软硬互层状类岩石试样力学特性的三轴试验研究

句容抽水蓄能电站工程区内发育有薄层泥岩与白云岩互层状的地层结构,对软硬互层状地层开展力学性质的研究对电站的建设和安全评价有重要意义。采用相似材料制作软硬互层状类岩石试样,对各组试样进行常规三轴试验,研究不同夹层倾角、夹层厚度比及围压条件下试样的强度规律及破坏形式。结果表明:厚度比为1∶1∶1和1∶3∶1时,随角度的增大,试样强度降低。不同厚度比倾角相同的试样强度接近,破坏形式相同。增大软岩层的厚度会显著降低试样整体的强度。倾角为0°时,试样破坏后软岩破碎,无法确定主破坏面。随着角度的增大,试样破坏形式发生变化,沿软岩和两侧交界面发生错动。倾角为45°时,破坏面贯穿试样,软岩相对完整。厚度比为3∶1∶3的不同夹层倾角试样,主要发育1～2个贯穿试样的主破坏面以及少量连接主破坏面与软硬岩层交界面的次级破坏面。夹层倾角在0°～45°范围时,随着倾角的增大,试样的强度参数逐渐降低。     

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。     

双轴压缩试验下岩石裂纹扩展的离散元分析

基于颗粒离散元理论,研究含2条预制裂纹的Hwangdeung花岗岩在双轴压缩试验下的裂纹扩展及破坏模式。研究结果表明：围压对岩石裂纹扩展及破坏模式有显著影响;水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用随着围压的增大而增强;且倾角越大,水平预制裂纹的保护作用越明显;当预制裂纹倾角α≤75°时,试验停止时微裂纹数目随围压的增加而增大;而当预制裂纹倾角α=90°时,微裂纹数目先增大后减小;试样的起裂应力都随着围压的增加而增大(除α=75°);试样的峰值强度也均随着围压的增大而增大;预制裂纹倾角不同,围压对试样的起裂应力和峰值强度的影响程度不同;相同围压下,不同预制裂纹倾角试样的起裂应力和峰值强度的大小关系无明显规律,而与其具体破坏模式有关;整体来看,当预制裂纹倾角α=60°时,围压对岩体力学特性影响最大。     

软弱夹层对水泥土单轴压缩影响研究

为探究软弱夹层厚度比对水泥土试样单轴压缩力学参数和破坏模式的影响规律,借鉴含单夹层盐岩的制样方法制备含不同软弱夹层厚度比的单夹层水泥土试样,进行室温和冻结状态下的单轴压缩试验。在室内试验研究的基础上采用PFC2D对水泥土单轴压缩进行模拟,分析试样受荷后的细观力学响应机制。最后建立软弱夹层与荷载耦合作用下水泥土单轴压缩损伤本构模型,探讨软弱夹层厚度比对试样损伤变量演化的影响。研究结果表明:(1)室温和冻结状态下水泥土试样单轴抗压强度和弹性模量均随着软弱夹层厚度比的增加呈负指数规律衰减;破坏应变随软弱夹层厚度比增加呈抛物线变化规律。(2)PFC2D模拟得到的不同软弱夹层厚度比的水泥土试样单轴压缩力学参数以及破裂模式与室内试验结果比较吻合,数值模拟和室内试验均表明软弱夹层厚度对试样破坏模式影响较大。(3)软弱夹层与荷载耦合作用损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下含软弱夹层水泥土试样在单轴压缩荷载下的应力-应变关系,软弱夹层的存在使试样变形过程中损伤程度差异明显。软弱夹层厚度比越大,在很小的轴向应变时试样总损伤变量就达到很大值,试样很快就出现破坏。     

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。     

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。     

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。     

试样形状对含倾斜软弱夹层复合岩体力学性质的影响

为研究试样形状对含有倾斜软弱夹层的复合岩体力学性质与破坏模式的影响，对长方体、圆柱体两种复合岩体试样进行了单轴压缩试验。研究结果表明：试样形状引起了软弱夹层破坏形态的不一致，圆柱体试样中倾向于产生斜裂纹破坏并引起复合试样侧向滑移，长方体试样倾向于产生端部的剥落与颈缩破坏；软弱夹层不同的破坏形态也导致硬岩初始压缩状态下的受压面积均存在不同形式的折减，实际受力出现不同情况的应力集中，长方体试样总体产生垂直于软弱夹层面发育的裂纹，圆柱体试样总体产生垂直于实际受压面发育的裂纹。同时，长方体试样无论是软弱夹层的弹性模量与峰值强度还是硬岩的峰值强度都明显高于圆柱体试样，但是应力分布相较圆柱体试样也明显更不均匀。     

水–力共同作用下预制裂隙类岩石试样裂纹扩展试验研究

为研究裂隙岩体在水–力共同作用下的强度变形特征和裂纹扩展规律,使用高强石膏采用预埋薄片法制作含不同角度裂隙的类岩石试样,在围压6 MPa下,分别施加1,3,5 MPa水压,对完整及含不同角度裂隙的试样进行三轴试验,分析力学特性和破坏形态,揭示裂隙岩体在水–力共同作用下的破坏规律。试验表明,含裂隙试样随着水压的增大由延性破坏向脆性破坏转变,三轴压缩强度、峰后残余强度和弹性模量均随水压增大而减小,随裂纹倾角增大而先减小后增大,且水压对含裂隙试样力学特性的削弱程度受预制裂纹倾角的影响。完整试样破坏断裂角随水压增大而增大,并由剪切破坏向劈裂破坏转化。含裂隙试样的破坏形态主要为剪切破坏,当预制裂纹倾角较小时,含裂隙试样破坏形态受水压影响显著,高水压下试样呈"X"型破坏;当预制裂纹倾角较大时破裂面呈单一倾斜面,且角度基本与预制裂纹倾角一致。     

软弱夹层引起围岩系统强度变化的试验研究

堡镇隧道地质条件复杂,埋深大且地应力高,地下水丰富,岩体软弱破碎,隧道自稳能力差,存在顺层偏压。围岩变形具有"变形速度快、变形量大且破坏严重、持续时间长"的基本特征,同时又表现出时间上和空间上不均匀、不对称等诸多特性。通过对隧道左线出口段围岩变形量测资料和掌子面地质素描的比较分析后发现,掌子面有软弱夹层沿洞室径向分布时,其变形破坏程度较相邻段同类围岩严重得多,不同夹层厚度对围岩变形的影响程度也不同。因此,依据堡镇隧道开挖以来变形破坏程度最严重的高地应力炭质页岩段软弱夹层和围岩的典型组合结构,设计了不同厚度软弱夹层的三轴试验方案,进行了含软弱夹层围岩的室内三轴试验研究和三轴力学性质测试,描述了软弱夹层厚度为2.5 cm和围压为4 MPa时的全应力–应变曲线特征,探讨了系统强度变化规律,分析了围压和夹层厚度对系统强度变化的作用机理及特点。     

软弱夹层特性对顺倾边坡地震动力响应的影响研究

为了研究软弱夹层特性对于边坡动力响应的影响,利用FLAC3D建立某一含软弱夹层顺倾边坡的模型进行动力加载。归纳出如下结论：波阻抗反映了应力波在岩石中穿透和反射的能力,响应与边坡的波阻抗比成正比;随着夹层厚度的增加,坡肩的动力响应随之增大,坡面放大系数整体呈现出相对先慢后快再慢的增大趋势;坡肩的响应对夹层倾角不敏感,但随着夹层倾角的增大,高程较低处就出现很大的放大系数,易发生“挤出破坏”。软弱夹层的存在控制边坡的动力响应,会加剧边坡的动力响应,使边坡更易破坏,实际工程中应对软弱夹层加以重视。     

应力路径对裂隙试样力学特性影响的试验研究

利用WDT-1500大型多功能材料试验机对裂隙试样进行定围升轴、卸围升轴和定轴卸围3种应力路径条件下的试验,研究裂隙试样的变形特征、强度特征和破坏机制。试验结果表明：裂隙试样在不同应力路径下的力学参数变化明显：卸围升轴和定轴卸围下试样强度均低于定围升轴下的强度。不同应力路径条件下,试样峰值强度均随着裂隙倾角的增大而先降低后增大,裂隙倾角为30°或45°时最小。试样的力学特性主要受裂隙角度、应力路径、初始围压等的控制,裂隙倾角对峰值强度的影响最大,围压卸荷速率次之,初始围压最小。定围升轴下试样破坏形态多为剪切破坏,而卸围升轴和定轴卸围下试样多为张-剪混合破坏,卸围升轴下试样的张裂纹发育较少,定轴卸围下张裂隙发育显著。     

典型红层软岩软弱夹层剪切蠕变性质研究

 红层软岩边坡岩体中软弱夹层发育且具有蠕变性,很多边坡岩体的失稳破坏都是沿软弱结构面的滑移失稳,软弱夹层剪切强度参数的选取是边坡工程勘察中的关键问题。通过2个典型红层软岩边坡工点软弱夹层样品室内剪切蠕变试验研究,表明红层软岩软弱夹层具有显著的蠕变特性,在边坡剪切强度参数选取中应考虑软弱夹层蠕变的影响。通过软弱夹层长期强度与短期强度试验资料分析,建议软弱夹层长期剪切强度可取短期剪切强度的75%。     

基于数值模拟的顺层岩质边坡破坏模式及稳定性评价

为了解顺层岩质边坡的内在破坏机制,采用大型岩土有限元数值分析软件,根据强度折减法SRM,建立了若干边坡模型。探讨了不同软弱夹层倾角和软弱夹层间距对顺层岩质边坡破坏模式及稳定性的影响规律。计算结果表明:软弱夹倾角直接影响了对顺层边坡的基本破坏模式,对于本文中边坡倾角为60°的岩质边坡,随着软弱夹层倾角的不断增加,其稳定性系数先减小后增大,边坡稳定系数在40°和90°时分别达到最小和最大值;软弱夹层间距不影响顺层边坡的破坏模式,随着夹层间距的增加,边坡稳定性呈对数增大趋势。     

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。     

卸荷损伤对节理岩体变形特性影响研究

节理岩体在加载与卸荷条件下,力学特性显著不同,现阶段对于节理岩体卸荷条件下的损伤特性研究较少,且未考虑不同卸荷程度对节理岩体力学特性的影响,基于此,本文开展含不同倾角预制节理岩体在不同程度卸荷损伤后重复加载试验,综合分析卸荷程度、节理倾角及围压对岩体变形特性的影响规律。研究结果表明:(1)岩样的峰值强度随着卸荷量的增加有不同程度的降低,卸荷程度较低时,对岩样极限强度影响较小,随着卸荷量逐渐增大,岩样极限强度降低程度增大。(2)围压较低时,岩样脆性跌落特征明显,随着围压的增高,岩样破坏后达到残余强度的变形开始增加,不同卸荷量造成的差异开始逐渐减小。(3)节理及卸荷量对岩样泊松比均有较大影响,节理岩样泊松比大于完整岩样,节理倾角为45°时,岩样泊松比最大;岩样泊松比随卸荷程度增加而增大,卸荷程度越高,泊松比增大速度越快。(4)节理岩体弹性模量与加载围压的大小、节理倾角以及卸荷损伤程度均有关系。随着围压的升高,岩样弹性模量逐渐增大,其增长速度随围压增大而逐渐降低;卸荷程度越高,岩样弹性模量降低程度越大,对于含不同倾角节理的岩体,影响程度又不一样,其中含45°,60°倾角节理所受影响最大。     

反倾岩质边坡破坏机理模型试验研究

通过室内物理力学模型试验研究发现,对于反倾边坡,其主要的变形破坏形式为倾倒变形折断破坏,破坏首先发生在坡顶;通过试验研究反倾岩层的层面剪切强度(c,?值)、岩层厚度及岩层倾角对反倾边坡变形的影响发现,反倾岩层的层面强度(c,?值)和岩层厚度是影响边坡稳定性的重要因素,而岩层倾角对反倾边坡的变形影响不大。对试验结果进行分析,显示此类边坡的变形破坏过程具有明显的“叠合悬臂梁”的特征,并得出反倾岩质边坡的抗倾覆能力随着反倾岩层的层面强度(c,?值)、岩层厚度及岩层倾角的增大而增大的结论,与工程实际比较吻合。     

深部单裂隙岩体结构面效应的三轴试验研究与力学分析

 通过在类岩石材料中人工预制单裂隙,以常规三轴压缩试验为手段,研究深部单裂隙岩体的强度特征及破坏特性;用断裂力学原理分析单裂隙岩体沿结构面剪切破坏的影响因素,探讨裂隙岩体沿结构面滑动破坏的条件。研究结果表明：(1) 单裂隙试样强度不仅具有明显围压效应,而且与裂隙倾角和尺寸关系密切;(2) 裂隙是试件损伤的外在集中表现,裂隙试样的弹性模量和变形模量与围压、倾角及尺寸相关,裂隙尺寸对模量的影响最大,随着尺寸增加模量显著下降,而围压和倾角对模量的影响较轻微;(3) 预制单裂隙试样的破坏形式既有沿结构面的滑动剪切破坏,也有试样自身的剪切破坏,而当裂隙尺寸较小时,还将产生裂隙重置后沿新结构面的剪切破坏;(4) 单裂隙试样在理想II型剪切破坏时,断裂力学理论与莫尔–库仑强度准则达到较好统一;(5) 单裂隙试样沿结构面滑动破坏不仅取决于结构面倾角,而且与裂隙尺寸及围压大小关系密切,裂隙倾角适当,尺寸较小,围压较高时,试样才能产生沿结构面的滑动破坏,尺寸较大时,沿结构面滑动破坏对围压不敏感;(6) 单裂隙三轴压缩试验中,既有I和II型裂纹产生,也有III型裂纹的扩展。研究成果能为含裂隙或断层的地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。     

高温脱水石膏岩物理力学效应的试验研究

为了探讨高温脱水对天然石膏岩物理力学效应的影响,将天然石膏岩在高温220℃控制脱水时间制取含不同结晶水石膏岩试样,分别对石膏岩试样进行扫描电镜、超声波测试和常规三轴压缩试验,分析高温脱水时间对石膏岩微观结构、孔隙率、纵波波速、三轴抗压强度,弹性模量、峰值应变、黏结力和内摩擦角的影响。结果表明:高温作用对石膏的作用是极其复杂物理化学过程,高温脱水对石膏岩具有明显弱化作用,随着高温脱水时间的增加,石膏岩内部晶体结构和形状逐渐发生变化,试样内部微裂纹、微孔洞的数量逐渐增多,导致其物理力学性能不断劣化;在高温220℃石膏岩脱水量、视密度和孔隙率与脱水时间呈非线性关系,在0～6 h以内裂解脱水速率较快,在6～24 h范围内脱水速率有所减缓。高温脱水后石膏试样纵波波速均有不同程度降低,在0～6 h以内损伤因子随孔隙率增加而单调降低,两者大致呈线性关系,超过6h以后脱水石膏岩损伤因子变化不大;石膏岩三轴压缩全程的变形特征受围压和高温脱水时间的共同影响,脱水时间0～4 h对石膏岩试样变形参数的影响远大于对围压的影响,超过4h以后脱水时间、围压对石膏岩弹性模量和变形模量的影响不大,随着围压与脱水时间的增加脆性减弱塑性增强;石膏岩试样三轴峰值强度随围压增大而单调增加,符合Coulomb强度准则。高温脱水对石膏岩具有明显弱化作用,扣除围压影响后石膏岩材料强度与脱水时间呈负相关;石膏岩试样破坏形态与围压高低没有直接关系,脱水时间越长破坏形态越复杂。     

节理对砂岩变形及破坏特征影响研究

工程岩体一般都含有各种不同级别的地质构造节理和软弱面,使得岩体的强度弱化。含有节理的岩体和完整岩石具有完全不同的力学性质。本文在三轴压缩试验的基础上,对不同节理倾角的三峡库区砂岩开展研究,探讨其变形及破坏特征。试验结果表明:①在同种围压下,节理岩样峰值强度的大小关系为:σ_60°<σ_30°<σ_90°<σ_完整。②相同围压下,完整岩样弹性模量及变形模量均高于节理岩样,随着围压升高,岩样弹性模量和变形模量逐渐增大,其增长速度随围压增大而逐渐降低。③在低围压下(＜5 MPa),节理倾角对岩样弹性模量和变形模量影响较大,相比完整岩样有较大幅度地降低,其中30°倾角和60°倾角岩样降低程度较高,弹性模量最高达31%,变形模量最高达40%;随着围压增大(大于10 MPa),节理倾角对岩样变形参数影响逐渐减小,相比完整岩样,节理岩样弹性模量降低幅度小于15%,变形模量降低幅度小于10%。④节理倾角和围压对岩石的破坏机制均有较大的影响,节理倾角及围压不同,岩样破坏形式不同。