岩体结构面基本摩擦角研究现状与展望

基本摩擦角的准确获取是客观评价岩体结构面抗剪强度的前提.基本摩擦角通常被视为易于获取的参数,但近年来大量研究结果表明,其测定结果往往随着试样本身性质、加工方式、测试方法等因素改变而发生较大变化.从结构面抗剪强度理论模型、力学机制、获取方法、研究趋势等方面对国内外有关基本摩擦角的研究成果进行归纳总结,结果表明:(1)基本...     

非规则岩石节理峰值剪切试验与强度经验公式研究

为研究常法向应力下岩石节理的剪切强度特性,采用劈裂法制取不规则砂岩、花岗岩节理试样,在借助三维形貌扫描仪获取岩石节理形貌参数后,采用RDS-200岩石节理剪切试验系统,开展不同法向应力下岩石节理直剪试验,基于峰值剪胀角与法向应力、节理形貌和节理抗变形能力的关系,提出不规则岩石节理剪切强度经验公式.研究结果表明:整体上峰...     

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。     

节理峰值抗剪强度试验研究

 节理的三维形貌特征是影响节理剪切力学行为的重要因素。为了深入研究三维形貌特征对岩石节理峰值抗剪强度的影响,制备花岗岩和红砂岩人工劈裂岩石节理试样,并在常法向应力条件下进行了两种岩样节理的直剪试验,法向应力变化范围为0.325～8.0 MPa。在直剪试验前对节理表面形貌进行测量,并计算其三维形貌参数最大接触面积比A0、最大有效剪切倾角 和粗糙度参数C。通过对三维形貌参数和直剪试验结果的分析,基于三维形貌参数最大有效剪切倾角 和粗糙度参数C,建立了节理峰值抗剪强度模型。最后,引用Grasselli的30组直剪试验数据对模型进行验证计算,并结合本文的20组试验数据与Grasselli和夏才初的节理强度模型进行对比分析,结果表明新模型有合理的改进,而且能够很好的预测节理的峰值抗剪强度。     

基于三维形貌特征的岩石节理峰值剪切强度准则研究

引入3个在一定范围内独立于测量尺度的三维形貌参数表征岩石节理形貌,并基于形貌参数建立了新的岩石节理峰值剪切强度准则。同时采用新准则和Barton公式计算了23对岩石节理的峰值剪切强度并与室内直剪试验结果对比,新准则的计算值与试验结果较为接近而Barton公式在一定程度上低估了节理剪切强度,表明新准则能更好地描述节理峰值剪切强度。新准则的三维形貌参数反映了不同形貌特征对剪切强度的贡献,物理意义明确,并且形貌参数可在一定范围内采用任意尺度测量,因而有利于新准则的工程应用。进一步分析表明：在规则齿形节理情况下,新准则可退化到Patton公式的形式,因而新准则实质是Patton公式的三维推广。     

考虑各向异性特征的三维岩体结构面峰值剪切强度研究

 由于岩体结构面形貌的复杂性,目前,所提出的峰值剪切强度模型不能够很好地体现其各向异性特征。鉴于此,综合考虑岩体结构面起伏角和起伏幅度,提出一个考虑各向异性特征的综合参数?表征岩体结构面粗糙度的新方法;?由某一方向的起伏角参数SRv和起伏幅度参数A表示;其中参数SRv表示结构面粗糙度的各向异性特征,用变异函数分析方法进行计算获得。然后,应用该法分析Barton十条标准轮廓线,拟合出JRC与参数SRv,A的关系表达式;结合Barton强度公式,给出考虑各向异性特征的岩体结构面峰值剪切强度模型。最后,基于ShapeMetriX3D三维形貌测量系统,在实验室开展类岩体结构面形貌的量测;并应用上述方法估算结构面4个方向上的峰值剪切强度。于此同时,开展该类岩体结构面各向异性的剪切力学试验,通过试验值与估测值的对比分析,验证了所提模型的正确性。研究结果为准确预测岩体结构面抗剪强度提供一种新方法。     

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。     

大厂铜坑矿细脉带岩石结构面直剪实验中声发射特性研究

通过大厂铜坑矿细脉带岩石结构面直剪实验中声发射特性的研究，总结了结构面破坏过程中声发射事件数和能率的基本规律，发现用能率这一系数更容易判别岩石变形与破坏各阶段。     

岩石结构面两级形貌剪切特性研究

岩石结构面表面形貌由宏观起伏体(一级)和表面微凸体(二级)两级形貌共同组成，剪切过程中各级形貌的剪切特性不尽相同。结合三维激光扫描技术、3D打印技术和模拟材料批量制作了模型结构面，开展了不同法向应力条件下的直剪试验。试验结果表明：相同法向应力条件下，二级形貌剪切磨损接近总体形貌，且大于一级形貌；不同法向应力条件下，剪切前后两级粗糙参数平均变化率随法向应力增加而逐渐增加，其中一级粗糙参数平均变化率ηI为1.99%～4.03%，二级粗糙参数平均变化率η_Π为5.97%～8.16%；进一步基于“余弦相似性”原理计算余弦夹角以评价剪切前后结构面形貌相似性，发现二级形貌余弦夹角波动最大，一级形貌余弦夹角与总体形貌余弦夹角较接近，验证了二级形貌的剪损特性和一级形貌的剪胀特性。上述研究可为结构面抗剪强度的评价提供参考意义。     

岩体抗剪强度参数的结构面倾角效应

通过对泥质粉砂岩、泥质灰岩抗剪强度参数的层面倾角效应研究。以及石膏模型试件力学性质的结构面倾角效应研究，就结构面倾角对层状、似层状岩体抗剪强度参数产生的影响进行了较详细的剖析，阐明了层状、似层状结构岩体力学性质各向异性的本质和机理。并在此基础上对受倾角效应影响的层状、似层状岩体抗剪强度参数取值进行了较深入的分析，提出了较为客观的、极具参考价值的层状、似层状结构岩体抗剪强度参数的取值原则。分别得到了层状结构粉砂岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩以及薄层的层状结构灰岩、片岩、板岩的系列强度参数与结构面倾角口的相关公式。层状、似层状结构石膏模拟试件不同裂隙倾角条件下的室内三轴剪切试验研究进一步表明。新提出的相关公式可作为类似结构岩体抗剪强度参数在不同层面倾角下的取值参考。     

锚杆抑制临空结构面扩展的试验研究

通过试验研究受压作用下临空结构面的扩展特点以及锚杆的作用。试验中,模型材料为石膏,用钢板预制生成的裂纹来模拟结构面,采用铜丝、铝丝、保险丝来模拟不同刚度的锚杆。采用应变片来量测裂纹尖端的应力集中现象,利用电阻应变仪来读取应变与压力值。试验在压力机上完成。研究结果表明,随着压力的增大,临空结构面存在翼裂纹的张拉破坏与次生裂纹的剪裂纹破坏两种形式。结构面的倾角越大越容易产生翼裂纹的扩展;小倾角结构面更容易产生次生裂纹的剪切破坏方式;锚杆作用可增强结构体的力学性能,降低裂纹尖端的应力集中现象,提高裂纹尖端裂纹的起裂荷载;锚杆并不改变裂纹的起裂角度,但使翼裂纹扩展的方向向深部偏移,从而加大因翼裂纹而造成的剥离体的厚度,减缓翼裂纹的扩展速度。试验在一定程度上揭示了锚杆对监空结构面加固机制。     

岩石模型结构面的取样代表性试验研究

岩石结构面的代表性取样是开展不同尺寸模型结构面直剪试验的前提条件,直接影响到结构面抗剪强度尺寸效应试验结果的有效性和可靠性。通过对取样尺寸为10 cm的18组岩石结构面粗糙度系数(JRC)的测量和统计分析,得到该尺寸岩石结构面试样的粗糙度系数分布规律,表明模型结构面取样代表性评价的必要性。基于结构面粗糙度系数非均一性分布特点,以及对简单随机取样法和分层取样法2种概率取样方法的比较分析,提出基于分层取样法的岩石模型结构面代表性取样方法,该方法采用JRC四分位法确定各层样本的数量比例,再利用分层取样公式计算样本的取样数量。通过岩体结构面抗剪强度的力学机制分析,对试样取样代表性和力学可靠性进行校验,结果表明,采用该取样方法能较好地代表该尺寸的表面形态分布,取样结果也较好地满足力学试验的统计精度要求。     

基于三维形态空间分析和仿真试验的岩体结构面剪切强度参数研究

 获取结构面可靠的强度指标是研究岩体强度的重要基础。因不同结构面样本的巨大差异,以及剪切测试难以重复进行的实际情况,直接通过试验获取剪切参数通常难度较大且结果不理想。以具有定向变形特征的岩体剪切结构面为研究对象,探索性提出采用结构面剪切测试–结构面表面形态三维空间分析–数值仿真试验相结合方法,获取真实可靠的结构面强度参数。该方法优势表现为：岩体结构面摩擦角的2个组成部分即基本摩擦角和爬坡角完全分离,且能考虑结构面形态三维特性及剪切变形方向特征;同时,力学测试和数值试验结合,克服了单纯依靠剪切测试无法重复的重大难题。     

损伤岩盐高温再结晶剪切特性的试验研究

岩盐矿床目前被公认为放射性核废料地质处置的理想场所。核废物的放射作用能使储库围岩温度极大升高，同时在岩盐晶体内部会发生高温再结晶作用。因此，研究高温再结晶对岩盐、特别是损伤岩盐的力学特性的影响，对处置库内核废料与外界生物圈的安全隔离具有十分重要的意义。通过试验，对无水芒硝岩盐试件60℃时剪切损伤、120℃时加热再结晶的剪切力学特性进行了研究。研究发现：(1)120℃下加热10h的损伤再结晶岩盐试件，其剪切峰值强度降低为原完好试件的82％，相应的变形模量为原来的1．5倍；(2)高温再结晶之后损伤岩盐试件仍具有完好试件的基本变形特征；(3)随温度由60℃升高到120℃，完好岩盐试件的剪切强度得到了一定提高，其中内摩擦角增幅较大；(4)高温再结晶可以恢复岩盐的内摩擦角，但是对于粘聚力的恢复表现不明显。     

考虑结构面特性的层状岩体复合材料模型与应用研究

 层状岩体由于存在着定向结构面导致其破坏机制和变形行为与一般岩体相比,存在着显著的差异。为此,先通过独立考虑基岩和结构面的物理力学特性,提出层状岩体复合材料硬化–软化模型,以便用来描述这类岩体在强度和变形方面的各向异性以及渐进破裂(或滑移)特征。然后,采用VC++编程语言将该模型嵌入到FLAC3D软件中,从而实现非线性数值计算功能。通过与经典理论解和已有模型数值解进行对比,以及对单轴和三轴压缩试验的数值模拟,表明该模型在描述上述这些特征方面是合适的。同时,这些压缩试验的数值模拟结果给出不同围压和倾角情况下层状岩体的力学响应特征,并初步探讨这类岩体的破裂(滑移)机制。最后,将该模型应用于典型边坡工程和洞室工程中,所得结果可以较好地解释工程现场的变形破坏现象,且与工程实践基本相符,验证该模型在工程应用方面的可行性。     

岩石泊松比与内摩擦角的关系研究

 在纯张破坏时的泊松比与内摩擦角关系式基础上,推导出纯剪破坏时的泊松比与内摩擦角关系式,定义由泊松比与内摩擦角确定的剪破坏、脆性剪破坏、塑性剪破坏与张破坏及流动变形破坏分布区域。根据试验数据分析,确立张剪破坏与剪张破坏的线性分界线,建立脆性剪破坏判别条件半经验关系式。据此关系式,进行泊松比与内摩擦角的互算、单试样抗剪强度的计算及岩石细观破坏类型的分区。与岩石三轴压缩试验资料进行对比分析,解释岩石试样破坏类型发生的力学机制。实例表明,用泊松比计算单试样抗剪强度的方法具有实用价值,而且利用岩石破坏类型分区图可辅助预测岩石可能的破坏方式与类型。