结构面的剪切蠕变特性及本构模型研究

岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义,结构面的蠕变力学性态往往控制着岩体的时效变形和长期强度,研究结构面的剪切蠕变特性是岩石流变学的一项重要内容。通过规则齿形结构面在不同法向应力条件下的剪切蠕变试验,研究了不同角度结构面的剪切蠕变特征,并根据蠕变试验结果,对结构面的剪切蠕变特性进行了描述,对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行了研究。研究表明,结构面在蠕变试验过程中,严格意义下的稳态蠕变是不存在的,常说的稳态蠕变实际上是蠕变速度随时间缓慢减小的近似稳态蠕变过程。最后,提出改进Burgers模型来描述蠕变的剪切蠕变特性,并讨论了改进的Burgers模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

不同粗糙度结构面时效强度特征

为研究不同粗糙度结构面在长期荷载下的强度变化规律,选取Barton标准剖面为人工模拟结构面的表面形态,并用水泥砂浆浇筑,试样成型后,对其进行直接剪切试验以及剪切蠕变试验,基于试验结果,建立瞬时剪切强度公式,并对不同粗糙度结构面的剪切蠕变特征进行分析,提出确定长期强度的方法,并以此求解长期强度,进而分析粗糙度对结构面剪切时效特征的影响,研究成果表明:随着粗糙度的增大,蠕变整体位移减小,蠕变破坏曲线越来越陡,其蠕变速率以及剪切刚度在大于某个应力值时,相对于前一级均会发生显著变化;瞬时强度与长期强度均与粗糙度呈线性关系,随着粗糙度的增大,长期强度与瞬时强度的比值减小,这是连续完整岩石与不连续贯通的结构面具有不同的时效特征以及不同法向应力和粗糙度下剪切面积比的变化共同造成的,另外等速率曲线拐点法得到的长期强度符合蠕变特征变化得到的长期强度范围,其合理性和可靠性得到了验证。     

绿片岩软弱结构面的剪切蠕变特性研究

 针对锦屏II级水电站引水隧洞超埋深、高地应力的特点,选取边坡和地下洞室围岩中含有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩为研究对象,对含有软弱结构面的大理岩试样进行分级加载剪切流变试验,并对试验结果进行分析,探讨软弱结构面的蠕变特性。通过对不同法向应力条件下岩体结构面的蠕变力学特性及其规律的研究,以及对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行分析,结果显示结构面的剪切蠕变试验曲线表现出明显的3个阶段。在此基础上选用改进的Burger模型对结构面蠕变试验结果进行拟和分析,并讨论改进的Burger模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

节理岩体蠕变特性的数值模拟研究

利用FLAC3D软件建立不同结构面角度的三维规则齿形结构面模型,进行不同应力水平条件下的结构面剪切蠕变试验.试验结果表明,不同剪应力级别下,试样的齿状突起物所发挥的作用并不相同,随着剪应力级别的增大,发挥抵抗作用的齿状突起物逐渐减少,起到抗剪作用的突起物越来越少.对于相同角度的结构面试件,当法向应力水平高时,剪切蠕变变形大,剪切应力加载的级数明显增加;对不同角度的结构面,在相同的试验条件下,角度越大,剪切蠕变变形越小,结构面角度较大的试样剪应力加载的级数也更多.     

规则岩体结构面的蠕变特性研究

 岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。通过规则齿型结构面在剪切应力条件下的双轴蠕变试验,研究不同爬坡角的结构面在不同法向应力时的蠕变特性,并根据蠕变试验结果,得到结构面剪切蠕变、法向蠕变随法向应力、剪应力、爬坡角的变化规律和时效性,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性。在模型试验的基础上采用三维有限元程序对具有锯齿状结构面的水泥砂浆块体在荷载作用下的受力性状进行模拟分析。通过有限元分析,探讨规则齿状结构面的应力分布规律。利用ANSYS计算结果,通过最大正应力理论对结构面的破坏进行判别,从而验证在剪切试验中,齿面以拉断形式破坏。     

规则齿形结构面剪切蠕变本构方程的参数分析

岩体中结构面的蠕变特性一直是岩体力学研究中的一个重点。文章在规则齿形结构面剪切蠕变试验的基础上,分析了剪切蠕变随不同的爬坡角、正应力和剪应力的影响,拟合了剪切蠕变曲线,并将拟合的方程与Burgers模型的本构方程进行了比较分析,讨论了Burgers模型中剪切模量、粘滞系数的变化规律及其影响因素,取得了较为理想的结论,为结构面剪切蠕变本构方程的建立提出了较为合理简便的方法。     

大理岩硬性结构面剪切蠕变及粗糙度效应研究

 针对锦屏二级水电站地下洞室富含节理的实际情况,利用双轴蠕变仪对大理岩硬性结构面进行剪切蠕变试验。通过对大理岩硬性结构面表面的量测,采用平均粗糙角描述大理岩硬性结构面表面粗糙度情况;分析不同粗糙度情况下岩样剪切位移与时间的变化规律。结果表明,粗糙角大的岩样瞬时变形要小于粗糙角小的岩样。此外,试验在较低的应力水平下,岩样蠕变变形表现为衰减蠕变和稳态蠕变,但当剪应力水平达到某一应力水平时,岩样在极短时间内迅速破坏,未出现加速破坏阶段,因此,利用大理岩剪切蠕变试验数据对标准线性体剪切蠕变模型进行辩识,得出各岩样的剪切蠕变模型参数,通过由模型参数得出的拟合曲线与试验曲线比较知采用标准线性体模型是合理的。最后分析各大理岩岩样的平均粗糙角与剪切蠕变模型参数的变化规律。     

隐伏非贯通结构面剪切蠕变特性及本构模型研究

结构面控制岩质边坡失稳的边界,自然界中大量结构面是非完全贯通的,且隐藏在斜坡内部,非贯通结构面研究对于揭示斜坡启动破坏机理及稳定性具有重要意义。隐伏非贯通结构面的岩块取样困难且不能大量复制,通过室内制作一种隐伏非贯通结构面模型,在单轴压缩试验和剪切试验的基础上,采用YZJL-300型岩石剪切流变仪,对隐伏非贯通结构面岩体进行剪切蠕变试验,并对蠕变特性进行研究。根据蠕变试验的阶段特征,引入一个适用于结构面的非线性黏性加速元件和材料损伤变量,建立一种非贯通结构面的剪切蠕变损伤本构模型,并根据拉普拉斯变化推导三维剪切蠕变本构方程。利用L-M算法和全局优化法对所得的蠕变试验曲线进行辨识,求解模型参数。经过辨识并对比试验结果和模型拟合结果,新建立的本构模型能较好地反映非贯通结构面蠕变特性,对揭示岩质斜坡的长期稳定性和时效演化有借鉴意义。     

不同膨胀状态下膨胀岩剪切蠕变试验研究

对不同膨胀状态下的膨胀岩进行无膨胀作用的剪切蠕变试验、膨胀与蠕变完全耦合的剪切蠕变试验、膨胀与蠕变不完全耦合的剪切蠕变试验、膨胀与蠕变分开耦合的剪切蠕变试验。得出如下试验结果:膨胀与蠕变耦合的剪切蠕变曲线与无膨胀作用的剪切蠕变曲线有相似规律性。膨胀和蠕变耦合方式对膨胀岩长期强度影响显著,具体表现为膨胀作用下的膨胀岩长期强度远小于无膨胀作用下的膨胀岩长期强度,膨胀与蠕变完全耦合下的膨胀岩长期强度低于膨胀与蠕变分开耦合下的膨胀岩长期强度。对于膨胀与蠕变完全耦合作用下的膨胀岩,求出了法向应力与长期强度拟合关系式;对于膨胀与蠕变分开耦合作用下的膨胀岩,求出了预加法向应力与长期强度拟合关系式。     

基于蠕变试验的结构面长期强度确定方法

 选取巴顿提出的10条标准剖面线中的第1,10条作为人工模拟结构面的表面形态,并用水泥砂浆浇注成试件,在岩石双轴流变仪上,进行不同法向应力水平下的室内剪切蠕变试验。根据试验结果,利用过渡蠕变法、等时曲线法、蠕变曲线第一拐点法确定结构面试件在剪切状态下的长期强度,分析对比由该3种方法得出的长期强度的差异性,并基于本次试验结果讨论3种方法确定结构面长期强度各自在理论上与试验上的合理之处,同时也探讨3种方法的不足。该研究成果对于岩体长期强度试验方法的理论及其应用都是一次有益的探索。     

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。     

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。     

不同接触状态下粗糙节理剪切强度性质的颗粒流数值模拟和试验验证

节理表面形貌和接触状态对节理剪切力学性质有重要的影响。用砂浆材料的单轴压缩试验和光滑节理直剪试验得到材料和光滑节理的宏观力学性质参数,对颗粒流数值模拟的节理细观力学性质参数进行标定。用颗粒流离散元数值软件(PFC2D)构建人工粗糙节理表面形貌,对不同表面形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质进行颗粒流直剪数值模拟试验,获得其峰值剪切强度。同时进行人工材料节理直剪试验,与颗粒流直剪数值模拟试验结果进行对比分析,数值试验与直剪试验结果吻合较好,验证了颗粒流直剪数值模拟试验与直剪试验具有同等的精度,可以作为各种表面形貌的节理在不同法向应力水平下抗剪强度研究的一种补充方法,以解决节理直剪试验中表面形貌损失对其剪切强度的影响,也可以在少量节理直剪试验的基础上,预估相同形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质,同时还可以在现场测定不同粗糙度的节理表面形貌,预估其在不同接触状态、不同法向应力下的剪切力学性质。从而解决节理直剪试验中在相同形貌节理试件取样和制备困难的问题,且具有经济、方便、快捷、可重复性强等特点。     

节理剪切试验及其表面形貌特征变化分析

 节理表面形貌是影响节理抗剪强度的重要因素之一。采用试验方法研究岩石节理表面形貌与其抗剪强度之间的关系;运用RYL–600岩石剪切流变仪对天然岩石节理在不同法向应力下进行剪切试验,得到不同法向应力下节理的抗剪强度曲线,并运用TALYSURF CLI 2000扫描仪将节理表面在每次剪切前后进行高精度激光扫描测试,得到岩石节理表面的三维扫描图。分析节理在不同法向应力作用下的抗剪强度与节理表面形貌变化的关系,计算岩石节理表面轮廓平均角的加权平均值 ,发现随着法向应力的增加,节理峰值抗剪强度增加,随着剪切次数增加, 呈减小趋势。说明节理的抗剪强度与法向应力和节理表面形貌特征参数 有关。     

节理的剪切力学性质与含三维形貌参数的剪切强度准则比较研究

利用水泥砂浆材料浇注3组不同表面形貌的节理试件,由常法向应力下的直剪试验研究节理的剪切力学性质,并分析法向应力、三维形貌特征对抗剪强度的影响。直剪试验结果表明：峰值剪胀角与法向应力成反变化关系,与粗糙程度呈正变化关系;峰值抗剪强度与法向应力、粗糙程度均呈正变化关系。分析了JRC-JCS准则计算值偏低于试验值的原因,根据试验现象建议采用三维形貌参数、抗拉强度描述节理的剪切强度。对比分析了含三维形貌参数的峰值抗剪强度准则,建议低法向应力水平下采用双曲线形式的峰值剪切强度准则估算岩石节理的峰值抗剪强度。     

规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究

 通过规则齿型结构面在不同法向应力下的剪切试验,对其力学特性进行基础性研究,阐述规则齿型结构面在剪切条件下力学特性的主要特征,以及其强度、变形等力学特性的主要规律。通过对试验数据的分析,对结构面在剪切应力作用下的剪切变形曲线以及不同粗糙度结构面的剪切变形特性进行深入研究,在此基础上提出结构面剪切变形特性的经验本构关系,同时对结构面综合抗剪强度参数在剪切条件下的变化规律进行研究,建立评价结构面剪切强度的经验公式。最后还对结构面在剪切条件下的扩容特性进行分析,并对现象做出解释。     

砂岩拉–剪力学特性试验研究

岩体工程开挖和河谷下切均将致使岩体应力沿一个或多个方向卸荷,造成岩体应力场重分布。这种卸荷常造成岩体承受拉剪应力,使得卸荷岩体的破坏呈现明显张性特征。然而由于试验技术的限制,在法向拉应力作用下岩石剪切力学行为的试验研究仍非常困难。笔者研发了拉伸–双面剪切试验装置,可直接在常规微机控制伺服直剪试验机上进行试验(将法向压应力转换成拉应力)。采用此装置,开展了砂岩的拉剪试验,结果表明:拉–剪应力作用下岩石剪应力–剪位移曲线峰前仅出现初始非线性段和线性变形两个阶段(即没有峰前的屈服段);砂岩抗剪强度和剪切刚度随法向拉应力的增大逐渐减小;Hoek-Brown准则比Mohr-Coulomb准则能更好的描述砂岩在拉剪应力下的强度特征;随着法向拉应力的增大,岩样破裂面张性特征越突出且形状更为平直。     

含一阶和二阶起伏体节理剪切强度的试验研究

 利用高强石膏材料浇注含不同一阶和二阶起伏度的岩体节理模拟试件,通过节理在不同一阶和二阶起伏度及法向应力下的常法向荷载剪切试验,对其剪切强度特性进行研究,分析一阶和二阶起伏度及法向应力对剪切强度的影响规律。试验结果表明：含二阶起伏体节理试件的剪切强度–剪切位移曲线有多个峰值剪应力出现,只含一阶起伏体节理的峰值剪应力不明显;节理剪切强度随着一阶和二阶起伏度及法向应力的增大而增大;随着二阶起伏度与一阶起伏度比值的增大,剪切强度先增大后降低。对试验数据进行回归分析,提出能反映一阶和二阶起伏度及法向应力影响的剪切强度经验公式。     

断续节理直剪试验与PFC2D数值模拟分析

 在以往有关断续节理模型试验和数值模拟的研究基础上,设计不同连通情况和法向应力的断续节理模型材料直剪试验,并采用颗粒流离散元软件PFC2D对模型试验进行全真数值模拟。以贯通节理试样、完整试样的剪应力–应变数值模拟曲线和模型试验曲线吻合作为PFC细观力学参数选取准则,并利用获得的细观力学参数对共面断续节理试样直剪试验进行数值重现。对比分析数值模拟曲线和模型试验曲线,对断续节理受剪贯通的力学机制进行研究。根据模型试验和数值试验的成果,分析断续节理预剪面上应力随剪应变的演化过程,发现剪切过程中的剪胀效应使得岩桥承担更多的压应力,从而提高了岩桥的抗剪强度。对断续节理岩体在直剪加载条件下的破坏机制进行讨论,将整个剪切过程分为线弹性阶段、初裂阶段、峰值阶段、峰后阶段及残余阶段5个阶段。