不同粗糙度断续节理岩体直剪试验的颗粒流模拟

为了探究不同粗糙度断续节理岩体直剪试验的裂纹扩展过程及破坏模式,基于颗粒流方法,对试样施加不同法向应力,并探讨了预剪面应力演化过程。研究结果表明:根据微观裂纹的张、剪属性及其演化过程,岩桥破坏模式大体可分为5类,且与法向应力和节理面粗糙度密切相关,法向应力、节理粗糙度的增加都会促使岩桥向剪切破坏方式转变;初始翼裂纹与原节理面的夹角对法向应力变化不敏感,而随着节理粗糙度的增加而减小;在剪切过程中,预剪面上的应力分布不均匀且不断进行重分布,对于平直节理岩体剪应力主要由岩桥承担,且无论水平向还是法向,岩桥部分压应力均大于节理部分;而对于粗糙节理岩体,剪应力由节理和岩桥共同承担,且节理部分的应力均高于岩桥部分。研究成果对进一步明确断续节理岩体的力学参数有参考价值。     

考虑水软化作用的非贯通共面节理岩体直剪试验的离散元分析

水软化作用会使得岩体内的胶结物溶解、腐蚀,引起节理岩体宏观力学特性的劣化。为探究水软化作用对节理岩体力学特性的影响机理,本文将考虑水软化、化学风化因素的岩石微观胶结接触模型引入到离散元中并模拟了非贯通共面节理岩体的直剪试验,根据得到的剪应力-应变曲线、胶结破坏数-位移曲线以及破坏后的微观信息,从宏微观角度分析了不同饱和度下法向应力及节理连通率对节理岩体力学性质的影响。模拟结果表明：在同一饱和度时,节理岩体的峰值剪应力与法向应力的关系满足摩尔库伦定律,饱和度的增长对岩体剪切强度的影响主要是使节理面及岩桥的黏聚力降低。节理岩体的破坏以岩桥与节理面的贯通为标志,在岩桥区域产生张裂缝及贯通的剪切裂缝,且拉力链主要集中在岩桥区域。     

非贯通节理岩体单轴压缩试验研究

对不同节理倾角、不同节理连通率的预制节理圆柱形岩体试样进行单轴压缩试验。结果表明:试样的强度、变形特性及破坏模式与节理构造形态密切相关;在不同节理连通率下,不同角度的非贯通节理试样的力学特性均表现出各向异性特征,随着节理连通率的增大,各向异性特征越来越明显,岩体峰值强度逐渐下降,岩体在弹性阶段的最大弹性模量也逐渐降低;相应地,试件的破坏模式也变得更加复杂,随着节理连通率的增大,应力-应变曲线的斜率逐渐减小,曲线出现多个峰值,且有较明显的屈服平台;非贯通节理岩体峰值强度和弹性模量随节理连通率的非线性变化规律,可分别采用二次和三次多项式函数表示,其系数与节理倾角有关;非贯通节理试样的裂纹变化特征与节理连通率、节理倾角有着密切的联系。     

基于PFC2D的断续岩桥直剪强度特征及能量演化机制研究

针对不同连接率断续节理岩体,基于ＰＦＣ２Ｄ颗粒流程序在不同法向应力下进行直剪试验,研究其剪切破坏过程及强度特性。数值模拟结果表明:断续岩桥的贯通破坏过程具有明显的阶段性,可根据剪切应力曲线以及微观裂纹扩展特征将其大体分为４个阶段;断续岩桥的初裂强度和剪切峰值强度与法向应力成正相关而与节理连通率成负相关,初裂强度百分比对法向应力变化不敏感而随着节理连通率的增加而增加;岩体内部能量的演化过程能较好的匹配断续岩桥的贯通破坏过程,可将应变能、耗散能的突变点作为断续岩桥贯通破坏的标志,耗散能对法向应力的变化较节理连通率更为敏感。     

PFC~(2D)模拟研究不同工况的异面非贯通节理对岩体力学性质的影响

针对非贯通节理岩体研究中多以共面节理岩体为对象、对异面节理岩体力学性质研究较少的问题,为了更全面的研究非贯通节理岩体的贯通扩展规律,基于直剪模型试验及相关颗粒流理论,利用颗粒离散元数值模拟软件PFC~(2D),研究不同工况的非贯通异面节理岩体。对比异面节理起伏角度、节理倾斜角度(节理与水平剪切方向的夹角)、节理连通率以及试验加载速率和法向应力对异面非贯通节理岩体扩展贯通机理和强度特性的影响。试验结果显示以上五方面对非贯通节理岩体的力学特性影响显著:(1)异面节理的起伏角度越大,非贯通节理岩体的峰值抗剪强度越大,抗剪能力越强。岩体的峰值剪切位移随着节理起伏角度的增大有增大的趋势。(2)非贯通节理岩体的峰值剪切强度、峰值剪切位移会随着试验剪切速率的增大逐渐增大,但增大的速率和幅度会随剪切速率的增大而变小。(3)非贯通节理岩体的峰值抗剪强度会随着法向应力的增大逐渐增大,且增大趋势呈线性。(4)异面节理的连通率越大,非贯通节理岩体的抗剪能力越差,峰值抗剪强度越小。峰值剪切位移亦随连通率的增大而减小,但减小幅度不大。(5)节理的倾角越大,岩体峰值切应力越大,抗剪能力越强。     

节理岩体声发射特性试验研究

天然岩体为特殊结构的不连续体,其声发射特性要比岩块复杂的多。以0°,30°,45°,60°,90°倾角节理试件为研究对象,开展了单轴压缩条件下的声发射试验。研究表明:受节理影响,不同倾角节理试件的应力应变关系有较大差异,这与其不同破坏模式有关;岩石变形破坏过程中的应力应变关系与其声发射特性一一对应,声发射过程中的撞击数和能量代表试件内部微小结构的破坏数量;节理试件的破坏模式不同,导致节理试件的声发射特性具有明显差异。     

非贯通性节理砂岩剪切力学特性及破坏模式分析

为分析倾角对节理岩石砂岩剪切力学特性与破坏模式的影响,采用有限元对不同节理倾角砂岩进行直接剪切模拟。结果表明,随着节理倾角增大,岩石抗剪强度先减小后增大,节理倾角45°时岩石抗剪强度最弱;裂纹倾角与岩石破坏形态之间有着较为密切的关系,节理倾角小于45°时,主要表现为沿着剪切方向的左右错动,岩石以受剪为主。节理倾角大于45°时,节理两侧出现明显的压密,导致岩石中部应变量增大,顶部和底部应变量减少,变形不协调导致岩石的顶部和底部出现拉应力,最终导致岩石表现为拉剪破坏。     

共面断续岩桥直剪试验破坏过程研究

岩桥对岩质边坡稳定性起控制性作用,而非贯通性节理岩体是广泛存在于岩质边坡中的一种岩桥载体形式。研究共面断续岩桥连通率对岩石抗剪性能的影响,可为岩质高边坡稳定性评价提供理论依据。以直剪试验的形式,通过石英砂、水泥、石膏和水制备直剪试验试样, 并预留相同长度的3条共面断续节理,对共面断续岩桥进行剪切模拟,分析其破坏模式、破坏过程演化机制和力学参数。结果表明:直剪试样呈现张拉破坏、拉剪破坏和剪切破坏3种破坏模式,以剪切破坏为主,节理所在面为控制性结构面;试样破坏过程依次呈现为裂纹稳定、裂纹破坏和残余变形阶段;随连通率增大,抗剪强度降低,黏聚力减小,内摩擦角小幅变动;共面断续岩桥连通率越大,岩石抗剪性能越差,岩质边坡稳定性越低。     

含节理泥质粉砂岩强度特征试验研究

为了分析南京秦淮东河工程黄马青组泥质粉砂岩的强度特征,通过钻孔取芯制作标准样对含节理岩石进行单轴和三轴压缩试验,得到不同围压条件下岩石破坏时的应力-应变关系.通过对岩石破坏时不同倾角节理面上的正应力和剪应力进行计算,并根据Mohr-Coulomb强度理论对试验结果按照强度准则进行线性拟合,得到结构面和岩体的摩擦角和内聚...     

楞古水电站厂址区岩体松动类型研究

楞古水电站前期勘查发现自然边坡存在岩体大范围松动现象,主要表现为岩体结构面普遍张开、碎裂化程度高、围岩应力低、自稳性差。针对这一特殊的岩体结构,对岩体的松动类型和变形破坏特征进行了研究。通过对边坡岩体进行详细的地质编录和物理勘探试验,重点对节理裂隙的空间发育规律、碎裂结构岩体的空间分布及边坡已有变形破坏模式等方面进行了详细研究,同时结合声波测速、电磁勘探等试验成果,划分了岩体松动类型,归纳了每一种主控因素下的岩体变形破坏特征及破裂松动的演化过程。结果表明:岩体松动类型可划分为卸荷控制型、断层控制型、倾倒控制型以及节理裂隙控制型等4种类型,岩体的松动受浅表生改造和构造活动影响较大,节理化结构加剧了破裂过程。研究成果丰富了已有分类体系,对评价边坡稳定性以及控制地下工程围岩稳定和保障施工安全具有重要指导意义。     

现场岩体直剪试验声发射特征及其破坏机制

尽管应用声发射对岩石破裂过程的研究取得了诸多成果,但主要集中于小尺寸（≤10 cm）的岩块,对较大尺度（≥50 cm）岩体破坏机理研究还较少。采用最新的SAMOS声发射系统,对节理岩体现场直剪试验过程进行声发射测试。通过现场岩体直剪破坏过程中声发射特征参数与频谱特性研究,揭示了节理岩体破坏机制,深化了对岩体破坏机理的认识。测试结果表明节理岩体破坏过程中,声发射信号的主频范围为40～120 kHz,其直剪破坏过程可分为4个阶段：①弹性变形阶段,岩体内部没有声发射事件;②起裂阶段,声发射事件很少,岩体内部仅有少量的裂纹产生;③扩展阶段,声发射事件缓慢增加,岩体内部微裂纹不断扩展;④破坏阶段,声发射事件大量增加,微裂纹不断扩展贯通,岩体出现宏观破裂。根据研究结果可知：与传统的破裂从前端开始的观点不同,岩体试件中后端最先出现声发射定位事件,表明微破裂开始发生在岩体试件的中后端;随着剪应力的增加,声发射定位事件逐渐前移,当岩体进入破坏阶段后,微破裂集中于剪切面局部,岩体产生局部破裂化。     

三峡库区典型土石混合体与混凝土接触面大型剪切试验研究

利用大型直剪仪和单剪切仪,对三峡库区典型土石混合体—混凝土接触面力学特性开展了不同试验方法和不同法向应力的剪切试验,对比分析了直剪和单剪试验条件下土石混合体—混凝土接触面的抗剪强度和变形特性,试验表明,界面应力应变特性与试验方法、法向应力水平有关。低法向应力情况下,直剪和单剪试验界面应力应变曲线均表现为硬化型,高法向应力情况下,直剪为应变软化型,单剪为应变硬化型,通过单剪试验结果分析得到了剪切破坏带及其厚度,研究成果能为土石混合体地质体与混凝土结构共同作用分析提供参考。     

考虑围压效应的块状节理岩体变形破坏数值模拟

节理岩体变形模量是深部岩体工程设计及稳定性分析的重要设计参数,开展围压对节理岩体变形特征及破坏形态的研究具有重要意义。采用离散元数值模拟与室内试验测试相结合的研究方法,开展不同围压条件下含两组预制节理的块状节理岩体三轴压缩变形破坏数值模拟研究,主要结论如下：（1）块状节理岩体的变形模量随着围压的增大而增大,当围压超过4 MPa时,变形模量的变化趋于平缓;（2）块状节理岩体的破坏模式分为两种：一是产生沿着已有节理面的滑动破坏;二是产生穿过整个岩体的剪切破坏,且随着围压的增大,块状节理岩体的破坏模式由节理滑动破坏向岩块剪切破坏转变;（3）对于1+2、2+3、3+5和5+7块状节理岩体模型,发生破坏模式转变的围压分别为0.5、1.0、4.0和4.0 MPa。     

岩体工程力学参数取值方法研究Ⅱ：数值仿真试验

针对复杂节理岩体力学参数确定的瓶颈难题,对复杂节理岩体数值仿真试验开展了深入系统的研究,提出了基于岩体结构面网络计算机模拟的岩体结构定量化表征方法,以及基于拓扑矩阵表达和虚拟节理处理的数值试样快速生成技术,通过在数值流形法中引入断裂力学理论建立了复杂节理岩体受力、变形、破坏、扩展直至贯通的全过程模拟方法,在此基础上构建了节理岩体数值仿真试验平台,为通过仿真试验确定节理岩体的工程力学参数提供了一条新的途径。     

含交错节理岩石直剪试验颗粒流模拟

借助颗粒流程序(PFC)建立了模拟含有交错节理岩石试样破坏的几何模型,对试样宏观力学参数进行标定,在编制了伺服模块的基础上,模拟了试样在不同法向应力条件下的直剪强度变化。采用软件内置的fish语言编制了裂纹扩展过程监测模块,从细观角度描述了交错节理试样在直剪过程中的裂纹扩展规律和破坏模式,并通过追踪微裂纹的数量对试样破坏规律进行量化分析。结果表明,试样剪切应力-剪切位移曲线主要分为4个阶段,随着法向应力和剪裂角的增大,剪切强度线性增加。试样裂纹主要产生在节理处,表现为中间夹块和上下节理凸起破坏,剪裂角对试样破坏规模有重要影响。相比单节理试样,交错节理试样抗剪强度明显降低,破坏规律有所不同。同时进一步考虑了节理间摩擦性质差异的影响,分析发现试样节理间摩擦性越强,试样剪切强度和破坏规模越大。模拟试验结果可为复杂节理岩体力学性质的研究提供参考依据。     

单轴压缩下不同裂隙张开度岩石破坏数值模拟

为了研究不同张开度裂隙岩体单轴压缩过程中的力学特性,以裂隙试样室内试验结果标定岩体细观参数,采用改进刚体弹簧元法对不同张开度裂隙试样压缩破坏过程进行数值模拟。结果表明:试件峰值强度随着裂隙张开度的增大表现出先增大后减小,最后维持稳定的规律;根据微裂纹起裂位置,将不同张开度裂隙岩体破坏模式总结为3类,并得出最终失稳破坏本质上都是由张拉所致的结论;随轴向应变增加,试件内部微裂纹的发育速度逐渐提高,但剪切裂纹数量远小于张拉裂纹;最后通过位移场演化规律从细观层面揭示了微裂纹开裂的力学机理。     

云盘头滑坡变形破坏机制研究

缓倾顺层岩质边坡由于其岩层倾角较缓,具有不易察觉其失稳且识别难度大的特点。以一个典型的缓倾顺层岩质边坡(贵州云盘头滑坡)为例,基于工程地质勘察,建立边坡地质模型,并结合底摩擦试验、二维离散元和有限元模拟等方法,探讨云盘头滑坡的变形破坏机制。结果表明:云盘头滑坡的变形破坏过程可分为微裂纹发育阶段、裂纹拓展阶段、滑体变形阶段与完全破坏阶段,并在坡脚存在关键块体;滑坡形成的主要原因是,坡体经过开挖导致软弱夹层出露,坡体内部发育垂直于软弱夹层的拉裂纹并将滑体分割成块体,随着坡脚关键块体向临空面滑移,后部次级块体随之移动并产生多米诺骨牌效应导致坡体发生整体滑移,变形模式属于典型的滑移-拉裂式。研究成果为探究缓倾顺层岩质边坡的失稳破坏有现实意义。