充填节理岩石累积损伤动力压缩特性试验研究

充填节理的动态力学特性及其对应力波传播规律的影响是岩体工程响应和安全性评价的重要依据。由于现有对充填节理岩石累积损伤及动力强度弱化特性研究较少,研究对人工充填节理岩石试样展开了系列试验,分析了岩样累积冲击作用下的损伤演化规律及其对动态力学性能的影响。首先,利用简易落锤冲击装置对岩样进行多次预冲击试验,通过波速变化分析了充填节理岩样的累积损伤变化规律。在此基础上,对不同次数预冲击作用后的充填节理岩石试样进行了SHPB动态冲击破坏试验。通过试验结果,分别从岩样的强度变形特征、波传播特性以及能量耗散等方面分析了累积预冲击作用对充填节理岩石动态力学性能的影响。     

冲击荷载下节理数对类岩石动力学特性的影响

用水泥砂浆材料模拟岩样并人工形成节理裂隙,以研究冲击荷载作用下节理数目对层状岩石动态力学特性的影响。借助分离式霍普金森压杆装置,研究完整岩石和含1~3条节理试件在相似冲击速度下的能量传递规律、强度特征及破坏形态。试验结果表明,相同入射能条件下,随着节理数从1条增加到3条,试件中的反射波形由近似的"V"形变成"U"形,透射波的幅值则逐步衰减;试件整体随着节理面的增多破坏更加严重,呈多块状;节理岩石动态承载力与节理组数呈负相关性。研究结果为地下工程多节理裂隙软岩的动力特性分析及不稳定围岩的开挖支护研究提供参考。     

微生物诱导碳酸钙沉积胶结岩石节理的抗剪强度特性试验研究

微生物诱导碳酸钙沉积技术是一项新型的岩土加固技术,在土体加固领域已广泛应用,但是在岩体加固工程中应用还不多见。为此,以单一岩石节理为研究对象,利用类岩石模型材料制备模拟岩石节理试件,分别采用MICP方法和水泥浆对其进行加固,并通过室内直剪试验研究其抗剪强度特性,试验结果表明:(1) MICP胶结岩石节理试件峰值抗剪强度随试件养护时间呈增长趋势,但早期强度发展快,后期强度发展相对较慢;(2)与未胶结模拟岩石节理试件相比,MICP胶结岩石节理试件峰值抗剪强度增长较为显著,最大增幅可达15.3%,而与纯水泥浆胶结试件相比,MICP胶结岩石节理试件峰值抗剪强度最大增幅可达22.15%;(3)由于碳酸钙胶结层的影响,模拟岩石节理试件的剪切破坏始于节理岩壁﹣胶结层界面的剪切破坏,然后在法向应力和剪切应力综合作用下最终形成胶结层被挤压压碎、节理岩壁粗糙凸起体被剪断磨平的典型破坏特征。     

层理角度对天然岩石材料动态断裂行为的影响研究

为了探究不同层理角度下岩石材料的动态断裂行为，利用分离式霍普金森压杆冲击加载系统，对3种直切槽半圆岩石试件开展30°，45°，60°，75°和90°层理角度梯度内的动态断裂冲击试验，研究3种岩石试件在不同层理角度条件下的应力波及能量传播规律、应力响应特征和动态断裂韧性。并结合DLSM数值模拟软件进行辅助分析，证明其模拟方法能够较好地应用于岩石动态断裂行为的研究，通过应力波传播图像和裂纹尖端应力场图像分析试件应力波的传递规律，解释动态断裂韧性随层理角度改变的机制。结合模型的动能和破坏曲线总结不同层理角度下岩石的破坏特征。结果表明：层理角度改变会影响层理面对应力波的有效反射面积，从而影响反射波和透射波的传递规律，造成各部分能量比值的变化。3种岩石具有不同的破坏特征，但其动态断裂韧性均受到层理角度的影响，在小层理角度时更容易发生预裂和张拉破坏，导致试件强度降低。模拟得到的应力波传播图像解释了不同层理角度应力波的透反射规律，而裂纹尖端应力场图像则反映了动态断裂韧性与试件内部是否发生提前破坏有关。随着层理角度的增大，试件断裂消耗的动能越大，其破坏更具有均匀性。     

高应变率下预制单节理岩石SHPB劈裂试验能量耗散分析

应用SHPB试验装置研究预制单节理岩石的能量耗散关系。使用SHPB试验系统,对高径比为0.5的完整花岗岩试样及预制单节理花岗岩试样进行高应变率下的冲击劈裂试验。在相同驱动气压下,改变加载方向与节理间的夹角,完成高应变率相同入射能下的冲击劈裂试验。对SHPB系统中的入射能、反射能、透射能及试样吸收能的时程变化规律进行了分析;从能量角度出发,分析冲击荷载作用下单节理岩石的能量耗散规律及其各向异性特征。结果表明:高应变率下,完整花岗岩试样在冲击劈裂试验中的吸收能随平均应变率增加而增加,表现出显著的应变率相关性;预制单节理岩石与加载方向之间夹角对破坏模式的影响明显,节理试样产生3种破坏模式:(1)穿越节理面的劈裂破坏;(2)沿节理岩石层面的滑移破坏;(3)劈裂与滑移破坏共同作用下的破坏。在入射能基本相同,入射时间较长时节理岩石试样吸收能较入射时间较短时的吸收能大。动态劈裂试验中,节理试样的吸收能随节理角度变化(0°~90°)近似呈U型。研究成果可为节理岩石动态力学性能研究提供参考。     

DDA子块体开裂模拟算法的优化与验证

非连续变形分析(DDA)是计算离散可变形块体系统力学响应的数值计算方法,其在连续岩体开裂破坏模拟中的应用也已得到研究。在以往的预离散子块体DDA开裂模拟方法中,通过采用虚拟节理对子块体进行粘结以模拟连续体的变形,进而根据虚拟节理面上的块间接触力判断沿预设节理面的拉伸或剪切破坏。该算法能够较好的模拟岩体的开裂路径和破坏形态,但受预设虚拟节理面方向对块间接触力大小的影响,由此得到的岩石开裂强度与实际之间可能产生较大差异。本研究不再根据块间接触力进行开裂判断,而改进为根据邻近子块体的应力状态进行开裂判断,并仍假定裂纹沿虚拟节理面产生。用新的DDA程序对压缩载荷作用下圆盘试件的拉伸开裂破坏和方形试件的剪切开裂破坏进行了模拟。算例表明,改进后的开裂算法具有高的开裂计算准确性,并大大减小了预设虚拟节理分布对开裂破坏强度及破坏路径模拟结果的影响。     

含节理大理岩变形和强度特性的试验研究

 锦屏二级水电站处于高地应力区域,引水隧洞开挖后岩体变形和稳定问题十分突出。从辅助洞取样制备含节理试件,采用MTS815.03岩石三轴试验机,开展了含天然节理大理岩试件的常规三轴压缩试验。试验中,节理面与最大主应力夹角θ为29.3°～56.0°,围压为5～40 MPa。通过试验结果分析,主要得到如下结论：(1) 试件共有两类破坏形式：穿切节理面破坏和沿节理面滑移。试件破坏形式主要取决于节理面与最大主应力夹角大小。在试验围压范围内,围压高低对试件破坏形式没有影响。(2) 试件变形特征取决于节理面与最大主应力夹角的大小,并受围压高低影响。(3) 试件轴向变形曲线均具有较好的线性段,但其轴向等效弹性模量均显著低于完整岩石弹性模量。(4) 试件强度首先取决于θ的大小,θ＞40.0°的试件破坏强度与完整岩石相当;θ＜40.0°的试件破坏强度较完整岩石有显著降低,不同节理强度差异是导致不同试件破坏强度差异的主要原因。     

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。     

高温条件下砂岩动态力学特性试验研究

为研究实时高温作用对岩石动态力学性能的影响,利用φ50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置及高温环境箱,对砂岩试件进行了常温(25 ℃)、100 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和1 000 ℃7个温度等级的冲击压缩试验,得到了不同温度砂岩试件的动态应力、应变、弹性模量和应变率等,分析了温度变化对砂岩动态力学性能和破坏形态的影响规律。试验结果表明:高温条件下砂岩试件的动态力学性能比其常温状态下发生了显著变化。随着作用温度的升高,砂岩试件的动态抗压强度表现为先增大后减小,峰值应变呈线性增加,弹性模量整体呈二次抛物线下降,平均应变率呈二次抛物线增加;试件受冲击破碎程度随作用温度的升高表现为先减少再逐渐增大的趋势,其动态破坏特征也反映了砂岩试件的强度特征。     

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。     

充填柱状节理类岩石材料的试验研究

 考虑不同高径比及充填节理特征等对岩石强度变形特性等的影响,在实验室中进行相似材料的模型试验研究。分别对完整试件,“十”节理试件和“井”节理试件进行单轴压缩和剪切试验,得到如下结论：(1) 在压缩和剪切试验中,3组试件都表现出X状共轭斜面和单斜面剪切破坏,其破坏迹线总趋势相似;(2) 完整试件受尺寸效应影响明显,节理试件受结构弱化影响显著,并且受充填物影响,节理密度与强度之间的比例关系不突出;(3) 在2种节理试件中,弹性模量E和黏聚力c无明显变化,但内摩擦角受充填节理的影响较明显。     

薄层充填岩石节理剪胀特性试验研究

岩石节理剪胀特性是影响节理渗流的重要因素,主要受节理表面粗糙性和法向应力的影响。而对于充填岩石节理而言,其剪胀特性还受到充填介质的影响。为了研究薄层充填岩石节理的剪胀特性,首先制备了3组具有Barton标准剖面线形貌特征、充填度△=0.00,0.25,0.50,0.75及1.00的薄层充填模拟岩石节理试件,然后在低、中、高三级法向应力下进行直剪试验,得到了薄层充填岩石节理试件法向位移–剪切位移曲线及其破坏特征。结果表明:在低法向应力条件下,节理表面粗糙性和充填度共同影响薄层充填岩石节理试件的剪胀特性,而在中高法向应力条件下,节理表面粗糙性是影响其剪胀特性的关键因素;薄层充填岩石节理破坏特征包含充填介质的剪切挤碎和节理上下表面粗糙凸起体被剪断两种,且随着充填度的增加,充填介质剪切挤碎逐渐占主导地位,成为薄层充填岩石节理试件的主要破坏特征。在此基础上,考虑充填介质对节理表面粗糙度系数JRC的弱化作用,建立了薄层充填岩石节理峰值剪胀角随充填度呈指数变化的经验关系式,并通过直剪试验数据和已有文献数据对其适用性进行了初步分析。     

单轴压缩下基于全局应变场分析的岩石裂纹扩展及其损伤演化特性研究

 采用自主开发的图像分析软件结合数字图像相关技术对含预制单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的变形破坏特性进行试验研究。基于试件全局应变场角度从细观层次量化分析、总结裂纹起裂、扩展的规律及岩石变形损伤演化特征。并采用断裂分析软件FRANC2D/L对相似模型进行数值模拟,分析在加载全程不同阶段的裂纹扩展路径及其应力场分布特征。结合试验与数值研究结果,细致地探讨裂隙岩石的细观力学机制与宏观力学响应之间的内在联系,该研究有助于提升人们对节理岩体工程灾变机制的认识。     

高地应力作用下岩石和地下硐室的动态力学行为和响应

采用基于FEM和连续损伤力学的RFPA数值模拟软件,首先从实验室尺度出发,建立了模拟的SHPB(split Hoplinson pressure bar)数值模型,分析了不同初始地应力作用下岩石材料的动态力学特性。数值模拟结果表明,岩石的动态压缩强度随着埋深与初始水平地应力与垂直地应力比值K的增加而增加。随后,从岩石工程尺度,考虑岩体内的不连续节理面的影响。建立动荷载作用下节理岩体地下洞室数值模型,系统分析了柱面波和平面波在节理岩体内部的传播规律以及节理力学性质和空间分布对地下洞室动态响应的影响。研究表明,除节理面处透反射和岩体损伤破坏导致的波衰减外,柱面波存在额外的几何衰减。同时,节理的力学性质与空间分布直接决定了应力波在节理面处的透反射规律,从而进一步影响了地下硐室的破坏程度与硐室壁处PPV(Peak particle velocity)结果。     

岩石单节理面剪切与渗流特性的试验研究 与数值分析

 基于几组具有自然岩石节理表面特征的试件在高性能直接剪切–渗流装置上进行不同荷载边界条件下的剪切–渗流试验。利用新开发的渗流可视化系统对其中一组试验进行可视化研究。考虑节理面上的接触领域的非透水性,用有限元法对节理中的渗流进行数值模拟。试验和数值模拟的结果揭示了节理剪切过程中接触领域中透水系数及流路的一些变化规律,以及节理表面粗糙度对剪胀效应和流路分布特征的重要影响。     

岩石节理剪切渗流耦合试验及分析

节理岩体内渗流的发生主要是通过断裂节理网络产生,节理面的几何特性和受力特征决定和影响着节理裂隙的渗透性质,从而极大地影响着水下隧道及地下硐室中的渗流。应用自行研制开发的试验设备(岩石节理单一剪切-渗流试验机(SMT-E-4010)),在恒定法向荷载和恒定法向刚度的边界条件下,对不同接触状态下的岩石断裂节理试件分别进行一系列节理的剪切渗流耦合试验,研究剪切过程中力学性质、水力学性质的变化情况;同时,结合立方准则对试验数据进行分析讨论。试验结果表明:节理力学性质,水力开度和透过率在剪切过程中呈现出两阶段的变化性质。     

含节理岩石试件的卸荷变形特性研究

 开展含节理岩石试件在主应力差卸载路径下的变形特性试验,试验发现：(1) 恒定s3减小s1卸载主应力差过程中,完整岩石卸载变形曲线与加载变形曲线基本重合,但节理试件加卸载变形曲线表现出较大差异,且卸载后试件轴向和环向均出现较大残余应变;(2) 按照2种不同路径卸载主应力差时,含节理试件变形特征存在很大差异。为从理论上研究含节理试件变形特征并解释上述试验现象,建立节理加卸载本构模型,并提出确定模型参数的方法。研究表明：用节理面加载与卸载变形特征的差异,从理论和试验结果两方面能很好地解释含节理岩石试件加卸载变形特性的差异以及在不同卸荷应力路径下的变形差异。研究成果可以反映含单组节理岩体的加卸载变形特性。     

多功能岩石节理全剪切–渗流耦合试验系统研制与应用

为了更真实地揭示应力–渗流条件下岩石节理的(长期)力学、渗流特性规律及其破坏机制,自主研制一套岩石节理全剪切–渗流耦合试验系统。试验系统主要由主机及伺服加载系统、渗流剪切盒及其密封系统、渗流伺服控制系统、数据测量和采集系统组成。该试验系统的主要创新性如下:(1)自行设计并研制了独特的渗流剪切盒,解决了在3 MPa渗透压力下的节理剪切试验过程中,节理剪切位移达到节理试件长度的10%(20 mm)时节理上下剪切盒在运动过程中密封的关键技术难题;(2)解决了用位移信号反馈控制荷载的伺服控制中交叉控制的技术难题,实现了岩石节理剪切试验的常法向刚度控制方式,使得研制的岩石节理全剪切–渗流耦合试验系统能进行常法向荷载、常法向位移、常法向刚度3种法向边界控制方式的剪切试验;(3)设计并研制了可以测量大流量和微小流量的岩石节理渗流的流量测试系统,有效地解决了岩石节理渗流试验仪器大范围流量的测量难题;(4)开发了岩石节理全剪切–渗流耦合试验稳压及压差控制系统,解决了在节理试样的进水端和出水端渗透压力差的稳定和可控性问题;(5)设计并研制了可以进行准静态下试验的液压伺服加载系统和蠕变状态下试验的电机伺服加载系统,使得研制的岩石节理全剪切–渗流耦合试验系统既能进行准静态下也能进行蠕变状态下的相应试验。通过开展不同应力边界条件下的剪切–渗流耦合试验,验证了该系统的准确性和可靠性。试验系统为高渗透水压下的节理剪切–渗流耦合性质的基础研究提供了设备支撑,对促进我国节理力学和水力学特性基础前沿研究起到积极推动作用。     

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。     

反倾岩质边坡变形破坏的节理有限元模拟计算

岩质边坡的倾倒破坏是地质环境中广泛存在的现象,通过模拟手段对边坡的响应规律进行科学准确预测显得尤为重要。采用基于强度折减法的节理有限元法(JFEM-SSR)对反倾层状边坡的变形破坏机制进行研究,该方法可同时考虑岩块和节理属性,并能充分体现岩层或岩块接触作用的非线性关系,在获得边坡应力、位移及塑性区的同时可以到边坡的稳定系数。首先,采用JFEM对R. E. Goodman和J. W. Bray提供的一个倾倒破坏的算例进行了模拟计算,证实该法应用于节理岩石边坡稳定性分析的合理性;然后,基于该方法,采用节理网络模型建立广乐高速公路一桥墩承台开挖边坡的地质模型,对其变形破坏机制及稳定性影响因素进行研究,重点探讨地下水渗流作用、地震作用、岩层倾角、岩面厚度对边坡变形破坏的影响,以便为工程决策提供依据。