含薄层硬岩的软弱夹层力学特性研究

针对句容抽水蓄能电站寒武系炮台山组岩层中含薄层硬岩的软弱夹层,采用颗粒流程序(PFC)建立含不同软岩倾角和厚度比的双轴压缩数值试验模型,分析倾角、厚度比及围压对试样强度和破坏规律的影响。结果表明试样的破坏主要发生在软岩部分,在围压保持不变时,随软弱夹层倾角增大,试样强度降低;软弱夹层倾角较小时,试样中软岩发生破碎,残余强度极低;软弱夹层倾角较大时,试样沿软岩中发生错动。随着软岩厚度增大,破坏面将软岩切割为多个块体;软岩厚度对试样强度有明显影响,软岩总厚度相同时,各试样强度相近;软岩总厚度增大,试样强度降低。研究结果对含薄层硬岩软弱夹层力学特性的认识、类似岩层强度参数取值等具有参考价值。     

软硬互层状反倾岩质边坡倾倒变形离心模型试验研究

针对软硬互层状反倾岩质边坡倾倒变形演化模式尚不明确的问题,基于相似原理以及地质资料,以水泥、石膏等作为相似材料建立3组边坡物理模型:一组为单一硬岩层状反倾岩质边坡,另外2组为不同层厚比的软硬互层状反倾岩质边坡。通过离心模型试验,运用图像量测技术,探究软硬互层状反倾岩质边坡与单一硬岩层状反倾岩质边坡倾倒变形破坏模式的差异性,分析不同软硬岩层厚比中软岩对于边坡整体倾倒变形程度以及边坡极限承载力的影响。研究表明:(1)软硬互层状反倾岩质边坡倾倒变形模式与单一硬岩层状反倾岩质边坡倾倒变形模式存在差异。前者在倾倒变形过程中产生两级破裂面:主破裂面与次级破裂面,次级破裂面首先贯通,其上浅层岩体失稳,进而深部不连续弯折带相互贯通,主破裂面形成,边坡整体失稳,向下垮落。(2)倾倒变形过程中主破裂面以下岩体几乎未发生倾倒,可将该面定义为倾倒–未倾倒岩体的分界线;次级破裂面发育深度与主破裂面相比更浅,但是其上浅层岩体倾倒变形程度更大,且更易发生失稳破坏,该面为边坡倾倒变形的最危险破裂面。(3)由于软岩强度较弱的影响,软硬互层状反倾岩质边坡其破裂面形态呈弧线形,与单一硬岩层状反倾岩质边坡不同。(4)软岩的存在对于边坡的极限承载力与倾倒变形程度也有影响,且软硬岩层厚比不同,影响不同。相比于单一硬岩层状反倾岩质边坡,软硬岩层厚比为1∶1的软硬互层状反倾岩质边坡,其极限承载力提高,倾倒变形程度减小;而软硬岩层厚比为2∶1的软硬互层状反倾岩质边坡,其极限承载力降低,倾倒变形程度增大。     

软硬互层岩体力学及变形特性的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D模拟软硬互层岩体渐进破裂过程,研究倾角、软硬层厚比和围压对其力学特性及变形特性的影响。研究结果表明：(1)软硬互层岩体抗压强度、黏聚力、内摩擦角和弹性模量随岩层倾角的增加先减小后增大,随围压的增加逐渐增大,随软层厚度的增加逐渐减小;(2)软硬互层岩体强度与其单结构面理论强度分布规律大致相同,但实际强度没有保持不变的倾角范围,且在最不利破坏倾角α=π/4+φ_j/2附近的变化幅度也没有单结构面理论强度明显;(3)硬层中生成贯穿层理面裂隙所需应变随软层厚度增大,增大岩体裂隙数量发展速度随岩体倾角的增加先增加后减小,在45°或60°时达到峰值,围压增大,岩体裂隙发展越充分;(4)软硬互层岩体在岩层倾角0°时为贯穿层理面的张剪破坏,在30°～60°时为沿层理面的剪切滑移破坏,90°时为沿层理面和局部贯穿层理面的复合张剪破坏;(5)围压的增大会诱发岩体发生剪切破坏,而软层厚度的增加可增强岩体破坏时的完整性。     

互层状岩体黏弹塑性流变特性的数值分析

 对锦屏II级水电站辅助交通洞的绿片岩进行单轴压缩蠕变特性试验,并以绿片岩和大理岩互层的层状岩体为研究对象,采用FLAC3D对互层状岩体进行单轴压缩蠕变试验的数值分析。试验和数值分析结果表明：当大理岩夹层倾角小于60°时,互层状岩体的破坏强度随着夹层倾角的增大而减小,但当夹层倾角大于60°时,互层状岩体的破坏强度反而随着夹层倾角的增大而增大;当大理岩与绿片岩之间的破坏强度比值较小时,采用Reuss模型和Voigt模型预测复合层状岩体的破坏强度是合适的。     

软硬互层盐岩变形破损物理模拟试验研究

 针对我国盐岩地层的地质赋存特征,开展一系列物理模拟试验,探讨倾角、夹层和界面对软硬互层盐岩变形破损的影响规律。试验结果及理论分析表明：(1) 软硬互层盐岩的单轴抗压强度随倾角变化呈两边高、中间低的U形变化规律。(2) 软硬互层盐岩的破坏模式：层面倾角θ＜30°时,为脆性硬夹层主控的整体破坏;45°＜θ＜75°时,为弱夹层或弱界面主控的剪切滑移破坏;85°＜θ＜90°时,为硬夹层劈裂破坏,局部弱夹层剪切破坏。(3) 沿弱夹层和弱界面的剪切滑移破坏是软硬互层盐岩单轴抗压强度呈现U形变化规律的内在原因。因此,设定储气库的运行压力时,需要着重考虑腔壁肩部和腰部弱夹层和界面的抗剪强度,防止其达到破坏强度而导致腔体破损,从而避免因气体泄漏而引发事故。     

节理特性对顺层隧道破坏模式及稳定影响分析

顺层隧道的破坏模式及稳定性与岩体节理特性密切相关。建立顺层隧道的节理岩体模型,采用有限元强度折减法,研究了当顺层隧道围岩为硬质岩层、硬质岩软质岩互层时,节理倾角变化以及节理间距变化对隧道破坏模式及稳定性的影响。结果表明,顺层隧道开挖后,顺层面方向围岩会顺着节理面滑移,垂直层面方向围岩会产生弯曲折断破坏。当节理倾角变化时,两个方向的破坏程度和破坏范围会随之发生变化,从而影响隧道的安全系数,倾角40°时安全系数达到峰值。当隧道围岩为硬质岩层时,节理倾角的变化对隧道围岩的破坏模式影响较小,当隧道围岩为硬软互层时,随着节理倾角的增大,软质岩顺着节理面滑移的可能性大大增加。当节理间距增大时,隧道围岩宏观力学性质逐渐趋向于岩石,安全系数逐渐增大。研究成果对于合理设计顺层隧道的支护措施具有指导意义。     

不同冲击载荷下层状千枚岩压缩力学特性研究

为研究不同冲击速度下层状岩石动态力学特性,采用分离式霍普金森杆压杆装置对千枚岩进行动态冲击试验。研究冲击速度与层理倾角对层状岩石应力–应变曲线、破坏应变及应变率的影响;并从破碎形态、波传播特性、能量吸收等方面对岩石的破坏模式进行分析。结果表明,层状千枚岩试样破裂面类型分为4类,低冲击速度下,试样大多以单一的破裂面形式破坏,高冲击速度下多种破裂类型混合发生。随着冲击速度的增大,破裂类型增多,岩石平均破碎尺寸减小。岩石的动态破坏强度随倾角增加呈现先减小后增大的趋势,高冲击速度下这一趋势更加显著。同一冲击速度下,随倾角增大,应变率先减小后增大,试样破坏应变随倾角变化先增大后减小,表明低冲击速度下,22.5°倾角试样最易破坏,高冲击速度下,45°～67.5°倾角试样破坏最为容易,0°～22.5°倾角试样最难破坏。在低冲击速度下加载方向与层面处于45°～67.5°夹角时破碎效果较好,能量利用率较高;高冲击速度下加载方向与层面处于90°夹角时破碎效果最佳,能量利用率最高。     

层状岩体剪切强度与破坏规律分析

对用类岩石材料自制的层状岩体试样,开展了一系列的直剪试验,研究了层理面倾角和层理面间距对岩体抗剪强度的影响,分析了层状岩体剪切破坏形态的规律.试验结果表明:层理面倾角为0°时,试样的抗剪强度最低;层理面倾角为30.时,试样的抗剪强度最高;层理面间距越大,试样的峰值抗剪强度也越高;层状岩体试样的剪切破坏形态,按其破坏机理...     

坝基不同倾角软弱夹层的破坏模式及D-C模型参数研究

坝基岩体中的软弱夹层对抗滑稳定影响重大,因此对其破坏模式及本构模型参数的研究具有重要意义。采用软弱夹层重塑样进行三轴压缩试验,下部未泥化部分采用泥化部分土掺入20%水泥代替,上部采用泥化部分土制样,泥化部分与未泥化部分交界面分别制成0°,30°,45°,60°倾斜面并作粗糙处理模拟实际界面特性。试验结果表明:含不同倾角结构面的软弱夹层试样临界角范围为58.3°～61.7°,当结构面倾角介于临界角范围之内时,软弱夹层试样沿结构面破坏,当结构面倾角位于临界角范围之外时,软弱夹层试样在上部泥化部分土中破坏;对软弱夹层试样三轴试验ε((σ_1-σ_3))–ε_1关系曲线进行线性拟合,结果表明,随围压增加,试样初始切线模量及极限破坏强度均增加,根据试验结果得出了相应的D-C模型参数并将其应用于坝基抗滑设计中,取得了良好效果。本研究成果对坝基软弱夹层的抗滑设计及同类软弱夹层工程性质的研究具有一定参考价值。     

缓倾角层状岩质边坡小危岩体失稳破坏模式与稳定性评价

缓倾角层状岩质边坡是小危岩体出露的主要坡型之一。影响小危岩体失稳破坏的主要因素为边坡地形条件、地层岩性和岩体结构，诱发因素有暴雨、地震和人工开挖等。小危岩体失稳破坏的基本模式可概化为倾倒-崩落、拉裂-崩落和滑落-落3种。当缓倾内层状岩质边坡的岩层较厚，岩性呈软硬互层状产出，或岩层间软弱夹层较厚时，常发生倾倒-崩落式破坏；当缓倾内层状岩质边坡的岩层较薄，且岩性较均一，或层间结构面力学性质较好时，常发生拉裂-崩落式破坏；当缓倾角层状岩质边坡岩层倾向坡外时，在陡倾构造节理和风化卸荷裂隙切割下，常发生滑移-崩落式破坏。针对这3种破坏模式，提出相应的稳定性评价理论和方法。最后，以一修理厂陡崖边坡为例，系统阐述缓倾角层状岩质边坡小危岩体稳定性评价理论和方法。     

冲击载荷作用下层状砂岩动态拉压力学特性研究

为研究层理面倾角对层状岩体动态拉压力学特性的影响,加工制备含5组不同层理面倾角的层状砂岩试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩和冲击劈裂拉伸试验,利用高速摄像仪实时记录试样动态裂纹扩展及破坏过程,分析层理面倾角θ或β对层状砂岩动态应力–应变、动态抗压和抗拉强度、破坏模式及能量吸收特性的影响规律。该层状砂岩层理面之间的差异主要来源于层间矿物组成成分含量的不同。研究表明:(1)冲击压缩载荷作用下,层状砂岩主要表现为5种典型破坏模式,随倾角θ增大,层状砂岩动态抗压强度呈倒U型变化;(2)冲击拉伸载荷作用下,巴西劈裂试样均表现为沿加载方向的劈裂拉伸破坏,随倾角β增大,层状砂岩动态抗拉强度增大。层状砂岩的能量吸收率随层理面倾角的不同而不同,选择与层理面合适的加载角(如θ=90°或β=0°),可以有效提高岩石破岩的能量利用率。     

冲击载荷作用下层状砂岩动态拉压力学特性研究EI北大核心CSCD

为研究层理面倾角对层状岩体动态拉压力学特性的影响,加工制备含5组不同层理面倾角的层状砂岩试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩和冲击劈裂拉伸试验,利用高速摄像仪实时记录试样动态裂纹扩展及破坏过程,分析层理面倾角θ或β对层状砂岩动态应力–应变、动态抗压和抗拉强度、破坏模式及能量吸收特性的影响规律。该层状砂岩层理面之间的差异主要来源于层间矿物组成成分含量的不同。研究表明:(1)冲击压缩载荷作用下,层状砂岩主要表现为5种典型破坏模式,随倾角θ增大,层状砂岩动态抗压强度呈倒U型变化;(2)冲击拉伸载荷作用下,巴西劈裂试样均表现为沿加载方向的劈裂拉伸破坏,随倾角β增大,层状砂岩动态抗拉强度增大。层状砂岩的能量吸收率随层理面倾角的不同而不同,选择与层理面合适的加载角(如θ=90°或β=0°),可以有效提高岩石破岩的能量利用率。     

互层岩体中巷道顶板应力分布及破坏特征研究

考虑巷道顶板岩层分层特性,采用Reissner厚板理论建立巷道互层顶板的应力计算模型,将巷道互层顶板视为三维应变厚板,结合力学相关知识求解得到不同条件下互层巷道顶板的应力分布。分析了软硬互层巷道顶板变形破坏特征及其规律,以山东某矿6506工作面回采巷道为工程背景,通过FLAC^3D数值模拟软件建立不同巷道顶板组合的计算模型,分析了互层巷道顶板岩层的软硬性质对巷道顶板应力和破坏深度的影响。研究结果表明：破坏发生在巷道顶板最下部岩层端部并逐渐向上扩展,最终形成冒落拱;不同岩性组合下巷道顶板应力主要集中在硬岩中,顶板各岩层岩性之间存在差异更易导致应力集中现象;硬岩能有效减弱巷道顶板的破坏深度,使顶板的变形量远小于软岩顶板的变形量,软岩顶板由于其支承能力弱,岩层内应力易达到其极限强度,导致巷道顶板的破坏深度和范围都大大增加。     

含软弱夹层盐岩型盐力学特性试验研究

 为研究不同夹层特征对含软弱夹层盐岩力学特性的影响规律,在现场取芯不易获得试样的情况下,采用压制型盐的办法制备出具有规则夹层特征的层状盐岩型盐,然后对其进行单轴及三轴压缩试验。试验结果表明,当夹层的厚度比和夹层的分布特征发生规则变化时,含软弱夹层盐岩型盐的强度、弹性模量、泊松比等力学参数及型盐体的变形和破损特征均发生一定规律性的变动。得到的结论如下：(1) 含软弱夹层盐岩型盐的单轴抗压强度和弹性模量均随着夹层厚度比的增加而呈现下降趋势。(2) 夹层厚度比一定时,3层夹层型盐的强度高于1和2层夹层型盐;而多夹层型盐随着夹层层间距的增加,其强度和弹性模量逐渐减小,但减小趋势变缓。(3) 强度低的夹层部分径向应变大于强度高的纯盐层,破坏面总是始于强度高的纯盐层。试验结果为在室内开展层状盐岩地下储库的稳定性分析提供一种新方法。     

不同倾角贯穿节理类岩石试件峰后变形破坏试验研究

用微机控制高刚度伺服试验机,开展预制贯穿节理类岩石试件的单轴压缩试验,系统研究贯穿节理类岩石试件峰后应力-应变曲线、破坏形式、峰后残余强度、峰后视泊松比等与裂隙倾角之间的关系。试验发现：(1)节理倾角为15°时,峰后的应力-应变曲线和完整试件的基本相同,当节理倾角为30°,40°,50°,60°时,峰后应力-应变曲线与完整试件的差别很大;(2)峰值强度随着节理倾角的增大而减小,峰后的残余强度也大致上随节理倾角增大而减小;(3)随着节理倾角的增大,含节理试件的泊松比也随之增大,而峰值强度后破坏阶段的视泊松比则随之变小;(4)试件峰后破坏模式随节理倾角的变化而不同,在倾角为15°时为劈裂破坏,倾角为50°,60°时为剪切破坏,倾角为30°,40°时为劈裂和剪切破坏的混合模式。研究成果可以反映含单组全贯穿节理类岩石材料的加载破坏峰后力学和变形破坏特性。     

软硬交互横向不均匀场地地震反应分析

软硬交互横向不均匀场地十分常见,其在强震作用下的地震反应对工程结构的安全有着重要影响,然而目前还很少有针对该场地地震反应分析的研究。基于精确动力刚度矩阵和均布荷载动力格林函数的间接边界元方法,经快速傅里叶逆变换,在时域内求解了层状半空间中软硬交互横向不均匀场地的地震反应问题。求解中将模型分解为含较硬介质的层状半空间域和较软介质域,同时将总波场分解为自由波场和散射波场两部分,通过在相应边界上施加斜线和水平线虚拟均布荷载,进而求解动力格林函数以模拟散射波场,自由波场可由直接刚度法方便求得。验证了方法的正确性,检验了求解模型的收敛性,进而开展了相应的数值计算分析,着重讨论了介质参数和软硬交界面倾角对场地地震反应的影响。研究表明:软硬交互场地中,较大的地表地震动响应发生在较软介质侧;软硬交界面的存在使得场地地表加速度响应发生突变,突变程度受介质参数和交界面倾角的影响显著;随着介质参数差异和交界面倾角的增大,地表加速度峰值增大,反应谱曲线显示短周期成分变得更为丰富,对基岩地震动的放大作用增强;软硬交界面对场地地表地震反应的影响主要在交界面外的两倍介质层厚度范围。     

单斜构造软硬互层围岩隧道变形特征及控制对策

为探究单斜构造软硬互层围岩隧道在不同岩层倾角下的变形特征,以渭源至武都高速公路木寨岭隧道工程为依托,对炭质千枚岩和砂质板岩互层围岩隧道开展了现场调研和现场监测,分析了隧道变形特征及影响因素; 利用有限差分软件FLAC 3D建立三维数值模型,研究了不同岩层倾角下的隧道变形规律; 针对不同的变形特征,总结了针对性的隧道变形控制措施。结果表明:隧道变形主要受岩层倾角和地下水影响,在单斜构造地层条件下隧道呈现出明显的非对称变形,隧道一侧岩层易发生弯曲变形和破坏,建议采用“非对称布设和长-短组合搭配”的预应力锚索对围岩进行主动加固; 在地下水汇集的情况下,隧道另一侧岩层易沿弱面发生顺层滑移破坏,应注意排水,避免地下水在初期支护背后汇集,减小地下水对围岩稳定性及初期支护变形的影响; 当岩层倾角小于50°时,隧道变形表现为沉降大于水平收敛; 当岩层倾角大于50°时,隧道变形则表现为水平收敛大于沉降; 隧道最大沉降随岩层倾角呈三角函数规律变化,当岩层倾角为40°～50°时,隧道沉降达到最大值; 最大收敛变形随岩层倾角呈指数规律变化,即岩层倾角越大,隧道收敛变形越显著。     

浅埋层状岩体偏压隧道滑移破坏机理及判定方法

渝涪高速公路鸭江隧道是典型的层状岩体隧道,其出入口段更是兼具了浅埋、地形和地质偏压等多重特点。基于鸭江隧道出口段的围岩参数,利用UDEC软件对不同岩层倾角条件下的浅埋层状岩体偏压隧道破坏过程进行了模拟。数值模拟的结果发现,当岩层倾角较小时易沿结构面垂直方向发生弯折破坏,当岩层倾角较大时易沿结构面发生滑移破坏。通过对隧道拱顶上方被挖断岩层建立受力模型,得出了拱顶上部岩层下滑力计算公式,并确定了下滑力大于零时会发生滑移破坏的判定准则。岩层倾角、地面坡角、隧道开挖范围内岩层厚度这3个因素的值越大,越易发生滑移破坏;结构面内摩擦角、岩层埋深这两个因素的值越小,越容易发生滑移破坏。研究成果对浅埋层状岩体隧道的设计、施工具有理论和现实指导作用。     

湖北云应盐矿深部层状盐岩直剪试验研究

为了解湖北云应盐矿深部层状盐岩,特别是盐岩和硬石膏夹层界面的抗剪性能,开展3类典型岩体的直剪试验。试验结果表明:层状盐岩界面和盐岩、硬石膏的剪切应力–位移曲线较为相似,加载初期曲线的斜率较小,剪应力增加缓慢而位移增加较快;当剪应力达到某一数值后,剪切位移增加变得缓慢,曲线斜率变大;快达到峰值强度时曲线斜率再逐渐由陡变缓;达到峰值强度后出现软化,剪应力随位移的增加逐渐达到残余强度,从峰值强度到残余强度过程中,相对而言,层状岩石交界面的剪应力下降得比较快。试验结果还表明:盐岩硬石膏交界层面处的抗剪强度参数c,?值分别为4.08 MPa和45.9°,和盐岩试样和硬石膏试样的强度参数相差并不大,甚至还略强。这说明湖北省云应盐矿深部层状盐岩中盐岩和硬石膏夹层的交界层面具有较强的粘结力,不是一个弱面,这将有利于盐岩溶腔的密闭性和稳定性。层状盐岩的这一特殊力学特性对于在深部层状盐岩构造中开展能源储备是非常有利的。     

软弱层对层状复合泥岩体力学特性影响研究

为研究软弱层对层状复合泥岩体力学性质的影响规律,有效提高层状复合泥岩体力学参数的可靠性,考虑到现场很难完整取得含软弱层的层状泥岩体试件,采取室内压制办法制作具有规则层状特征的泥岩试样,然后对其进行单轴和三轴压缩试验,对比分析各试样的强度、变形特性。试验结果表明:当软弱层厚度比变化时,层状复合泥岩体的强度、变形、弹性模量均随之发生规律性变化;上软下硬型层状泥岩与含软弱夹层层状泥岩试样的单轴抗压强度和弹性模量均随软弱层厚度的增加而非线性降低;轴向应力损失率分析表明,软弱层显著降低了硬层泥岩强度,降幅达70%以上;在三轴压缩试验条件下,层状泥岩的承载能力均有不同程度的提高。层状泥岩的粘聚力和内摩擦角随夹层厚度的增加而减小。试验结果对区域性软岩地基的设计和施工具有一定指导意义。