节理峰前剪切刚度软化模型及其影响因素分析

节理峰前剪切应力-位移曲线是研究节理剪切行为的重要内容。然而目前对于节理峰前剪切行为大多以线性描述,不能较好的描述非线性的特点。对于非线性的描述也仅仅是唯象描述剪切应力-位移曲线,未能反映影响模型的参数物理意义及影响因素。以峰前节理刚度软化行为为出发点,采用归一化的思想将节理剪切刚度与位移无量纲化,用双曲线函数表示出剪切刚度与位移之间的关系。提出了考虑刚度软化的峰前剪切本构关系,通过与试验结果对比验证了本构关系的合理性。影响该模型最重要的两个因素是初始剪切刚度与峰值剪切位移。以Greenwood和Williamson模型为基础在细观上探讨了初始剪切刚度的影响因素;抓住法向应力与节理粗糙度主要因素,探讨了影响峰值剪切位移的影响因素。对模型参数的研究有助于进一步阐明节理峰前剪切机理。     

原状黄土节理抗剪强度试验研究

黄土节理的剪切强度特性对于含节理黄土工程的稳定性有重要影响,为此在大量野外调研的基础上,采集典型黄土节理土样,首先对不同节理表面形态进行分类以制备试样,然后采用室内直剪试验研究了含水量对黄土节理剪切强度参数的影响规律,并与室内大型直剪试验对比,研究尺寸效应对剪切强度的影响,最后依据试验结果研究了节理剪切应力-位移规律。研究表明:黄土节理的抗剪强度关系符合摩尔-库伦准则,且黏聚力可忽略不计;随含水量的增加,黄土节理峰值内摩擦角最初的变化幅度较小,当大于某个含水量值时,峰值内摩擦角减小幅度变大,其变化规律可用指数形式进行描述;试样尺寸主要影响节理面起伏度对剪切强度的贡献,尺寸越大,其剪切强度也越大;其剪切应力-位移曲线属非线性屈服剪切型曲线,并构建了本构模型,对初始剪切刚度研究发现其随含水量增加减小,随正应力增加呈线性增加。     

粗糙节理直剪特性试验研究

利用高强度石膏浇筑3组不同粗糙度节理面试样,进 行常法向应力约束条件下的直剪试验,研究了粗糙度和充填 物对节理剪切力学行为的影响。研究表明:节理剪切应力 剪切位移曲线受粗糙度、充填物的影响,可分为有峰型与无 峰型两类;节理峰值剪应力随粗糙度增加而增大,而充填物 的存在弱化了粗糙度对剪切强度的影响;非充填节理与粗糙 度较大的充填节理在法向变形方面均呈先剪缩后剪胀类型, 对于粗糙度较小的充填节理,其剪胀行为主要受充填物控 制,表现为纯剪缩类型;节理破坏类型不是单一的,整个剪切 过程是滑移、啃断、断裂和拉伸破坏等行为的组合,通过试验 分析,可将节理岩体破坏机制划分为滑移 切齿机制、切齿 断裂机制、充填界面间滑移 不完全剪断机制。     

循环载荷对岩石节理宏细观剪切特性影响的模拟研究

岩石节理在循环载荷作用下会不断的滑移和闭合，导致其承载性能不断劣化，进而影响岩体工程的稳定性。为探明循环载荷作用下节理的剪切特性，首先开展了节理剪切试验以标定模拟中的物理力学参数和确定循环载荷的特征参数，然后采用基于FISH语言二次开发的循环剪切加载实现方法，进行了不同加载幅值(1.5、1.7、1.9、2.1和2.3 MPa)、不同加载频率(0.1、0.5、1.0、1.5和2.0 Hz)等循环剪切载荷作用下的粗糙节理剪切数值模拟，研究了岩石节理的宏细观剪切特性以及循环载荷特征参数对节理剪切特性的影响。结果表明：随着剪切载荷的循环加卸，节理表面损伤会导致节理剪切应力-剪切位移曲线出现滞回效应。循环剪切初期滞回环较小且分布密集，后期滞回环较大且分布疏松。剪切过程中节理的裂纹分布和接触力分布与节理表面的粗糙体相关，剪切初期裂纹和高接触力大都集中在二阶凸起上，随着二阶凸起破坏逐渐作用到一阶凸起上，一阶凸起破坏后节理发生失稳破坏。节理剪切位移的增长趋势与累计裂纹数量的增长趋势总体一致。剪切初期仅有少量裂纹在应力峰值附近产生，而后期裂纹产生时对应的应力范围和裂纹数量都显著增加。加载幅值越大，每个循...     

基于不同锚固角度的倾斜节理岩体剪切破坏特征研究

针对倾斜节理岩体巷道锚固支护问题,为获得较好的锚固支护效果,以长城六矿1301工作面运输巷为工程背景,基于相似模拟试验和数值模拟分析,揭示了不同锚固角度倾斜节理岩体剪切破坏特征。研究结果表明：随着法向荷载的增加,锚固倾斜节理岩体峰值强度逐渐增加;法向荷载为4 MPa时,随着锚固角度的增大,倾斜节理岩体的峰值抗剪强度和残余强度均呈先上升后下降的趋势,并在锚固角度为45°时均达到最大值;随着锚固角度的减小,锚杆两侧的压力链逐渐增加,并在锚杆内部产生拉力链,即随着锚固角度的减小,锚杆逐渐起到轴向拉伸抑滑的作用,倾斜节理岩体的锚固效果逐渐提升,当锚固角度为45°时抑滑效果较优。根据位移演化规律分析获得,在锚固角度较大时,大部分锚杆未起到抗剪作用,限制锚杆周围区域颗粒位移的能力较差,锚固效果不显著;在锚固角度较小时,限制锚杆周围区域颗粒位移的能力较强,锚固效果较好。根据倾斜节理岩体锚固支护剪切破坏特征,分析获得岩体抗剪强度演化规律、裂隙扩展规律、岩体内部位移演化规律以及岩体内部接触力及应力张量演化规律,综合确定当锚固角度为45°时倾斜节理岩体表现出较优的锚固支护效果。     

不同堆置状态粗粒土剪切强度试验研究

为研究不同堆置条件下排土场粗粒土的力学响应规律,开展了终排土体固结排水三轴压缩试验和在排土体快剪试验。研究结果表明,土体固结排水三轴压缩应力-应变曲线呈现先弹性后屈服再弱硬化的规律,体积-应变曲线有拐点,低围压时先剪缩后剪胀,高围压时以剪缩为主。在排土体快剪试验具有峰值强度,100～400 kPa时,峰值强度出现在剪切位移20%～30%之间,且剪应力-位移曲线呈弱化趋势;600～1 200 kPa时,峰值强度出现在剪切位移30%～40%,随剪切位移增加,土体抗剪强度基本保持恒定或略有增大。不同堆置状态排土体抗剪强度参数取值各不相同。     

基于3D打印技术复制砂浆节理的剪切试验及峰值抗剪强度模型

为进一步研究节理三维形貌特征与节理峰值抗剪强度的关系,首先采用巴西劈裂试验获取了自然劈裂岩石表面,通过三维扫描技术获取了节理面形态的高精度点云,通过逆向建模得到了自然岩石表面的立体模型,结合3D打印技术制作出了与自然岩石表面一致的PLA模具,以3D打印获得的底模通过水泥砂浆浇筑了含有自然结构面形貌的相似节理面试样。PLA模具与复制材料差异较大,复制材料在凝结过程中不易与PLA模具黏结,进而使脱模过程较为方便,不会破坏节理面。同时PLA模具可重复进行相似材料复制工作,具有可重复使用的优点。然后进行了具有5组形貌面的20个水泥砂浆节理面在4种不同法向荷载情况下的结构面剪切试验,得到了结构面剪切位移-荷载曲线。研究了结构面峰值抗剪强度、峰值位移、剪切刚度影响因素。节理经过剪切后形貌面出现不同程度的磨损,其磨损范围与等效高差分布范围基本一致,并且在等效高差为剪断破坏模式且成片的区域磨损较为严重。在新粗糙度指标基础上提出了新的峰值抗剪强度模型,经试验对比显示出新模型的有效性。在新模型基础上提出了一个简化模型。对比发现新模型简化后其计算精度较新模型有所降低但由于所需参数减小计算较为方便,新模型简化...     

矸石山岩体的抗剪特性试验研究

对李家壕煤矿矸石山进行实地勘察选点,对不同排弃时间段的矸石岩体进行原位剪切试验和室内大型剪切试验,分析了相应试验的矸石岩体剪切应力-剪切位移曲线规律,计算了不同压力级别下的峰值抗剪强度,并结合Hoek-Brown岩体强度准则分析黏聚力和内摩擦角试验值。结果表明：矸石的排弃时间越长,外部载荷影响次数越多,所处矸石山边坡堆积层位高度越低,矸石块体的胶结情况就越好,则矸石岩体滞后达到峰值强度,其抗剪强度就越大|原位剪切试验中矸石岩体呈剪切型摩擦剪切,与大型剪切试验的矸石块体剪切应力-剪切位移曲线都呈一定的线性规律,表现出峰值强度前阶段,随着剪应力的增加,以明显的弹性剪切变形为主|矸石原位剪切试验的黏聚力和内摩擦角都比大型剪切试验值大,Hoek-Brown岩体强度准则估计的黏聚力值都比试验值偏大,而内摩擦角估计值和试验值较为接近。该成果可为今后研究矸石岩体抗剪特性及矸石山边坡稳定性分析提供参考。     

随机形貌岩石节理剪切-渗流数值模拟和剪胀-渗流模型

采用Hurst指数的独立分割方法构造随机形貌岩石节理剖面,基于岩石节理的CY模型构建随机形貌岩石节理剪切-渗流计算模型和数值分析方法,为研究岩石节理的剪切-渗流响应提供了理论参考。采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨剪切作用下随机形貌岩石节理剪切-渗流响应。结果表明：节理粗糙度越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;剪切过程中的节理渗透系数呈平稳增长-快速增大-渗流稳定3阶段变化,在剪切最开始短暂时候,节理剪缩使渗流偏离立方渗流准则,节理渗透系数与法向应力具强耦合关系。引入剪胀等效节理水力隙宽,建立岩石节理的非线性剪胀-渗流模型,合理地描述了不同粗糙度节理剪切过程中的剪胀效应及其对节理渗透系数的贡献。     

非贯通充填节理岩体单轴压缩力学特性模拟

以非贯通充填节理岩体为研究对象,采用数值方法研究了节理充填物弹性模量、节理充填物内摩擦角与粘聚力、节理长度、倾角、列间距、条数及加载速度等8个因素对岩体单轴压缩力学特性的影响。计算结果表明,试件单轴压缩弹性模量及峰值强度随着节理充填物弹性模量的增加有较大幅度提高;而随着节理充填物粘聚力及内摩擦角的增加,则变化很小;试件单轴抗压峰值强度随着节理长度增加,降低幅度较大,而随节理列间距的增加,强度降低幅度较小;节理倾角对试件单轴抗压力学特性也有较大影响;随着节理条数的增加,试件峰值强度先大幅降低,而后逐渐趋于定值。随着加载速度的提高,试件单轴压缩应力应变曲线有较大变化,峰值强度有明显提高。通过对上述因素的对比发现,就节理本身性质而言,节理几何参数对岩体力学特性的影响最大,节理变形参数的影响次之,而节理强度参数的影响最小。     

循环荷载条件下充填厚度对结构面剪切力学特性影响试验研究

利用相似材料制作砂岩剪切破坏结构面并进行循环剪切试验,研究无充填及3种不同充填石膏厚度条件下结构面的力学性质和三维形貌演化规律.试验结果表明:无充填结构面的峰值剪切强度最大,随着充填厚度的增加,结构面的峰值剪切强度先下降后上升,表明充填物的厚度对结构面的剪切强度有较大影响.结构面的法向变形量随充填厚度的增加而不断增大,...     

不同剪切模式下的全尾砂浆触变特性研究

为了探究尾砂胶结充填料浆的触变特性,以某铁矿全尾砂为研究对象,测试充填料浆在恒定剪切模式、环形剪切模式和阶跃剪切模式下的流变参数变化规律。结果表明：恒定剪切模式下剪切应力与表观黏度都随着时间的增加逐渐下降直至趋于稳定,而随着剪切速率的升高,料浆的屈服应力逐渐升高但塑性黏度逐渐减小;循环剪切模式下无论剪切速率升高或是降低,剪切应力总体总是呈现下降趋势,而表观黏度变化规律则与剪切速率变化相反;阶跃剪切模式下随着剪切速率的突增,尾砂料浆会再次进入弹性变化阶段剪切应力与表观黏度皆有略微升高随后进入应力松弛阶段剪切应力及表观黏度逐渐降低。对尾砂料浆的触变性规律做出了一定的解释,对矿山现场管道输送提供一定的指导意义。     

花岗岩干热岩体裂隙的大位移动态剪切-渗流特征

水力剪切是干热岩地热、页岩气等深部能源开采的又一重要技术手段，水力剪切在提高储层渗透性的同时还会诱发地震。水力剪切增透和注入诱发地震的本质均是节理裂隙/断层的剪切-渗流。为深入研究不同诱因下，节理裂隙/断层岩体的剪切-渗流特性演化特征，利用自主研发的高围压大位移实时剪切渗流装置，研究了花岗岩干热岩体裂隙在剪切蠕变、剪应力增加、水压力增加和位移速率增加4种诱因引起的滑动过程中的渗流特征，并利用现有的速率-状态方程分析了诱发地震过程中裂隙/断层的摩擦特性。结果表明：(1)在三轴静水压力下，花岗岩裂隙内的注水压力与注水流量之间呈线性关系，裂隙的等效张开度与渗透率随法向应力的增加呈负指数衰减特征。(2)剪切蠕变、注水压力、剪切应力速率和剪切位移速率4种诱因所引起的裂隙/断层的黏滑均导致裂隙/断层的渗透性显著增加，且滑移变形和滑移速率越大，渗透率增幅越大。4种诱因中，剪切蠕变引起的渗透率增幅最小，剪切应力速率引起的渗透率增幅最大。(3)在剪切-渗流过程中，速率-状态摩擦定律仍然可以用于分析裂隙/断层的稳定性特征，随着黏滑次数的增多，剪切应力降、b值(即摩擦因数随时间或变形的降幅)及滑移速率等摩擦...     

充填体与围岩组合模型剪切破裂红外辐射特征研究

根据充填矿山实际,设计了充填体与围岩的组合模型.以德国ImageIR8325红外成像系统和美国VIC-3D非接触全场应变测量系统为监测手段,对不同条件下的模型进行了剪切破裂试验,并对剪切破裂过程中模型的变形特征和红外辐射变化特征进行了研究.结果表明:在一定范围内,随着灰砂比的减小,充填体AIRT变化幅度越来越小.随着法向应力的增加,所选区域AIRT增加幅度越来越小,剪切过程中更不容易形成剪胀效应而造成AIRT多次的下降.围岩AIRT与充填体AIRT曲线的在临近应力峰值之前的小幅下降,以及模型的红外热像图中温度异常点的出现都可以作为判别组合模型破裂的前兆;法向应力的影响大于灰砂比的影响.在一定范围内,随着灰砂比的增加,剪切力的最大值呈逐渐增大的趋势.法向应力越大,剪切破裂峰值应力越大,V场位移也越大,破坏后的残余强度则越高.模型的破坏模式多呈现雁形剪切破裂,孔洞两侧围岩是应力最薄弱区域.     

节理裂隙边坡锚注加固抗剪切效应研究

通过对节理边坡锚注加固力学模型的理论推导, 得出锚注加固能够提高节理抗剪强度和抗剪刚度的结论。借助对各种状态节理的模拟剪切试验对比分析, 验证了理论推导的结果; 经过对节理剪切试验全程曲线的分析, 总结阐述了边坡锚注加固的抗剪切效应特性, 指出随锚杆与剪切面的夹角不同, 节理面抗剪强度的变化规律; 锚杆与注浆胶结体抗剪强度的同步发挥程度与锚杆配筋率有关, 从而为节理裂隙边坡锚注加固工法的推广, 提供了理论和实验依据。     

纳米SiO2对水泥剪切强度及浆液流变性质 影响的试验研究

为了研究纳米SiO_2对水泥剪切强度及流变性质的影响,针对水灰比1.0和3 d养护时间下的不同水泥试样开展了一系列不同法向应力条件下的直剪试验,研究了纳米SiO_2颗粒对试样的剪切行为及剪切强度参数(剪切强度、黏聚力、内摩擦角)影响规律,以及减水剂对浆液流变性质的影响规律。结果表明:水泥结石体试样随着剪切位移的增大,剪切应力逐渐增大,直至达到峰值应力,之后表现为应变软化阶段;添加纳米SiO_2后,结石体试件的黏聚力和内摩擦角分别提高了8.2%和4.1%。添加纳米SiO_2的浆液黏度明显增加;通过添加1.5%含量的减水剂,可以显著提高含纳米SiO_2浆液的流动性,从而获得具有高流动性和渗透能力的浆液。     

岩石粗糙节理剪切强度的分形分析

以分形维数定量描述岩石节理面粗糙性,通过剪切实验分析研究节理剪切强度、法向应力和节理面分维的相互关系,建立了能够体现节理粗糙性和节理剪胀效应的节理剪切强度表达式,提出了适用于粗糙节理岩体的库仑强度的修正公式,为更深入、更准确地研究岩石节理剪切强度和岩体结构稳定性提供了新的方法。     

贯通型锯齿状岩体结构面剪切变形及强度特征

利用二维颗粒流(PFC2D)程序,模拟研究了起伏角及法向应力对贯通型锯齿状岩体结构面的剪切变形及强度影响规律。剪切变形模式可分为爬坡、爬坡啃断和啃断3种基本类型,随着锯齿起伏角和法向应力的增大,逐渐由爬坡、爬坡啃断向啃断模式演变,且这种递变随起伏角和法向应力具有近对称矩阵分布特征。爬坡变形时,结构面两侧存在少量的擦痕及伴生的羽状微裂纹,但锯齿整体损伤破裂轻微,剪应力-剪切位移曲线峰后呈现波动型塑性流动。爬坡啃断变形时,锯齿中上部被剪断,同时结构面两侧也伴生着少量的爬坡摩擦产生的羽状裂纹,剪应力-剪切位移曲线呈现较明显的非线性和波动特征。啃断变形时,锯齿基本沿其根部整体被剪断,结构面两侧间的摩擦滑动损伤不明显,剪应力峰后脆性跃落。随着起伏角及法向应力的增大,剪切破坏时所产生微裂纹、吸收及耗散能量逐渐增多。锯齿状岩体结构面的剪切强度随法向应力及起伏角的增大均近线性增加。建立了一个同时考虑锯齿状结构面爬坡和啃断效应的剪切强度经验公式,并通过边坡稳定性算例得以验证。     

充填体单轴压缩峰后应力-应变曲线特征及声发射参数研究

低强度充填体在充填法开采中控制地压时可能处于峰后破坏阶段,其峰后应力-应变曲线特征及声发射参数与地压控制关系密切。以程潮铁矿灰砂比为1∶6的全尾砂胶结充填体为研究对象,开展了充填体单轴压缩及声发射监测试验,得到充填体单轴压缩下的应力-应变曲线及声发射参数,采用能率和声发射事件对峰后应力-应变曲线特征及破坏过程进行了分析。结果表明：充填体峰后应力-应变曲线斜率为负值,先逐渐减小,后逐渐增大,最后基本保持不变,根据峰后应力-应变曲线斜率变化趋势可将其划分为AB段、BC段及C以后段,其中AB段应力-应变曲线逐渐变陡,斜率逐渐减小,呈上凸型,充填体表面宏观裂纹不断增多,强度劣化加速,能率先急剧减小后快速增大,声发射事件定位点局部比较集中;BC段应力-应变曲线变缓,斜率逐渐增大,呈上凹型,剪切裂纹扩展、汇合形成宏观剪切面,破坏过程变缓,能率较高且逐渐下降,声发射事件定位点聚集呈带状分布;C以后段应力-应变曲线斜率基本不变,剪切面出现滑移,充填体残余结构支撑外部荷载,能率和声发射事件大幅下降;充填体峰后声发射参数能较好地反映其应力-应变曲线特征及破坏过程。     

压剪条件下岩体剪切力研究

通过ANSYS软件,建立包含节理厚度为0.05 m,起伏角为45°的规则节理岩体,并在ANSYS软件中划分网格.将所建模型导入FLAC3D数值模拟软件,对该节理岩体进行不同法向压力和不同剪切速率加载条件下的数值模拟实验.共得到了64组不同压剪条件下岩体的剪切应力,分析了相同法向应力情况下,剪切速率对剪切应力的影响,及相同剪切速率,不同法向应力对剪切应力的影响趋势.同时,对不同剪切速率情况下,岩体的法向应力和剪切应力之间的关系进行线性拟合,拟合结果表明:不同剪切速率情况下,岩体对应的库伦准则存在一定的差异性.