含非贯通节理花岗岩的力学特性与细观起裂机制研究

非贯通节理复杂的起裂机制与破坏模式对岩体力学行为有着重要的影响。考虑节理倾角与贯通度的影响，基于花岗岩试样单轴压缩试验，分析非贯通节理对岩体力学特性及断裂特征的影响，结合三维离散元数值模型，从细观尺度研究裂纹起裂、贯通破坏过程与岩体宏观破坏的相关性，并建立含非贯通节理的断裂力学理论模型，引入应力强度因子一般表达式，分析非贯通节理的断裂韧性，量化节理倾角与贯通度对岩体抗脆断能力的影响。结果表明：非贯通节理对岩体造成的劣化效应显著，随着倾角的增加，节理岩体强度增加。根据裂纹形态与形成机制，区分了6种裂纹，发现节理试样的起裂破坏模式对强度特征影响显著。15°～75°范围内，试样的断裂韧度随节理倾角的增大有不断增大的趋势，其中，15°节理试样抗脆断能力最弱；随节理贯通度的增大，节理岩体的断裂韧性近似双曲线趋势减小。     

含裂隙充填节理岩体的压剪断裂机制研究

节理弱面是造成岩体力学性能弱化的主要因素,而充填物质的非均质性将显著影响节理岩体的剪切力学特性。考虑压剪应力作用下贯通性节理充填物中沿节理方向裂隙对节理岩体断裂特性的影响,制取含不同长度初始裂隙的充填砂浆节理岩体试样,在单轴压缩作用下研究含裂隙充填节理岩体的压剪断裂机制及初始裂隙尺寸对节理岩体破裂模式和断裂能的影响规律。试验结果表明:(1)单轴压缩作用下,充填节理岩体的失稳过程分为断裂和摩擦两阶段,前者为节理内裂隙的起裂、扩展到贯通过程,峰值强度后承载力迅速降低,之后因宏观破裂面的压剪摩擦作用而出现强化现象,直至剪应力达到其抗剪强度而失稳破坏;(2)随着充填体内初始裂隙长度增大,试样峰值荷载线性减小,峰值脆性断裂特征更加明显;(3)无初始裂隙节理试样破裂过程中裂隙在节理内分布均匀,而含初始裂隙试样断裂从裂隙尖端开始,向充填体和花岗岩块体黏接面扩展贯通,充填体内裂隙集中而密度较低;(4)采用节理韧带体积Vjc改进断裂能计算公式,计算充填节理岩体压剪断裂能Gf-V;基于充填节理的断裂机制,提出局部断裂能gf-V沿韧带双线性分布的前边界效应模型,解释了平均断裂能Gf-V随初始裂隙长度增大而减小的原因,试验结果验证了模型的正确性。     

峰前循环剪切作用下岩石节理损伤特征与剪切特性试验研究

采用水刀切割加工原岩试样,开展含二阶起伏体的均质砂岩试样的峰前循环加载直剪试验,研究不同破坏模式下岩石节理的累积损伤特征,并分析循环加载次数、加载速率与幅值等因素对岩石节理剪切特性的影响规律。结果表明:(1)发生爬坡破坏模式的节理,其损伤特征主要表现为二阶起伏体的磨损;而啃断破坏模式下主要表现为一阶起伏体上的损伤裂纹开展和贯通;在爬坡–啃断破坏模式下,岩石节理的损伤特征则兼有爬坡破坏与啃断破坏的损伤特征。(2)岩石节理的峰值抗剪强度随着循环加载次数的增加呈先增后减的变化趋势,但残余抗剪强度受加载次数的影响不大;随着循环加载速率增大、幅值增加,节理的峰值抗剪强度劣化速度加快,峰值抗剪强度降低。(3)峰前循环加载对岩石节理造成的影响可归结为接触效应和损伤效应,在节理经历峰前循环剪切过程中,上述2种效应的演变是造成其峰值抗剪强度先增后减的根本原因。     

基于岩桥力学性质弱化机制的非贯通节理岩体直剪试验研究

 基于岩桥力学性质弱化机制,采用带伺服系统的直剪试验仪进行试验,在5级法向应力下,对3种含齿形节理的非贯通节理岩体进行直剪试验,研究非贯通节理岩体的强度特性和变形特性。在较低的法向应力下,含起伏角较低齿形节理面的非贯通节理岩体出现破坏模式I(张拉破坏模式)。在较高的法向应力下,含起伏角较高齿形节理面的非贯通节理岩体可能出现破坏模式II(先张拉后剪切破坏模式)。相同齿形节理面形貌的非贯通节理岩体,随着法向应力增大,峰值切向位移增大,抗剪强度增大。在相同的法向应力下,随着齿形节理面起伏角增大,非贯通节理岩体的峰值切向位移减小,抗剪强度增大。非贯通节理岩体黏聚力按Jennings方法计算值大于按试验拟合值;节理面较粗糙非贯通节理岩体内摩擦角按Jennings方法计算值大于按试验拟合值。     

节理岩体损伤断裂时效机理及其工程应用

节理岩体作为岩体力学的研究热点，受到国内外许多学者的高度重视，人们在节理岩体的本构关系、破坏机理、强度理论等方面做了大量工作，但由于岩体中节理、裂隙分布的随机性及其力学特性的复杂性，一般很难正确评价含有节理、裂隙演化、扩展及贯通过程的岩体的强度特性。论文通过模型试验、理论分析和数值计算方法系统地研究了断续节理岩体的蠕变损伤断裂机理，主要研究成果如下：（1）通过相似材料模型试验的方法研究了含雁行裂纹脆性材料在单轴和双轴压缩条件下的扩展和断裂机制。从实验结果看，顺向排列雁行裂纹具有张拉型、剪切型和拉剪复合型三种贯通机制。然后从宏观概化的等价力学模型的角度，研究了断续节理面和岩桥的共同作用原理，建立起岩桥在不同贯通模式下，其起裂、扩展和贯通的强度计算方法。（2）通过Schwarz交替解法给出任意两裂纹间相互作用影响因子的计算方法，在此基础上，建立了分支裂纹的扩展模型和分支裂纹长度的计算方法。（3）在考虑裂纹蠕变相互作用的基础上，提出了节理、裂隙在压剪应力场中蠕变断裂和分支裂纹生长的等效模型。（4）综合应用断裂力学、损伤力学、非局部场及流变学理论，从损伤引起裂纹扩展和裂纹扩展又进一步引起损伤演化和累积的角度，建立了岩体非弹性变     

不同节理形貌的非贯通节理岩体模型试验研究

通过直剪模型试验,研究节理形貌对非贯通节理岩体的抗剪强度、变形和贯通模式的影响。在相同法向应力下,节理起伏度越大,非贯通节理岩体的抗剪强度越大。在相同法向应力下,非贯通节理岩体的法向变形越大,但是,节理起伏度越大,峰值剪切位移越小。在较高法向应力下,节理起伏度对贯通模式影响较大,节理起伏度大的非贯通节理岩体的贯通模式为剪切模式TTS,节理起伏度小的贯通节理岩体的贯通模式为张拉模式TTT。在低法向应力下,起伏度对贯通破坏模式影响小,非贯通节理岩体贯通模式都为张拉模式TTT。     

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。     

节理起伏角对非贯通节理岩体力学特性的影响

对非贯通节理岩体进行直剪试验,在相同法向应力作用下研究具有不同节理起伏角的非贯通节理岩体的强度特性、变形特征。并采用颗粒流数值模拟软件(PFC 2D)进一步研究非贯通节理岩体的细观扩展机理。两种试验研究表明:(1)非贯通节理岩体的破坏形态受节理起伏角的影响显著,随着节理起伏角增大,岩体的破坏程度逐渐加重,岩体破坏时的张拉裂纹越大,裂纹数目也越多,张拉节理与两节理面之间的夹角将越大,表面破损也越明显;(2)非贯通节理岩体的变形特征受节理起伏角的影响显著,当节理起伏角不同时,非贯通节理岩体的法向变形将不同,随着节理起伏角增大,非贯通节理岩体的峰值切向位移逐渐减小;(3)非贯通节理岩体的强度特性受节理起伏角的影响显著,随节理起伏角的增大,非贯通节理岩体的峰值剪切强度增大,岩体抗剪强度增大。     

非贯通非共面节理岩体直剪试验DEM数值模拟

将由室内试验资料提取的无胶结厚度含抗转动能力的岩石微观力学模型植入离散元软件,模拟非共面非贯通节理岩体的直剪试验,分析预制节理倾角、法向应力和节理间距对岩体力学特性和贯通模式的影响,并揭示相应的宏微观机制。结果表明:非贯通非共面节理岩体试样的破坏由节理端点处因拉应力导致的翼裂纹开始,随着剪切位移的增加,翼裂纹朝着最大压力方向扩展,并最终贯通岩桥;峰值剪切应力大体随着预制节理倾角的增加而增加,随着法向应力的增加而增加,随着节理间距的增加基本保持不变。     

循环冻融下节理岩体损伤破坏的试验研究

通过预制节理岩体试件,对不同节理倾角、节理贯通度、节理组数、饱和度、节理厚度、循环次数等6种情况进行冻融试验,并进行单轴压缩试验以研究其性质规律。研究表明:试样的表观形态、强度和破坏模式与冻融和节理有密切关系;冻融使节理处粘结强度严重降低,使试样产生损伤,损伤程度与冻融次数呈正相关,与饱和度、节理厚度在一定范围内正相关;节理数、节理倾角对试件强度的影响与非冻融试样有着相似的变化规律;非贯通冻融节理试样的破坏机理比较符合断裂力学理论;在整个过程中,冻融与节理相互作用共同促使试样损伤破坏。     

剪力钉受剪疲劳试验研究

由于桥面需要承受列车荷载的反复作用,所以无砟轨道和钢桥面间的剪力钉是疲劳研究的重点。通过疲劳试验重点研究配筋率、剪力钉排数对剪力钉受剪疲劳的影响。研究表明:混凝土的配筋率是影响试件疲劳寿命的一个重要影响因素,疲劳寿命随混凝土配筋率的增加而增加。剪力钉的排数对疲劳寿命也有影响,三排剪力钉试样的抗剪疲劳寿命明显低于单排剪力钉试样。     

加劲钢板剪力墙抗剪性能分析

利用ANSYS有限元软件对交叉加劲钢板剪力墙的抗剪性能进行了研究,重点分析了肋板刚度比和加劲肋宽厚比对剪力墙荷载—位移曲线的影响。研究表明,设置交叉加劲肋能够显著提高钢板剪力墙的承载能力;肋板刚度比对于厚板和薄板抗剪性能的影响不同,对薄板的影响大于厚板;然而无论是厚板还是薄板,加劲肋宽厚比对于墙板荷载—位移曲线的影响都很小。     

模块装配式组合钢板剪力墙抗剪承载力研究

传统组合钢板剪力墙结构研究以整体结构为主,在模块化研究上有所不足。基于一组模块装配式组合钢板剪力墙试验,利用ABAQUS有限元软件建立剪力墙结构有限元模型进行模拟分析,并根据组合剪力墙抗剪机理,对模块装配式组合钢板剪力墙抗剪承载力计算方法提出建议。经分析结果表明:所建立的ABAQUS有限元模型可以很好的模拟出剪力墙受力性能。所推导的抗剪屈服承载力公式计算结果与有限元模拟结果较为吻合,能很好地反映钢板剪力墙抗剪性能。     

短肢剪力墙剪滞效应分析

采用平面应力单元与薄板弯曲单元叠加方法构建平板壳单元,经低周反复加载的试验验证,表明能有效分析弹性阶段内短肢剪力墙的剪滞效应。有限元分析和试验结果均显示:在弹性阶段内,翼板截面上正应力分布不均匀,剪滞效应明显,腹板与翼板交界处易形成正应力集中;进入塑性阶段后,由于应力重分布,翼板截面上正应力分布更不均匀,最大正应力出现位置随着反复加载会出现变动。所以应务必给短肢剪力墙截面留出可应力重分布的余地,保证翼板的大部分截面随着塑性变形的发展能渐次发挥其全部的承载能力。     

新型组合钢板剪力墙单元的抗剪承载力

提出一种适用于钢框架结构体系的新型组合钢板剪力墙形式。对4种宽厚比的纯钢板和1种组合钢板剪力墙单元的静力加载试验的结果表明:宽厚比决定了钢板初始抗侧性能和屈曲模态;小宽厚比钢板对边界约束条件较为敏感;预制墙板对提高剪力墙单元抗剪承载力和提高屈曲荷载有一定帮助,但是对钢板抗侧性能的贡献不大。通过数值模拟增加影响参数,对新型组合钢板剪力墙单元进行了理论分析。最后给出了三边固接一边弹性约束的钢板及组合钢板剪力墙单元的抗剪承载力计算公式,并依据成品预制墙板的规格尺寸给出了组合钢板剪力墙适用的预制墙板最小厚度选择方法。     

岩石节理经历不同变形历史的剪切试验研究

基于不规则的人工岩石节理经历不同剪切变形历史的剪切试验，分析了岩石节理剪切变．形特性及与变形历史的依存关系。结果表明，岩石节理峰值和残余剪切应力随垂直应力的增加呈线性增长趋势，而剪胀特性已变得不明显。两类节理面在经历不同垂直应力下的剪切变形历史后，剪切应力均不再出现尖峰；而不同剪切变形历史主要影响节理的剪切强度，对剪胀特性影响较小。     

纯剪作用下加劲钢板剪力墙的弹性屈曲

本文研究了设置1道横向板条加劲肋以及1~4道竖向槽钢加劲肋的钢板剪力墙在纯剪作用下的弹性屈曲,研究中着重考虑了横肋和竖肋之间的相互作用。以加劲钢板墙在纯剪作用下的临界剪应力等于小区格的屈曲应力为条件,得到一系列反映横肋和竖肋相互关系的曲线。分析表明钢板墙所需的横肋的门槛刚度随着竖肋加劲系数的增加而减小,且在竖肋加劲系数不变的条件下,随着竖肋扭转约束的增强而减小。根据计算结果提出了能够考虑横肋和竖肋相互作用的加劲肋门槛刚度的计算公式,与数值结果比较,表明公式具有良好的精度。     

T形截面短肢剪力墙剪滞效应及其影响

利用变分原理求解T形截面短肢剪力墙的剪力滞系数和构件变形,讨论不同几何参数和荷载形式对剪力滞效应及变形的影响。用有限元法对翼缘板的纵向应力分布情况进行分析,并与初等梁理论及变分原理的计算结果进行比较,揭示了剪力滞效应对构件侧移刚度的影响程度。     

不同面外约束下带缝钢板剪力墙的抗剪性能研究

采用有限元软件ABAQUS,考虑几何非线性和面外初始缺陷的影响,对比分析钢筋混凝土板约束、刚性板约束以及无面外约束的带缝钢板剪力墙在水平荷载作用下的刚度、抗剪承载力、延性和耗能能力,并研究面外约束对带缝钢板的应力分布和面外屈曲的影响。结果表明:钢筋混凝土板可以抑制带缝钢板的弹性屈曲,降低带缝钢板的拉力带效应,提高带缝钢板剪力墙的延性、抗剪承载力和耗能能力。为了使钢筋混凝土板能更好地约束带缝钢板的面外屈曲,建议在剪力墙的小变形阶段,混凝土板不参与抗剪。     

考虑边缘构件剪力墙抗震抗剪承载力计算

采用有限元程序VecTor2对矩形截面剪力墙、带端柱剪力墙和带翼缘剪力墙试件进行模拟试验对比,验证应用有限元程序VecTor2分析跨高比1. 0～1. 5的各种截面形式剪力墙构件抗震抗剪承载力的可行性。在此基础上,通过VecTor2软件对带端柱、带翼墙截面剪力墙抗剪承载力进行参数分析。分析结果与收集到的试验结果表明:在剪跨比为1和1. 5时,与矩形截面剪力墙相比,随着边缘构件的截面面积以及纵筋配筋率的增大,带边缘构件剪力墙的抗震抗剪承载力相应增加。利用收集到的国内外试验结果以及有限元分析结果,以边缘构件相对面积与纵筋率为变量,对带端柱以及带翼缘剪力墙的抗剪承载力进行了非线性回归分析,分别得到在具有95%保证率,针对带端柱和带翼缘剪力墙抗剪承载力计算式的修正系数算式。