不同起伏角锯齿状结构面剪切力学性质及其弱化行为试验研究

为研究含锯齿状结构面岩体的剪切力学性质及其弱化行为，采用自主研发的岩石压剪伺服试验系统，对含有不同起伏角锯齿结构面的类岩石试件开展了不同剪切位移的直剪试验。试验结果表明：当结构面锯齿起伏角为15°时，结构面的剪应力演化曲线呈“波浪形”,当起伏角为30°和45°时，剪应力演化曲线呈“峰值型”且45°起伏角结构面的剪应力演化有明显的双峰值现象，起伏角越大，峰值剪应力越大；当起伏角为15°时，结构面的弱化模式为爬坡磨损，起伏角为30°时，结构面弱化则以切齿-充填为主，而当起伏角为45°时，结构面在前期以切齿破坏为主，后期以滑动磨损为主；结构面的损伤系数R随着剪切位移的增加而逐渐增大，并且起伏角越大，R值越大，结构面的弱化程度越大，结构面在剪切位移为5 mm处的弱化率均在50%以上。研究成果可为工程岩体稳定性分析提供参考。     

锯齿结构面剪切数值模拟

为探讨锯齿结构面的力学特性,利用FLAC~(3D)建立岩体结构面的三维模型,分析结构面力学性质的影响因素.研究表明:剪切强度随起伏角的增大由线性关系演变到非线性关系,体现在结构面的破坏效应由爬坡效应逐渐演变成啃断效应,最后发展成复合破坏效应;低正应力条件下,强度较大的锯齿先受到破坏,而较高正应力条件下却不同,先受到破坏的则是强度较低的锯齿;随着加载速率的增大,峰值数目增多,峰值依次减小,且结构面残余剪应力逐渐降低.     

岩体结构面锚固剪切特性的数值分析

为了探讨锚杆加固情况下,岩体结构面的力学和变形特征,利用数值分析方法建立结构面直剪三维计算模型,分别改变结构面的表面形态和锚杆倾角,分析其对于结构面强度和变形特征的影响,结果表明：结构面加锚后,剪切强度得到提高,并且等效黏结力的提高幅度较大;结构面起伏角为0时,锚杆倾角为15°对应的剪切强度最大;随着锚杆倾角的增大,试样的剪切强度逐渐减小;结构面起伏角为17°时,剪切强度最大值均出现在锚杆倾角为30~50°的范围内。     

煤体结构面剪切力学特性的数值模拟研究

为了研究煤体层理、割理结构面的剪切力学特性,给煤矿巷道围岩分类和围岩控制提供依据。本文以晋城矿区3号煤内的层理、割理结构面为研究对象,采用实验室试验确定了标准煤样的宏观力学参数,采用PFC软件建立了含真实煤体结构面的数值模型并模拟了不同粗糙度结构面的剪切破坏过程,采用理论分析的方法研究了结构面的细观变形破坏特征及剪切力学参数变化规律,结果表明：在低法向应力作用下,裂纹主要产生在层理结构面上较大凸起体的表面,且以拉裂纹为主;随着法向应力的增大,凸起体内部裂纹逐渐增多并连接贯通,形成明显的剪切裂隙带;随着煤体层理结构面粗糙度的增大,结构面会产生较大的剪胀变形,且沿凸起体根部会产生向试样内部延伸的宏观拉裂隙;煤体结构面模型的峰值剪应力及产生的剪切裂纹、总裂纹数量明显随粗糙度及法向应力的增大而增大,随法向应力的增大,剪切裂纹占总裂纹量的比重也逐渐升高,表明在高法向应力作用下,结构面发生的剪切破坏逐渐增多。割理会导致煤体结构面的抗剪切强度明显降低,最大减小量为0.3 MPa,降低幅度为11%,而割理分布方向的不同对煤体结构面的剪切强度基本没有影响,割理的存在会导致煤体结构面破坏时裂纹数量明显增多...     

黄土沟壑基底排土场滑坡的空间演化机制

外排土场是露天采矿的必然产物。由于特殊的地形地貌，我国中西部的一些露天煤矿将排土场建立在沟壑发育的黄土基底上，形成了基底软弱、形态极其复杂的黄土沟壑基底排土场，其稳定性将成为影响露天煤矿安全高效生产的重要因素。因此，为揭示黄土沟壑基底排土场变形破坏的空间演化规律，以准能公司黑岱沟排土场为工程背景，基于断续结构面理论和强度折减理论，并考虑起伏结构面的啃断与爬坡效应，分析了黄土沟壑基底和排土场的破坏机理；采用FLAC3D数值模拟手段，研究了排土场变形破坏的空间演化过程，并通过分析黄土沟壑基底排土场和各剖面的最大位移云图及临界失稳时变形区位置，确定了黄土沟壑基底排土场的滑坡模式及滑坡区域。研究结果表明，黄土沟壑基底面可视为一起伏无充填结构面，在排土场载荷与剪切作用下会形成啃断与爬坡效应，即排土场将发生剪断部分凸起的非规则曲面滑坡；黑岱沟排土场易在排弃物载荷作用与沟壑基底形态的双重影响下，边坡上部岩体先发生变形，并挤压中、下部岩体发生变形，位于南北中轴线两侧的变形区向北部坡底扩展，形成类椭球形变形区，最终演化成推动式滑坡。研究结果可为黑岱沟排土场滑坡预警和边坡治理提供技术参考，为类似排土场边坡...     

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。     

晋城无烟煤结构面剪切参数的试验测定与估算方法

为研究晋城无烟煤的煤体结构面剪切强度及相关参数,通过对取自寺河煤矿3号煤层的含结构面煤体试样进行不同法向应力下的直剪试验,并对结构面形貌进行三维摄影测量,得到了剪切强度的试验值及估算值。试验结果表明:在低法向应力水平下,煤体结构面的法向刚度取值为13. 0～39. 2 GPa/cm,剪切刚度取值为3. 1～26. 6 GPa/cm,中等法向应力水平下,煤体结构面的法向刚度取值为13. 8～62. 0 GPa/cm,剪切刚度取值为4. 3～18. 2 GPa/cm,煤体结构面黏聚力平均值0. 67 MPa,峰值摩擦角平均值37°,同时结构面法向刚度、剪切刚度、剪切强度都随法向应力增大而增大,实验结果可为数值模拟中参数的选取提供一定参考。对比估算剪切强度值与试验剪切强度值表明,运用JRC-JCS模型能较好的预测煤体结构面剪切强度。     

岩石节理峰前循环直剪试验颗粒流宏细观分析

利用二维颗粒流(PFC2D)程序较为完善地实现了考虑二阶起伏体岩石节理的峰前循环数值直剪试验,并分别从宏观和细观角度分析了节理峰前循环直剪试验中节理累积损伤特征与抗剪强度的变化规律。对比分析已有的室内试验成果,验证了计算方法的可靠性。研究表明:①随着岩石节理一阶起伏角、法向压力的增大,节理的破坏模式按爬坡—爬坡啃断—啃断趋势发展,且抗剪强度随着一阶起伏角、法向压力的增大总体上呈增大趋势。②低幅值的循环荷载对节理剪切强度的影响极为有限,甚至可以忽略,但随着循环加载幅值的增加,节理起伏体上裂纹的扩展贯通程度、裂纹的数量均显著增多,表明循环加载幅值的大小是决定节理起伏体累积损伤速度的关键因素。③节理裂纹数量随循环加载次数的增大而增加,且有增速的趋势,在循环加载次数增加到某个量级时,裂纹出现激增的现象,表明节理疲劳裂纹的扩展贯通有累积后突变的演变特征;不同破坏模式下,节理的峰值抗剪强度均随着循环加载次数的增加呈现出先增后减的变化趋势,表明有限次数的循环加载有利于增大节理的峰值抗剪强度,但循环加载最终会因节理的累积损伤造成其抗剪强度的劣化。研究结果丰富了室内试验成果,有助于进一步认识岩石节理在微震频发作用下的累积损伤与强度劣化规律。     

剪切荷载条件下岩石细观破坏及声发射特性研究

采用煤岩细观剪切实验装置及PCI-2型声发射系统,开展了砂岩在不同剪切速率条件下的细观破坏与声发射特性试验,探讨岩石在剪切破坏过程中的破坏形式与声发射之间的关系。试验结果表明:在剪切荷载作用下,砂岩试件在不同加载速率条件下破坏过程中剪应力随时间变化趋势一致,随着加载速率增大,砂岩的剪切变形减小,抗剪强度降低;声发射活动伴随着整个剪切过程,剪应力峰值前声发射信号很少,剪应力峰值后声发射信号剧增,砂岩表面与内部裂纹萌生扩展几乎同步发生;加载速率为0.002 mm/min的砂岩试件累计Hit数最高,砂岩内累计损伤最多;砂岩试件在发生断裂破坏的短时间内经过内裂纹贯通形成主裂面、微凸体摩擦断裂形成最终破坏面两个过程,其中微凸体摩擦断裂所需剪应力低于使试件形成贯通主裂面所需剪应力。     

裂隙弱面注浆加固后的抗剪切特性及破坏特征

基于天然岩体内原生裂隙易造成工程围岩失稳的背景,采用自制砂浆体裂隙弱面模拟均质性较好岩体内部裂隙弱面,并以注浆加固后的裂隙弱面为研究对象,开展其抗剪切特性和破坏特征的研究。研究结果表明：法向压应力增大时提升了裂隙弱面滑动的阻力,导致注浆加固后的裂隙弱面抗剪切能力增强,表现为抗剪切强度增大；注浆材料强度、材料粘黏力的增大也可促使裂隙弱面的抗剪切能力增强,其增长趋势不受砂浆体强度和法向压应力大小的影响,但会受注浆材料粘黏力的影响；注浆加固后裂隙弱面受剪切力作用时,剪切破坏面多出现在弱面的两侧,且常以弱面滑移破坏、注浆体破断、砂浆体剪切断裂的形式存在,其中注浆体破断是材料内部晶体错动断裂的宏观表现。研究结果不仅为改善岩体内部裂隙弱面注浆加固工艺提供了一定的理论参考,也为注浆材料的研发提供了思路。     

剪切载荷作用下岩体结构面动态接触特征数值模拟

准确认识岩体结构面的动态接触特征是评价和预测结构面剪切行为的基础.首先,通过FISH语言修正了FLAC3D软件自带的INTERFACE本构模型,使其能够准确表达粗糙结构面在剪切过程中的力学行为;然后,采用数值模拟和室内试验相结合的方法对剪切过程中结构面接触和受力的分布及其演化规律进行了研究,分析了法向应力和结构面粗糙度...     

页岩起裂应力和裂纹损伤应力的试验及理论

为研究页岩在破坏过程中的起裂机制,对具有不同层理倾角的页岩岩样进行了不同围压下的常规三轴压缩实验,基于裂纹体积应变拐点和岩样体积应变拐点分别确定了页岩的起裂应力和裂纹损伤应力。试验结果表明,在相同围压下,层理倾角对页岩岩样的起裂应力大小影响很小,但对裂纹损伤应力的影响较大,这最终导致了页岩破坏模式和破坏强度对层理倾角的依赖性;当层理倾角相同时,随着围压增大,页岩起裂应力与峰值应力的比值变化逐渐增大,而裂纹损伤应力与峰值应力的比值变化很小,说明在层理倾角相同的条件下围压对页岩中裂纹的起裂有显著的影响,而对裂纹的非稳定扩展影响较小;基于断裂力学的压剪裂纹模型解释了页岩的起裂机制,并利用试验数据验证了该模型的合理性;利用该模型预测页岩中含有裂纹的平均长度约为0.985 mm,与现有文献中的结果较吻合;同时该模型的计算结果表明当页岩中的压剪裂纹长度超过3 mm时,裂纹长度对页岩起裂应力的影响不显著。     

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。     

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。     

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究北大核心

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。     

非共面断续裂隙类岩石试件破断试验与分析

为了探讨不同数目、不同倾角下非共面断续裂隙岩石的力学特性和裂纹演化规律,采用RMT-150岩石力学加载试验机单轴压缩含预制裂隙的类岩石试件。结果显示:当主裂隙水平时,增大次裂隙倾角,试样峰值强度先增大后减小再增大;当主裂隙倾斜时,增大次裂隙倾角,试样峰值强度先增大后减小;次裂隙倾角为30°、45°和60°时,第二条次裂隙的存在对试件承载力有一定的强化作用,三裂隙试件峰值强度比双裂隙试件峰值强度大;水平裂隙裂纹萌生的位置不在裂隙尖端且具体位置受次裂隙的影响;预制裂隙出现相互贯通,主要贯通模式为拉贯通和拉剪混合贯通,破坏模式主要为对角剪切破坏;运用PFC2D数值分析软件进行模拟试验,数值模型的破坏模式与室内加载下的试样破坏情况基本一致,模拟试验较好地反映了试样受压后裂隙的裂纹演化过程。     

固液耦合模式下采动诱发断层界面应力变化规律的模拟研究

本文运用数值模拟方法,通过改变断层倾角的大小、断层破碎带厚度以及含水层水压对固液耦合模式下采动诱发断层界面应力变化规律进行了模拟研究,揭示了不同工况条件下断层活化突水的影响规律。模拟结果表明:在相同工况条件下,断层的上盘断层界面所受的正应力及剪应力皆大于下盘断层界面所受的相应应力;在工作面推进相同步距时,断层界面所承受的正应力随断层倾角增大而减小,剪应力在倾角为一定范围内随增大而增加,但倾角超过一定角度后其又随之增加而减小;随断层破碎带宽度增加,断层盘界面所受的正应力越大,而剪应力越小;断层界面所承受的正应力及剪应力皆随含水层水压的增加而增加,且水压越大,断层突水危险性就越大。