节理岩体中锚杆剪切力学模型研究及试验验证

依据最小余能原理,在考虑节理岩体中锚杆剪切变形的基础上,分析了节理面水平剪切位移与锚杆轴向及切向变形之间的关系。结合锚杆受力特点拟定了锚杆屈服模式的判定流程。建立了考虑"等效剪切面积"的加锚节理面抗剪强度理论计算模型,并通过室内物理试验验证了理论计算模型的准确性。讨论了锚杆倾角、围岩抗压强度、锚杆直径、法向应力等因素对加锚节理面抗剪强度的影响规律。结果表明:所建立的锚杆剪切力学模型能够较好的反映锚杆轴向力及剪切力对节理面抗剪强度的贡献;考虑"等效剪切面积"的加锚节理面抗剪强度计算结果与试验结果较为吻合;锚杆倾角及围岩抗压强度越大,锚杆轴向力越小,剪切力越大;锚杆直径增大,锚杆轴向力及剪切力都会增大;节理面法向应力会显著影响剪胀效应,法向应力越大,节理面抗剪强度越高。     

岩桥渐进弱化的Jennings抗剪强度准则

Jennings 抗剪强度准则以节理和岩桥抗剪强度参数按连通率加权平均的方式求取非贯通节理岩体的峰值抗剪强度,未考虑直剪试验过程中岩桥力学参数逐步弱化的影响,计算所得的抗剪强度与直剪试验结果存在较大偏差.基于人工齿状共面非贯通节理岩体的直剪试验,采用以剪切位移为变量的岩桥弱化度模型考虑岩桥力学参数弱化对抗剪强度的影响,提出改进的Jennings抗剪强度准则.考虑岩桥力学参数弱化的Jennings抗剪强度准则的计算结果更为接近试验值,表明考虑岩桥力学性质弱化是合理的.     

JRC-JCS模型与直剪试验对比研究

 结构面抗剪强度是影响工程岩体稳定的重要因素,它决定工程岩体破坏的可能性。基于结构面粗糙度系数定向统计测量技术的JRC-JCS模型可以考虑地质和环境因素的影响,具有费用低、速度快、简便易行等特点,是获取工程岩体无填充或少填充硬岩结构面抗剪强度参数的实用方法,已为50多个岩体工程提供了结构面抗剪强度参数。为分析JRC-JCS模型评价结构面抗剪强度参数的可靠性,选取天然岩石结构面试样,进行干燥状态和饱和状态结构面抗剪强度直剪试验和JRC-JCS模型评价的对比研究。结果表明,在结构面粗糙度系数的定向统计测量、尺寸效应分析,以及剪切过程衰减折减的基础上,运用结构面粗糙度系数定向统计测量技术的JRC-JCS模型评价的结构面抗剪强度参数与直剪试验结果具有较好的一致性,JRC-JCS模型对结构面峰值摩擦角有较好的预测能力。     

不同剪切速率下煤散体抗剪强度试验研究

采用TYJ-500 k N电液伺服岩石剪切流变试验机,从煤散体物理参数测试与直剪试验两方面,研究了不同剪切速率下煤散体的抗剪强度,指出随着剪切速率的增加,煤散体的抗剪强度呈先增大、后减小趋势。     

影响砂土抗剪强度的主要因素

根据砂土的室内剪切试验-全模试验和半模试验,分析了影响砂土抗剪强度的主要因素。指出了均匀砂和不同级配的砂对砂土抗剪强度的影响。从室内试验可以看出,均匀砂中,砂样的抗剪强度随着法向应力的增大而增大,而且抗剪强度增长幅度与法向压力基本成正比增长的趋势。相同法向压力下,砂土的抗剪强度随着粒径的增大而增大,内摩擦角也随之变大。可以很好的说明,砂土的抗剪强度与颗粒大小有关。     

锯齿结构面注浆剪切特性研究

为研究注浆对于结构面抗剪强度的影响,对注浆加固后的规则锯齿结构面进行剪切试验,研究不同锯齿个数时,结构面所受法向荷载与抗剪强度的定量关系。根据试验结果,阐述了规则注浆锯齿面破坏时的特征。结合莫尔库伦理论,分析影响结构面抗剪强度的相关因素以及锯齿个数对相关因素的影响。通过与普通规则锯齿结构面剪切试验进行对比,进一步说明注浆对结构面抗剪强度的影响。建立单锯齿剪切力学模型,分析顺逆剪面破坏特点,最终建立了规则注浆锯齿结构面的抗剪强度经验公式。研究结果表明:规则注浆锯齿结构面的抗剪强度随锯齿个数的增加而增加,在不同正应力下,注浆锯齿结构面会出现粘接失效,爬坡效应,剪断效应三种基本现象。单个锯齿顺逆剪面破坏与施加的荷载大小和位置有关。结构面进行注浆加固之后,其抗剪强度有明显的提高。     

岩桥破坏的简化模型及在节理岩体模拟网络中的应用

提出一个简化的岩桥破坏 /结构面扩展模型 ,该模型符合现有试验观测成果 ,在力学机理上基于Lajtai对岩桥剪切破坏的研究 ,能方便地计算实际问题中各种结构面组合情况下的抗剪力。利用先进的优化方法 ,该模型用于在结构面模拟网络中搜索抗剪力最小的结构面-岩桥组合 ,从而研究裂隙岩体的结构面连通特性和综合抗剪强度。算例和分析表明 ,在不同的法向应力作用下 ,岩体沿某一组结构面受剪时 ,破坏路径上的连通率为常数 ,这时可以使用连通率求取岩体的综合抗剪强度指标。在剪切方向与某一组结构面的平均延展方向不相同时 ,破坏路径上的连通率随法向应力的改变而改变 ,这种情况下岩体的综合抗剪强度只能通过模拟试验直接求得。     

深基坑局部深坑突涌稳定性计算研究

突涌稳定性关乎基坑安全和造价,而局部深坑是深基坑中突涌破坏最薄弱部位。基于局部深坑坑底土体沿铅垂面整体剪切破坏的假定,提出可考虑坑底土体抗剪强度、深坑几何尺寸和坑底加固的突涌稳定性计算公式,并研究计算公式适用范围和坑底土体抗剪强度计算方法。通过对杭州钱塘江两岸大量已安全施工完成深基坑工程的计算分析,得出以下结论：考虑原状土抗剪强度可使突涌稳定系数增加30%以上,常规坑底加固使其进一步增加20%左右,计算结果符合实际情况;坑底隔水层的侧面积和顶面积的比值越大,突涌稳定性越好;平面尺寸较大的基坑可通过分块开挖来确保突涌稳定性。     

基于直剪试验的页岩强度各向异性研究

 层理面的存在是页岩地层力学性质、强度特征和破裂模式表现出明显各向异性特征的根本原因,也是引起水平井井壁易失稳的重要原因之一。为分析层理面的力学性质及其影响下页岩的抗剪强度各向异性特征,开展不同角度页岩的直接剪切试验,并根据剪切破坏机制的各向异性和剪应力集中系数,从不同角度分析抗剪强度各向异性的原因,试验和理论分析结果表明：(1) 层理面是页岩地层的薄弱面,其黏聚力和内摩擦角明显小于页岩基质体,抗剪强度也最低,其剪应力–剪切位移曲线并没有表现出岩石剪切强度随滑动而弱化的特点,而是其残余摩擦力甚至还略大于抗剪强度。(2) 0°,30°,60°和90°四个方向中,页岩抗剪强度的最大值在60°时取得,且0°,30°和60°试样的剪应力–剪切位移曲线均表现出剪切强度随滑动而弱化的现象。(3) 页岩剪切破坏机制可分为沿页岩本体的剪切破坏、沿层理面张拉和本体剪切的复合破坏、以及沿层理面的剪切滑移3种模式;页岩抗剪强度的各向异性是由其剪切破坏机制的各向异性控制的。(4) 剪应力集中系数在一定程度上反映了岩石直接剪切时剪切承载力的强弱,可用来分析页岩抗剪强度的各向异性特征;不同方向页岩直接剪切时,剪应力集中系数仅与沿剪切方向的弹性模量和剪切层的厚度有关;相同法向应力下,90°试样的剪应力集中系数最大,抗剪强度最小,而60°试样的剪应力集中系数最小,抗剪强度最大。该试验和理论分析结果可为深入分析岩质边坡中滑动面的运动特征和页岩气水平井井壁稳定性等提供一定参考。     

随机形貌岩石节理剪切数值模拟和非线性剪胀模型

 采用满足正态分布的随机函数,构造岩石节理剖面的形貌,为研究受剪岩石节理的细观剪切特性和宏观剪胀效应提供研究基础。利用UDEC软件,基于CY微段节理模型,开发随机形貌岩石节理直剪特性的数值分析程序,采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨微段节理的细观剪切特性和岩石节理的宏观剪切响应,提出节理抗剪强度参数与节理面粗糙度系数JRC之间的拟合关系。得到如下结论：JRC越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大,而峰值剪切位移与JRC成反变化关系;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;这些数值结论得到模型实验的充分验证。微段节理的细观切向爬坡和剪胀效应是岩石节理产生宏观剪胀的细观力学机制。通过对随机形貌岩石节理的宏观剪胀数值曲线性态进行分析,提出能考虑节理粗糙度JRC和法向应力影响的非线性剪胀本构模型,该模型较好描述了受剪岩石节理的剪缩段和剪胀段。     

考虑主应力轴方向的砂土各向异性强度准则与滑动面研究

主应力加载方向对土体强度产生影响的根本原因是土体存在各向异性。对于横观各向同性砂土而言,沿不同平面的抗剪强度随该平面与沉积面夹角增大而增大。认为砂土固有各向异性强度与该平面的各向异性参数密切相关,给出了各向异性砂的峰值强度表达式。在SMP准则中,各个潜在滑动面上的剪正应力比相同,各向异性砂土的抗剪强度和滑动面位置由强度最低的潜在滑动面所决定。综合考虑主应力轴、滑动面以及沉积面之间的位置关系,得到了砂土的各向异性强度准则。采用福建标准砂进行了一系列定轴剪切试验,系统地观测了定轴剪切试验中试样滑动面的特征。已有试验数据和理论结果的对比表明,各向异性强度准则可以较好地预测各向异性砂土的强度与滑动面位置。     

考虑不排水抗剪强度空间变异性的条形基础极限承载力随机分析

目前有关抗剪强度参数随深度变化对地基稳定性影响的研究还不深入。为此,提出了考虑土体不排水抗剪强度均值和标准差随深度变化的地基稳定性随机分析方法。建立了表征不排水抗剪强度空间变异性的不平稳随机场模型,采用Karhunen-Loeve（KL）展开离散随机场。探讨了土体不排水抗剪强度参数空间变异性对地基极限承载力的影响规律,并比较了不排水抗剪强度参数平稳和不平稳随机场模型对地基稳定的影响。以不排水黏性地基稳定随机分析问题为例验证了所提方法的有效性。结果表明：考虑不排水抗剪强度参数空间变异性时,地基极限承载力均值和标准差随相关距离的增大而增大,地基极限承载力对竖直向相关距离更为敏感。地基极限承载力均值随不排水抗剪强度变异系数的增加而减小,标准差随变异系数的增加而增加。不排水抗剪强度变异性对地基失效概率有明显的影响,安全系数较大时,不排水抗剪强度相关距离越小,地基失效概率越小。与不排水抗剪强度参数的不平稳随机场相比,不排水抗剪强度的平稳随机场模型会高估地基极限承载力的变异性,在相同的安全度水平下,当地基的安全系数较低时,平稳随机场模型会导致对地基失效概率的低估;当地基安全系数较高时,平稳随机场模型会导致对地基失效概率的高估。     

JRC-JCS模型在某边坡抗剪强度取值中的应用

简要回顾了岩体结构面抗剪强度估箅方法发展的历程和JRC-JCS模型的原理,并以某边坡岩体中的硬性结构面为研究对象,利用JRC-JCS模型和结构面剪切试验两种方法相互验证,确定结构面抗剪强度指标值。     

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。     

结构面剪切破坏特性及其在滑移型岩爆研究中的应用

 从锦屏二级水电站深埋隧洞施工中发现结构面的剪切滑移可能诱发极强岩爆,因此为研究结构面对滑移型岩爆的控制机制,利用水泥砂浆作为模型材料制作了3种不同起伏高度的不规则锯齿形结构面并进行了直剪试验,研究了不同起伏高度、剪切速率和法向压力下的结构面的强度特征和破坏机制,并对现场的滑移型岩爆进行了初步的机制分析。研究结果表明,每种起伏高度的结构面的峰值抗剪强度和残余强度均随法向压力增大而增大;随着起伏高度的增加,结构面的抗剪强度、内摩擦角逐渐增加;随着剪切速率增加结构面抗剪强度具有先增加后减小的趋势;不同工况下结构面的破坏机制可归纳为锯齿的滑移错断机制、结构面上下盘的拉伸断裂机制和上盘前端下盘后端的冲击断裂机制,结构面的起伏高度越大、法向应力越高,冲击断裂的规模越大;现场结构面的应力集中程度、结构面面壁凸台的尺寸、强度和位置等决定了滑移型岩爆发生的等级、爆坑深度。     

加锚节理面抗剪性能研究

本文通过室内模拟试验和理论分析,着重探讨了锚杆对节理面抗剪性能的影响,以及杆体阻止节理面发生相对错动的“销钉”作用机制,提出改进了的估算加锚节理面抗剪强度公式。试验结果表明:加锚节理面的抗剪强度随剪切位移的增加而增大。试验和理论分析都表明,即使不大的剪切位移就已使杆体的抗剪作用得到充分发挥。试验研究还充分显示出锚杆倾角对加锚节理面抗剪强度的重大影响。 本文在给出了用于描述加锚节理面抗剪性能的分析模型和理论分析方法的基础上,导出了计算锚杆最佳安装角的公式。用此算式求得的最佳安装角与实验结果十分吻合。本文还分析了当前在有限元分析中经常使用的一些锚杆单元模型的不足之处,并指出了改进的方向。     

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。     

装配式剪力墙的结合面抗剪性能有限元分析

针对装配式剪力墙结合面的抗剪性能进行了数值模拟,研究了在不同混凝土强度下钢筋配筋率对结合面的抗剪承载力与荷载-位移曲线的影响。采用ABAQUS软件对装配式剪力墙的抗剪试验进行分析,验证了数值模型的准确性。结果表明,开裂荷载主要由混凝土强度控制,抗剪承载力主要由混凝土强度和配筋率大小决定。随着钢筋配筋率的增加结合面抗剪承载力也在增加,但延性减少。随着混凝土强度的增加结合面抗剪承载力和延性都在增加。     

非贯通节理Jennings强度准则的岩桥弱化和节理面起伏角修正

 通过对具有不同粗糙程度(以节理面起伏角表示)的共面非贯通人工节理进行不同法向应力水平下的直剪试验,研究节理面起伏角对非贯通节理剪切强度的影响,分析在剪切过程中岩桥力学参数的弱化机制。现有Jennings准则将岩桥视为完整岩块,计算所得的剪切强度与直剪试验结果存在较大偏差。在试验结果的基础上,考虑剪切过程中岩桥力学参数的弱化和节理面起伏角的影响,对Jennings准则进行修正。将修正Jennings准则计算的非贯通节理剪切强度结果与直剪试验结果对比,结果表明：修正Jennings准则的计算结果与试验结果吻合较好,能较好地预测具有规则起伏角的非贯通节理剪切强度。     

再生混凝土抗剪键接缝受剪性能及承载力计算

为研究再生混凝土抗剪键接缝的受剪性能,以抗剪键数量、再生粗骨料取代率和轴向应力为变化参数,设计了6个再生混凝土抗剪键接缝试件和2个无键直缝试件进行单调推剪试验,获取了试件的破坏形态、剪力-剪切位移曲线和抗剪承载力,分析了不同变化参数对再生混凝土抗剪键接缝承载力的影响规律,提出了再生混凝土抗剪键接缝的抗剪承载力计算公式。研究结果表明:再生混凝土无筋抗剪键接缝和直缝均沿水平结合面发生剪切破坏,键槽内灌浆料存在斜裂缝,抗剪键接缝的峰值剪切位移随轴向应力的增大而减小,再生粗骨料取代率对试件剪力-剪切位移曲线影响较小,再生混凝土抗剪键接缝的抗剪承载力明显大于无键直缝,抗剪键接缝的抗剪承载力随再生粗骨料取代率的增加而减小,随轴向应力的增加而增大,所提出的承载力计算公式可用于计算无筋再生混凝土抗剪键接缝的抗剪承载力,计算结果偏安全。