不同剪切速率下软弱结构面抗剪特性分析

为分析不同法向应力与剪切速率情况下软弱结构面的剪切行为,通过数值计算软件建立含软弱夹层的锯齿形软弱结构面模型,模拟不同加载条件下的结构面直剪试验,探讨其抗剪过程中峰值前后的应力应变关系,建立抗剪强度τ与法向荷载σn以及剪切加载速率ν的关系式。结果表明:在相同正应力情况下,随着剪切加载速率的增大,峰值位移呈线性增大趋势;加载速率的变化对峰值后的应变软化阶段有明显的影响,随着加载速率的增大,应变软化阶段应力下降速率先增大后减小,并且剪切速率在0.25mm/step的时候达到最大值。随着加载速率的增大,抗剪峰值强度τ1呈线性增大趋势,残余强度τ2呈线性减小趋势。τ2/τ1呈近乎线性减小趋势,变化范围在0.95～0.3;得到软弱结构面抗剪强度与法向荷载以及剪切速率的关系式:τ=m+νtanβ+τntanθ+nνσ_n+lν~2σ_n。     

强度差异对两介质接触面抗剪性能的影响

从两介质强度差异入手,通过构建不同强度比的两介质试件,进行不同法向力下的直剪试验,探讨了两介质强度性质差异对粗糙界面剪切性能的影响,并对其作用机制进行了分析;同时根据理论分析及试验结果完善了抗剪强度公式,将提出的抗剪强度公式与其他研究人员试验获得的剪切试验结果作了对比,证实了该剪切强度公式的正确性。     

类岩体结构面峰值剪切强度尺寸效应分析

由于岩石力学试验不可重复性的缺点,在室内开展岩体结构面峰值剪切强度尺寸效应试验存在很大的困难。鉴于此,采用三维扫描技术获取结构面形貌数据,而后应用3D打印技术制作结构面模具,在此基础上,浇注一批大小不同的结构面试件,经养护后进行了4级法向力下的直剪试验。最后,应用PFC2D软件进一步开展了结构面剪切强度尺寸效应数值试验。结果表明:(1)三维扫描和3D打印技术是实现室内结构面剪切强度尺寸效应试验的有效方法;(2)随着结构面尺寸增大,其峰值剪切强度先增大而后减小,亦即结构面峰值剪切强度既存在正尺寸效应,也存在负尺寸效应;(3)3个不同类型的Barton标准剖面线的直剪数值试验表明,结构面粗糙类型不同,其尺寸效应特征有所区别,亦即结构面峰值剪切强度尺寸效应特征与其粗糙程度有关。     

加锚异性结构面剪切破坏及声发射特征研究

自然界中广泛存在着两侧岩性不同的结构面,工程中常用锚杆抑制结构面的滑动。为了研究加锚异性结构面的直剪特性,开展了室内直剪试验,结合声发射监测结果,探讨了加锚异性结构面的抗剪强度、破坏类型及裂隙演化规律。研究结果表明:随着加锚异性结构面弱侧壁岩强度增加,抗剪强度呈非线性增加趋势,结构面加锚时的抗剪强度相比未加锚时依次提高了200%、267%、303%,破坏类型依次为剪切、拉剪、劈裂,且主裂纹方向与剪切方向基本一致;加锚异性结构面剪切—位移曲线分为压密、弹性、屈服、破坏4个阶段,压密阶段锚固剂出现挤压破坏,弹性阶段岩体与锚杆挤压处出现裂隙,屈服阶段锚杆承担主要抗剪力且发生了变形,破坏阶段岩样被剪碎;当结构面弱侧壁岩强度较低时,声发射事件集中在弹性阶段,当其壁岩强度较高时,声发射事件集中在屈服阶段;随着结构面弱侧壁岩强度增加,当λ<1时岩样产生大尺度剪切裂隙,当λ≥1时岩样产生小尺度剪切裂隙。     

含瓦斯煤剪切破裂过程细观演化

运用自主研发的煤岩细观剪切实验装置,开展了不同成型压力条件下含瓦斯煤剪切破裂过程研究。研究含瓦斯煤剪切破裂过程中微细观裂纹的开裂、扩展、贯通演化规律,对比分析成型压力对含瓦斯煤抗剪强度及剪切破裂最终形态的影响。研究发现:随成型压力增加含瓦斯煤密实度增大,抗剪强度增大;剪切破裂过程裂纹扩展速率与开裂位置偏离预定剪切面距离有关,预定剪切面上剪应力大扩展速率快,偏离预定剪切面扩展裂纹受力减小,扩展速率低,甚至会终止扩展而不能贯通;裂纹扩展形态与成型压力有关,成型压力小,密实度低,抗剪强度低,裂纹容易扩展,剪切带范围小,成型压力大,密实度高,抗剪强度高,裂纹不容易扩展,剪切带范围大;含瓦斯煤剪切破裂过程左侧固定右侧受剪切荷载作用,容易形成雁行排列,为实现最终贯通,破坏雁行排列之间会有张拉牵引裂纹产生。     

高应力作用下砂-钢界面抗剪强度的试验研究

通过在DRS— 1型微机高压直残剪试验系统上所进行的直接剪切试验研究表明 :高应力作用下砂-砂、砂 -钢的抗剪峰值强度与正应力、残余强度与正应力之间的关系 ,符合库伦强度准则 ;高应力作用下砂 -砂的剪切特性呈现出硬化现象 ,砂 -钢的剪切特性随法向应力的大小呈现出软化或硬化现象。基底对砂土的抗剪峰值强度准则影响稍小 ,但对抗剪残余强度准则影响稍大 ,界面峰值抗剪强度准则的选择与法向应力的大小有关 ,法向应力较低时剪切破坏发生在界面上 ,法向应力较高时剪切破坏发生在砂土中。     

原状黄土节理抗剪强度试验研究

黄土节理的剪切强度特性对于含节理黄土工程的稳定性有重要影响,为此在大量野外调研的基础上,采集典型黄土节理土样,首先对不同节理表面形态进行分类以制备试样,然后采用室内直剪试验研究了含水量对黄土节理剪切强度参数的影响规律,并与室内大型直剪试验对比,研究尺寸效应对剪切强度的影响,最后依据试验结果研究了节理剪切应力-位移规律。研究表明:黄土节理的抗剪强度关系符合摩尔-库伦准则,且黏聚力可忽略不计;随含水量的增加,黄土节理峰值内摩擦角最初的变化幅度较小,当大于某个含水量值时,峰值内摩擦角减小幅度变大,其变化规律可用指数形式进行描述;试样尺寸主要影响节理面起伏度对剪切强度的贡献,尺寸越大,其剪切强度也越大;其剪切应力-位移曲线属非线性屈服剪切型曲线,并构建了本构模型,对初始剪切刚度研究发现其随含水量增加减小,随正应力增加呈线性增加。     

饱和水弱胶结砂岩剪切断裂面形貌特征及破坏机理

剪切破坏断面是弱胶结砂岩在破坏过程中断裂后所形成相匹配的表面,断面形貌特征根据受力方式和饱水条件的不同形成差异显著。利用3D激光扫描对剪切破坏断面进行精确测量,结合地理信息系统(GIS)技术对不同受力方式和饱水条件下的破坏断面形貌进行三维可视化处理和定量分析,并采用扫描电镜从细观角度对产生的断面形貌特征差异及其破坏机理进行研究。试验结果表明:随夹具角度的增加,破裂面法向力降低,法向力的减小是导致破裂面扰动较大以及剪切断裂面粗糙度和起伏度增加的主要原因之一;通过饱水岩样细观结构的分析发现,弱胶结砂岩骨架颗粒自身吸水膨胀软化,骨架颗粒之间的黏连性变差,胶结程度降低,直接导致试件抗剪强度降低,同时,水对剪切破坏面扰动影响也降低,致使在相同受力条件下饱水试件断裂面粗糙度和起伏度相对较小;胶结物质的遇水软化的特性是决定弱胶结砂岩剪切破坏断面形貌的关键因素,为进一步研究弱胶结砂岩损伤演化过程及破坏机理提供可靠的试验依据。     

剪切荷载条件下岩石细观破坏及声发射特性研究

采用煤岩细观剪切实验装置及PCI-2型声发射系统,开展了砂岩在不同剪切速率条件下的细观破坏与声发射特性试验,探讨岩石在剪切破坏过程中的破坏形式与声发射之间的关系。试验结果表明:在剪切荷载作用下,砂岩试件在不同加载速率条件下破坏过程中剪应力随时间变化趋势一致,随着加载速率增大,砂岩的剪切变形减小,抗剪强度降低;声发射活动伴随着整个剪切过程,剪应力峰值前声发射信号很少,剪应力峰值后声发射信号剧增,砂岩表面与内部裂纹萌生扩展几乎同步发生;加载速率为0.002 mm/min的砂岩试件累计Hit数最高,砂岩内累计损伤最多;砂岩试件在发生断裂破坏的短时间内经过内裂纹贯通形成主裂面、微凸体摩擦断裂形成最终破坏面两个过程,其中微凸体摩擦断裂所需剪应力低于使试件形成贯通主裂面所需剪应力。     

大型堆积体原位直剪试验研究及三维稳定性分析

通过对一大型堆积体边坡进行原位直剪试验,发现剪切过程中部分位于剪切面上的超粒径颗粒被剪断或棱角处发生破碎,造成剪切位移有“跳跃”和剪切力突变现象;由于含石量的不同,堆积体内部剪切面起伏差大于基-覆界面剪切面起伏差;在堆积体内部直剪试验曲线中,剪应力达到最大值后进入塑性屈服阶段,基-覆界面处直剪试验曲线在达到峰值之后有一定的应力降,表现出一定的应变软化特性;基-覆界面的抗剪强度明显低于堆积体内部的抗剪强度。在对堆积体抗剪强度参数研究的基础上,考虑堆积体边坡的三维空间效应,采用有限差分强度折减法对其在自然状态、正常蓄水位、正常蓄水位+地震等工况下进行了三维稳定性分析评价,并得到了不同工况下堆积体边坡潜在三维滑体的空间轮廓。     

不同堆置状态粗粒土剪切强度试验研究

为研究不同堆置条件下排土场粗粒土的力学响应规律, 开展了终排土体固结排水三轴压缩试验和在排土体快剪试验。研究结果表明, 土体固结排水三轴压缩应力-应变曲线呈现先弹性后屈服再弱硬化的规律, 体积-应变曲线有拐点, 低围压时先剪缩后剪胀, 高围压时以剪缩为主。在排土体快剪试验具有峰值强度, 100~400 kPa时, 峰值强度出现在剪切位移20%~30%之间, 且剪应力-位移曲线呈弱化趋势; 600~1 200 kPa时, 峰值强度出现在剪切位移30%~40%, 随剪切位移增加, 土体抗剪强度基本保持恒定或略有增大。不同堆置状态排土体抗剪强度参数取值各不相同。     

原位剪切试验在工程滑坡勘察中的应用

岩土体的抗剪强度指标，尤其是作为薄弱层的岩体结构面的抗剪强度，在滑坡稳定分析中起着至关重要的作用。现场原位剪切试验，试样受扰动小，试验状态与岩土体所处真实状态较为吻合，得到的参数也更加真实，是滑坡勘察原位测试的重要手段之一。适用于测定边坡的岩土结构面、岩土接触面、滑动面以及含碎石黏土的混合土层和其他粗颗粒土层的抗剪强度。重庆华宇·观澜华府项目工程滑坡勘察，在现场做原位剪切试验的同时，采集原状样品进行室内直剪试验，获取2种不同试验下的抗剪强度参数，分别取用2种参数对不同工况下的滑坡体进行稳定性分析计算，并与滑坡体的实际变形特征进行比较，从而验证了原位剪切试验确定岩土体抗剪强度参数的合理性，可为类似工程提供参考和借鉴。     

结构面抗剪试验及强度参数影响因素分析

结构面抗剪强度参数是岩体工程稳定性分析和设计的重要参数之一。选取煤岩和砂岩两种岩性的软弱结构面进行剪切试验,采用最小二乘法、点群中心法和可靠度分析法对试验结果进行了对比分析;并考虑结构面倾角θ对试验结果的影响,推导出抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ的修正公式。研究表明,当试验结果相关性较好时利用最小二乘法确定c和φ最为方便快捷,当试验数据离散程度较高时,可靠度分析法处理精度较高;结构面倾角θ会使实验得到的粘聚力c和内摩擦角φ比真实值偏小,倾角越大,偏离越大。当加工的试件存在结构面倾角θ时,应尽量使试件处于下坡受剪状态。     

酸化学腐蚀下灰岩剪切强度特性试验研究

本文以取自安徽太平前常铜铁矿的灰岩为研究对象,用不同pH的弱酸溶液对其进行浸泡,研究该岩石试件在弱酸腐蚀作用下的剪切强度特性,揭示了灰岩在直剪破坏过程中剪应力-位移曲线各个阶段的特征与不同应力条件下岩石剪切强度特性的差异。研究表明:相同pH溶液中浸泡相同时长的灰岩试件,随着法向应力σ的增加,其抗剪强度τ也随之增加;灰岩试件的抗剪强度随试件浸泡时间的增加、pH的减小,总体上呈现出衰减的趋势;因化学腐蚀引起灰岩的矿物成分甚至是岩石的内部结构的改变,是灰岩力学性质改变的根本原因,且浸泡溶液对试件的腐蚀作用具有时间效应,浸泡0～3 d时灰岩试件抗剪强度、内聚力C和内摩擦角φ值的衰减速率比浸泡3～6 d时灰岩试件抗剪强度、内聚力C和内摩擦角φ值的衰减速率大。     

胶结料浆梁拼板中不同弱面的抗剪性能试验研究

结合金川矿区深井开采复杂条件,选取典型区域进行现场取样。选择RYL-600微机控制岩石剪切流变仪,通过施加不同的正压力(围压)对4组梁拼板进行抗剪试验。试验结果表明:在抗剪联接条件下,高浓度砂浆梁拼板与分级尾砂膏体梁拼板的抗剪强度,都明显大于非抗剪联接条件下对应料浆梁拼板的抗剪强度。无抗剪联接条件下,分级尾砂膏体梁拼板试件的抗剪强度,大于高浓度砂浆梁拼板试件的抗剪强度。在抗剪联接条件下,2种料浆梁拼板试件的抗剪强度基本接近。研究表明在相邻充填进路间增加抗剪联接结构,可以改善进路充填体弱面之间的抗剪性能,进而提高充填体的整体稳定性。     

岩体结构面不同剪切方向的抗剪强度模拟试验研究

用混凝土模具模拟具有方向性的岩石节理面,并在剪切仪上沿不同方向进行剪切试验,测得一系列数据,通过回归分析,建立了节理面抗剪强度与剪切方向角之间的经验公式,总结出了具有方向性的岩石节理面抗剪强度随剪切方向角的变化规律。     

土-结构接触面剪切试验与应力-位移模型

为研究土-结构接触面的力学特性,进行了4个不同含水率的土-结构接触面改进直剪试验,并结合数学特征对接触面的应力-位移模型进行研究。试验结果表明：① 土-岩石接触面、土体内部的抗剪强度均随含水率的增大而减小,而土-砖接触面的抗剪强度随含水率增大基本上先增大后减小;② 土-岩石接触面的抗剪强度总小于土体内部抗剪强度;③ 土-砖接触面的抗剪强度与土体内部抗剪强度的大小关系随含水率增大而变化。提出了一个新的接触面应力-位移复合指数模型,新模型对硬化型和软化型曲线都适用,克服了传统模型的缺陷。对比分析表明,新模型拟合结果与实测数据吻合良好。     

节理裂隙边坡锚注加固抗剪切效应研究

通过对节理边坡锚注加固力学模型的理论推导, 得出锚注加固能够提高节理抗剪强度和抗剪刚度的结论。借助对各种状态节理的模拟剪切试验对比分析, 验证了理论推导的结果; 经过对节理剪切试验全程曲线的分析, 总结阐述了边坡锚注加固的抗剪切效应特性, 指出随锚杆与剪切面的夹角不同, 节理面抗剪强度的变化规律; 锚杆与注浆胶结体抗剪强度的同步发挥程度与锚杆配筋率有关, 从而为节理裂隙边坡锚注加固工法的推广, 提供了理论和实验依据。     

南芬露天铁矿边坡各类岩体抗剪强度的确定

岩体是非均质各向异性的地质体,它处于一定的应力状态,由被各种不连续面所分割的岩块组成。在进厅露天矿高大边坡破坏模式的分析时,当无不利的不连续面存在,破坏面可能是切穿岩体的面,这时,为计算边坡稳定性的需要,就要确定岩体的抗剪强度。岩体的抗剪强度是指切穿岩体的破坏面所具有的抗剪强度,它包含破坏面中迁就已有不连续面部分的强度和被剪断岩块部分的强度。由于破坏面的尺度很大,其中所迁就的不连续面和岩块剪断面所占比例难以搞清,以及岩体本身的复杂性很难用符合实际条件的精确试验方法和计算方法确定岩体的抗剪强度。通常采用的原位大型直接剪切试验只能在一定条件下才能进行,而滑坡反算法也只对相应部位局部的岩体强度作一粗略的估计,这两种方法在实际应用中都受到限制。     

含裂隙泥岩注浆前后力学特性试验研究

采用直剪试验研究注浆前后泥岩裂隙面的闭合和剪切力学性质。试验结果表明注浆加固后泥岩裂隙面的力学性质出现了明显变化:1)注浆后的法向变形量较之注浆前减小了49%~57%;2)注浆后,剪切变形曲线出现了明显的峰值剪切强度和残余剪切强度;3)注浆后剪切刚度变大。注浆前后力学性质变化的原因在于:注入的浆液固化结晶后充填了裂隙的气、液空间,使裂隙面的凸起点接触转变为面接触,浆液结石体与裂隙凸起共同传递应力和抵抗剪切,提高了裂隙的抗剪强度。