岩石在单轴压缩下损伤破坏机制具有重要参考价值。     

应力波反复作用下断续节理岩体疲劳破坏试验研究

试验研究了反复应力波作用下断续节理岩体的疲劳破坏过程和特征,讨论了节理充填性质、节理倾角、侧向静压等因素对岩体动态疲劳破坏的影响。结果表明:疲劳损伤累积过程受节理倾角与应力波传播方向影响,两者夹角越大损伤破坏越不均匀,但强度降低率小;充填介质能在一定程度上削弱应力波的损伤作用,减缓损伤累积进程;损伤累积过程在一定程度上受控于侧压,随着侧压增大损伤累积速率和强度降低速率减缓。     

Numerical study on failure mechanism of tunnel in jointed rock mass

During underground excavation many surrounding rock failures have close relationship with joints. The stability study on tunnel in jointed rock mass is of importance to rock engineering, especially tunneling and underground space development. In this paper, a numerical code called RFPA was used to study the influence of different dip angle of layered joints and the lateral pressure coefficient on the stability of tunnel in jointed rock mass. Numerical analysis indicated that both the dip angle of joints and the lateral pressure coefficient have significant impacts on the failure mode and displacement characters of tunnel. The progressive failure processes of tunnel in jointed rock mass were presented and the mechanisms were discussed. The applicable condition of geographical method by Goodman is also discussed. These results offer a guideline in support design.