三轴蠕变试验中云母石英片岩蠕变参数的研究

 通过三轴蠕变试验得到云母石英片岩蠕变参数--弹性模量与黏滞系数的变化规律,弹性模量在屈服点前后的变化规律不同,对应不同应力水平的黏滞系数–时间关系有3种类型。采用电子显微镜对云母石英片岩三轴蠕变的3个阶段--未受力阶段、即将出现加速蠕变阶段和破坏阶段的径向切片、轴向切片进行观测,获得云母石英片岩中主要矿物在三轴蠕变过程的微观结构变化。根据云母石英片岩三轴蠕变过程的微观结构变化对蠕变参数的变化规律进行合理解释。研究表明,云母石英片岩三轴蠕变过程中蠕变参数的变化规律与其微观结构变化之间有良好的对应性,蠕变参数在宏观上的变化是其内部微观结构变化的外在表现。最后,建立能真实反映蠕变参数变化规律的函数形式,并以此为基础得出蠕变模型,可作为描述岩石加速蠕变阶段的途径之一。     

长期浸泡作用下石英片岩剪切特性研究

为研究十堰至巫溪高速公路绢云母石英片岩高边坡的岩体力学特性,开展了石英片岩的XRD衍射试验分析其矿物组成,通过薄片观察计算亲水矿物含量,开展经过长期浸泡后的结构面直剪试验研究其剪切强度变化,并探讨了亲水矿物含量及节理试样浸泡时间对结构面力学性质的影响.研究结果表明,片岩中绢云母、方解石等亲水矿物的含量直接影响了岩体强度...     

细观特征对片岩起裂应力与裂纹扩展各向异性的影响

压缩作用下,含片理面脆性片岩的渐进破坏表现出各向异性。为探讨片岩起裂应力与裂纹扩展各向异性特征及其与岩石细观因素的相关性,选取3类石英云母片岩样品,首先开展岩样的细观试验,并定量分析3类样品在微裂隙(孔隙)的细观特征方面的差异。试验发现样品中的云母矿物易定向聚集形成非均质层,微裂隙主要沿该矿物边缘定向展布,而在其他部位则表现出方向的不规则性。进而开展不同片理角α圆柱试样的单轴压缩试验,基于试样破坏形态与应力–应变曲线特征,通过断裂力学的理论分析,得出轴压斜交(α=30°)与垂直(α=90°)非均质层作用时,定向微裂隙与具有优势角的不规则微裂隙(孔隙)分别控制着岩石的起裂;云母矿物的边缘弱面是否对裂纹扩展具有导向、促进作用,与加载方向密切相关,由此造成不同片理角试样宏观剪切破坏形态的差异。应力、应变数据的统计分析结果与细观数据表明,试样的起裂应力及起裂应力水平表现出较好的规律性,这与岩石的非均质特征、微裂隙(孔隙)特征(分布、数量、尺寸、性质)等相关。     

绿泥石片岩工程地质特性的研究

通过对绿泥石片岩的研究,了解绿泥石片岩的矿物成分,对片岩进行不同受力方向的力学强度试验,得出绿泥石片岩具有较大的各向异性特点,饱和抗压强度的取值应综合垂直片理方向和自然受力方向值,而不是单方面的取值,从而为绿泥石片岩岩体强度能否提高提供了重要依据。对绿泥石片岩工程地质特性的研究,建议采用绿泥石饱和抗压强度设计取值原则,对绿泥石片岩强度能否提高的可能性进行了探讨。     

分级加载下薄层状岩石蠕变特性研究

为研究丹巴水电站薄层状岩石二云石英片岩的蠕变特性,在RLW–2000微机控制岩石三轴蠕变试验机上对试样进行加载方向分别为平行片理面(0)°、垂直片理面(90)°及与片理面成30°夹角3个方向的单轴蠕变试验。基于试验结果,研究不同加载方向的蠕变规律;分析片理面对二云石英片岩蠕变的影响。根据蠕变曲线的特征,采用改进的西原模型对二云石英片岩蠕变进行辨识,并根据试样的蠕变试验数据拟合出改进的西原模型参数,拟合结果与试验数据比较吻合。同时,试验结果还表明,3种加载方向的长期强度为对应单轴抗压强度的0.6～0.7倍,这些结论对今后丹巴水电站二云石英片岩的研究具有重要的指导意义。     

基于微观试验的云母石英片岩三轴蠕变机制研究

 首先,采用偏光显微镜镜下目测和能谱分析对云母石英片岩的矿物成分进行鉴定,将云母石英片岩主要组成划分为空隙、裂隙等缺陷,坚硬部分和软弱部分,总共3部分;坚硬部分为受力骨架,其他两部分充填于受力骨架中;白云母为软弱部分,石英为坚硬部分。然后,通过电子显微镜、偏光显微镜对云母石英片岩三轴蠕变的3个阶段,既未受力阶段、即将出现加速蠕变阶段和破坏阶段的径向切片、轴向切片进行观测,以了解在云母石英片岩三轴蠕变过程中3部分所产生的微观结构变化;根据观测结果将云母石英片岩微结构变化分为4种,即张开裂隙的闭合、软弱部分的位置调整、坚硬部分的位置调整和微破裂;同时总结出云母石英片岩中白云母和石英的微破裂形式。随后,经过分析云母石英片岩三轴蠕变过程的微观结构变化原因,对三轴蠕变机制进行解释,发现在不同的外加应力水平下,以及同一应力水平经过不同的加载时间,云母石英片岩内会产生4种微结构变化中的几种,因此分别表现出衰减蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段。最后,基于微观试验总结提出云母石英片岩三轴蠕变机制的3个特点。     

基于微观试验的云母石英片岩蠕变损伤变量研究

 通过三轴蠕变试验,获得云母石英片岩的三轴蠕变特性。采用电子显微镜、偏光显微镜对云母石英片岩三轴蠕变的未受力阶段、即将出现加速蠕变阶段和破坏阶段的径向、轴向切片进行观测,得到云母石英片岩三轴蠕变过程的微观结构变化。将微观结构变化产生的效应归结为损伤变量和空隙率的变化,应用统计损伤理论和简化力学模型,分别建立损伤变量、空隙率和宏观应力、应变的关系,推导出蠕变损伤变量。分析蠕变损伤变量在云母石英片岩蠕变全过程曲线中的变化规律,研究蠕变损伤变量与各蠕变阶段微结构变化的对应关系,从蠕变损伤的角度对蠕变破坏进行解释,并根据蠕变全过程曲线对蠕变损伤变量进行简化分解,以便于应用。     

石英云母片岩横观各向同性强度参数试验研究

通过劈裂试验对石英云母片岩的抗拉强度、变形模量、泊松比等各向异性参数开展研究,研发单个岩样测不同劈裂面与片理夹角下岩石抗拉强度的试验方法;根据单个岩样多次劈裂后岩样抗拉强度相对差值和方差值的大小,提出一种辨别砂岩均匀性好与差的方法。结果表明:岩样抗拉强度、拉伸弹性模量、泊松比和劈裂面与片理夹角?的变化规律如下:石英云母片岩抗拉强度随?的递增而呈线性递增规律;抗拉强度尺寸效应随?的递增而呈线性递减规律;抗拉强度各向异性程度随着岩样的高度增加而逐渐降低;当0°?50°时,拉伸模量随着?的增加而减小,而泊松比随着?的增加而增加;当50°?90°时,拉伸模量随着?的增加而增加,而泊松比随着?的增加而减小。对干燥、饱和两种状态的岩样进行了室内单、三轴试验,结果表明:石英云母片岩在在干燥及饱和状态下均属于低各向异性岩体;干燥及饱和两种状态下弹性模量、内摩擦角、黏聚力随围压的递增呈线性递增规律。     

石英云母片岩各向异性特征多尺度精细化描述

丹巴石英云母片岩片理面发育,具有典型的各向异性特征。此外,现场石英云母片岩中还普遍发育大小不一的石英脉,导致各向异性特征更加复杂。因此需要同时考虑片理面、石英脉和节理裂隙网络的影响。首先,在小尺度的室内试验中,对岩石薄片进行细观结构分析,并开展多组与片理不同夹角的加载试验,揭示石英云母片岩的变形模量和强度随片理角度的变化规律。以颗粒流方法 PFC(Particle Flow Code)为基础,采用光滑节理模型模拟片理面、颗粒体模拟岩石基质,从机制层面上实现片理面与岩石基质破坏过程的模拟,准确再现了室内试验结果。为了研究现场大尺度岩体的各向异性特征,利用三维数码摄像技术,现场采集并精细统计岩体结构尤其是石英脉的空间展布特征,并将该特征准确还原于数值模型中,开展不同尺寸、不同结构组成的各向异性特征研究,揭示变形参数和强度参数的变化规律,为工程岩体力学参数选取提供了重要依据。     

矿物成分及微观构造对塔木素黏土岩力学性质影响研究

岩石材料的宏观力学破坏形式取决于其矿物成分和细观结构。使用岩石伺服三轴压力试验系统,测定了塔木素地区黏土岩岩样的力学性质参数。采用X射线光谱分析,偏光镜显微实验测定了相应岩样的矿物成分。使用扫描电镜,观测了相应岩样的微观构造。分析了矿物成分和微观构造分别与力学性质参数的定性关系。对各组岩样的研究分析表明:石英、长石矿物是岩样脆性的主要来源,颗粒大小和颗粒均匀程度会对岩石的力学性质造成显著的影响,深灰色泥岩中石英胶结物的次生加大现象,使得深灰色泥岩的力学性能得到提高。在90℃范围内温度对岩石力学性质有一定减弱作用,并使得岩石向脆性破坏发展。塔木素黏土岩的力学性质随着埋深加深,岩石颜色逐渐由灰白色向深黑色发展,岩石微观结构愈发紧密,力学性质越好。     

高围压卸荷条件下横观各向同性岩体变形破坏与能量特征研究

 为揭示石英云母片岩变形及能量特征,针对平行片理和垂直片理方向的试件,基于MTS815岩石力学试验平台开展不同围压下的卸荷试验,分别从体积变形系数、能量比、能量变化率、能量应力增量比等方面系统研究高围压卸荷条件下石英云母片岩变形破坏特征及能量演化规律。结果表明：平行组试件径向变形发育能力及各特征应力量值均高于垂直组;其能量演化规律具有显著的围压效应,2组试件能量特性差异明显;与垂直组相比,平行组试件峰前、峰后应变能变化率较低且高围压下裂隙发育及塑性变形程度更高;提出能量应力增量比以表征试件能量变化对卸荷程度的敏感性,2组试件峰前能量应力增量比均随围压的增加而增加,但峰后弹性能应力增量比几乎不受初始围压的影响,垂直组峰前、峰后弹性能应力增量比和耗散能应力增量比量值均大于平行组。     

基于各向异性模型的引水隧洞围岩稳定性研究

以丹巴引水隧洞石英云母片岩为对象,研究了岩体各向异性特性及开挖卸荷作用对围岩稳定性影响。针对石英云母片岩横观各向同性特性,将Adina中Hill48各向异性模型转化为用Lankford系数描述的横观各向同性模型,从而用泊松比描述各向异性系数,并根据试验结果对模型进行修正,使计算结果更为准确。为考虑岩体各向异性特性下的高埋深高地应力隧洞开挖卸荷作用,提出了一种针对层状岩体变形参数的卸荷弱化方法,应用该方法可得到各自方向的卸荷参数,减少按参数折减法的人为主观性对结果的影响。建立地应力场中3个主应力方向与模型边界垂直模型,并利用在垂直边界施加与3个主应力等值面力的建模方法,极大简化了传统构造地应力场的工作量。将数值模拟结果与实际监测结果进行对比,得出塑性区、应力区与试验洞下游侧边墙位置的岩层鼓胀断裂现象有较好的吻合,说明计算模型的准确性。     

The effects of discontinuity surface roughness on the shear strength of weathered granite joints

Surface roughness is one of the most important parameters governing the shear strength of rock discontinuities. Roughness types may vary based on genesis, physico-mechanical, and mineralogical properties of rocks. In this study, granite samples representing three different weathering degrees were selected to evaluate the effects of surface roughness and weathering degree on shear strength. To this aim, we determined the profile roughness coefficient (PRC), profile roughness angle (PRA), and joint roughness coefficient (JRC) for the selected fresh and weathered granite joint samples. Values of PRC were in the range of about 1.043–1.073, and PRA and JRC varied in the ranges of 16.67–21.45 and 12–18, respectively. Weathering led to the increment of joint surface roughness of the selected granitic joints due to the higher resistance of quartz crystals in the weathered matrix. However, the increment in surface roughness did not result in an increase in the shear strength. On the contrary, the shear strength of discontinuities dramatically decreased.     

丹巴水电站石英云母片岩力学特性及岩体质量分类

按水电行业HC法将丹巴水电站片理状岩体质量分类定为IV类,围岩稳定性差。通过对丹巴石英云母片岩的宏细观力学特性试验,提出石英云母片岩的“似块状”岩体结构,对岩体质量分类进行合理修正。通过单轴压缩试验、不同围压下真三轴试验表明,高应力作用下片岩的各向异性不明显,并通过薄片的细观试验提出丹巴石英云母片岩并非“层状结构”岩体结构,而是“似块状”结构。在此基础上,对丹巴水电站引水隧洞岩体质量分类进行了修正,隧洞围岩以III类为主。最后,通过现场回弹测试、声波检测和变形分析表明,围岩自稳能力强,修正后的分类标准具有良好的适用性。因此,研究不同应力环境下特殊岩石的力学特征对于岩体质量分类具有重要意义,可为同类水电工程围岩分类提供借鉴。     

On the anisotropy of the athenian schist and its relation to weathering

The influence of schistosity on the strength of the “Athenian schist” when considering the anisotropy index as derived from point load testing, is examined. Furthermore, the influence of the degree of weathering upon the anisotropic characteristics of the schist is also investigated. Anisotropy index values are found to range between just below 1 and 3 approximately. Low anisotropy values correspond to rock in its very weathered state, higher values are related to less weathered material and there is also a trend for anisotropy to decrease towards sound rock conditions. Point load testing proved a reasonable means for assessing those rock characteristics associated with strength, anisotropy and weathering state, while slake durability testing showed considerable insensitivity towards the latter.     

Experimental relation between shear strength under low pressure and S-wave velocity of rock subjected to mechanical weathering

The reduction in the shear strength of rock exposed on slope surfaces due to mechanical weathering is a ubiquitous phenomenon in regions where extreme environmental conditions prevail, i.e., repeated changes in temperature and moisture. In dealing with the slope instability problems in such regions, the long-term effects of weathering on the strength, deformation and durability characteristics of exposed rock are envisaged in this study. Therefore, in addition to conducting multiple-cycle standard slake durability tests on rock samples taken from the lithologies of Pakistan and Japan, and on artificial soft rock, the decrease in strength and stiffness is also studied by reproducing mechanical weathering in the laboratory. The reproduced laboratory weathering (RLW) is conducted with a new device that enables vacuumed saturation, freezing, thawing, drying and cooling under a maintained level of confining pressure. The decrease in strength, stiffness and durability is elucidated from the test results, which indicate that rock having a very low level of reference strain (shear strength/modulus at small strain) is resistant to RLW and slaking. Intact rock exhibits very low reference strain and this reference strain increases with an increase in the degree of weathering, which is the case of weathered rock. The decrease in the strength of rock is an important property for judging the safety of rock slopes undergoing weathering. Thus, the relation between the strength and the S-wave velocity of rock undergoing weathering is established. The authors recommend the use of this relation for a quick assessment of the strength of rock by briefly measuring the S-wave velocity of the weathered surface layer. The relationship will assist practitioners in quickly screening potentially unstable slopes.     

柏叶口水库坝址基岩风化的综合判定

通过勘察研究,阐述了工程场区岩体风化类型及岩体强风化带、弱风化带、微风化带在空间上的分布及其规律,分析了岩体风化波速比Kw、岩体完整性系数KV和RQD值之间的相关性,确定了综合划分工程场区岩体风化带的定性和定量指标。     

龙门山北段千枚岩强度及变形特性对比试验研究

对成兰铁路龙门山北段隧道群4种典型千枚岩进行不同加载方位角的强度和变形特性对比试验研究,研究结果表明:加载方位角和岩石矿物成分严重影响千枚岩变形特性,并与围压水平有关。千枚岩单轴抗压强度随方位角变化呈"U"型的各向异性特征,所试验的4种千枚岩各向异性率由大至小对比关系为:HPMPQPCP。试样一般在峰值应力前产生扩容现象,扩容起始应力和形式与加载方位角或层理发育程度相关。三轴压缩试验中,千枚岩垂直层理加载时的峰值强度、长期强度和残余强度比平行层理加载明显偏高,并随围压水平增加而增大。千枚岩不同加载方位角下单轴压缩试验破坏模式归纳为4种:层理面滑移剪切破坏、压拉剪切破坏、张拉破坏、复合破坏。     

深部花岗岩中天然开启节理剪切性能试验研究

针对取自中国高放废物地质处置首选预选区深部花岗岩中的天然开启节理,基于室内试验对其剪切性能进行了测试分析。首先开展了垂直于节理面的压应力循环加卸载测试,之后在不同压应力条件下开展了天然节理直剪试验。同时,借助三维激光扫描技术获得了剪切面精确面积,并实现了节理面粗糙度评价。测试结果表明:在对应的深部地应力条件下,天然开启节理处于压密状态,且压应力幅值的变化不会使得开启节理产生不可恢复的变形;同一条节理在室内试验尺度上的剪切性能具有一致性,不同深度处节理的剪切性能也具有相似性;节理粗糙系数(JRC)与剪切强度参数之间未发现明显的相关关系。上述研究结论以及获得的Mohr-Coulomb强度参数可以为后续现场试验和数值分析提供初步依据。     

风化岩石的破碎分形及其工程地质意义

利用分形统计的方法,对风化花岗岩矿物成分的粒度分布特征进行了分析和统计,并根据分析的结果指出,岩石的风化破碎过程具有分形特征。其粒度分布的双对数曲线为多段折线,不同斜率的折线段对应不同的分形维。因此,分形维至少有2个数值,一为结晶颗粒粒度分形维,一为碎裂颗粒粒度分形维。同时,根据试验结果和理论分析得到,碎裂粒子的累积频率分布也符合指数分布,并给出了用指数分布系数求解碎块的碎裂概率的理论计算公式。随后,讨论了碎裂分形维和岩石强度与颗粒结构的关系,并以岩石的降维碎裂演化,得到以分形维描述的岩石风化速率。