层状砂岩各向异性力学特性试验研究

岩体的各向异性力学特性对工程安全稳定具有至关重要的影响。针对工程中常见的层状砂岩,设计进行0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°等7种层理角度的单轴和三轴压缩试验,详细分析层理角度对岩体力学特性和破坏模式的影响。研究结果表明:(1)不同层理角度岩样的应力–应变曲线形态基本一致,均包括压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,随着层理角度的增加,应力–应变曲线的压密阶段逐渐变短;(2)在单轴和三轴压缩状态下,层状砂岩各向异性特性明显,层理角度从0°增大到90°,弹性模量逐渐增大,而变形模量、抗压强度、黏聚力和摩擦角先减小后增大,呈U型分布,在0°或90°时达到最大值,60°左右时达到最小值;(3)随着围压的增大,其对层理弱面开裂滑动的限制作用逐渐增强,层理弱面对岩样的破坏模式影响效应逐渐减弱,不同层理角度岩样的力学参数差别逐渐减小,岩样的各向异性特性逐渐减弱;(4)层状砂岩的破坏模式与层理角度和围压的关系密切,可以归纳为3种类型:劈裂张拉破坏、顺层理弱面的剪切滑移破坏、局部顺层理弱面和局部穿越基质、层理弱面的复合剪切破坏。研究结论可为层状砂岩相关的工程变形稳定分析提供参考。     

节理岩体卸荷各向异性力学特性试验研究

 针对节理岩体开挖卸荷所产生的各向异性力学难题,通过制作不同倾角单一预制节理试件,开展节理岩体三轴卸荷试验,研究卸荷条件下节理岩体的应力–应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式。得到如下结论：(1) 进入卸荷阶段之后,0°,30°和90°倾角节理试件的应力–应变曲线依次出现屈服、软化和残余变形阶段,而45°和60°倾角节理试件只出现屈服阶段。(2) 节理试件的变形模量随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件的变形模量最小;随着围压升高,不同倾角节理试件之间的变形特性差异逐渐减小。(3) 0°,30°和90°倾角节理试件的抗压强度降低,而45°和60°倾角节理试件几乎未降低;节理试件的黏聚力随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件仍为最小;而内摩擦角随节理倾角增大而增大。(4) 0°,30°和90°倾角节理试件的破坏模式均为穿越节理的压剪破坏,且不受节理影响,而45°和60°倾角节理试件的破坏模式均为沿节理面滑动破坏。(5) 揭示节理岩体的卸荷力学特性分为受岩块强度控制和节理面强度控制。     

爆破地震波在结构面的传播特性与结构面倾角判断

地震波斜入射结构面时,会产生2种不同类型的透射波,引起波场极性变化。采用弹簧模型描述非充填型结构面,运用弹簧模型讨论爆破地震波在结构面的传播特性。研究结果表明,爆破地震波在结构面处的波形转换系数以及P,SV波峰值比和偏振角的变化规律均能有效反映结构面刚度和入射角变化。结合现场试验方案,提出计算P,SV波峰值比和偏振角的方法,建立偏振角与入射角和结构面透射系数的关系;由现场试验数据得到空间各测点的P,SV波峰值比和偏振角的变化规律,进而确定结构面倾角。现场试验结果表明,根据各测点的P,SV波峰值比和偏振角变化规律可以准确确定结构面倾角。     

黑色页岩力学特性及各向异性特性试验研究

为了研究黑色页岩的力学特性和各向异性特征,对下寒武统牛蹄塘组黑色页岩行地化参数分析,牛蹄塘组黑色页岩的脆性矿物成分高达79.01%;利用扫描电镜获得页岩的微观结构,牛蹄塘组黑色页岩具有明显的层状沉积特征和层状薄片矿物结构。利用东北大学和长春朝阳试验仪器有限公司联合研制的ROCKMAN207系统对不同层理角度的黑色页岩试样进行三轴压缩试验,获得黑色页岩试样的全应力–应变曲线和破坏模式,并对比分析围压和层理角度对黑色页岩力学行为和破坏模式的影响。结果表明:(1)黑色页岩应力–应变曲线无明显的孔隙、裂隙压密阶段,峰前应力–应变曲线近似为直线段。(2)黑色页岩的破坏模式与围压条件和层理面角度有关,低围压条件下,黑色页岩破裂后易形成较为复杂的裂隙网络;轴向加载方向与黑色页岩层理平行时,易形成复杂的裂隙网络。(3)黑色页岩具有波速和强度各向异性的特征,随着层理角度的增加,黑色页岩的波速呈现降低的趋势,黑色页岩各向异性强度特征曲线形状近似为U型;黑色页岩的强度各向异性系数随着围压的增加逐渐降低。     

层状大理岩卸荷力学特性试验研究

 以锦屏一级水电站地下厂房实际应力环境为基础,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对该厂房区域典型层状大理岩开展常规三轴加、卸荷破坏试验研究。研究成果表明：平行层理面压缩时,卸荷试验得到的抗剪断、抗剪强度参数较加载试验得到的c,j 值低,残余内摩擦角jr值却较高;相同卸荷条件下,垂直层理面压缩得到的抗剪断、抗剪强度参数较平行层理面压缩得到的c,j 高,jr值却较低;卸荷条件下岩样的破坏是其向卸荷方向的强烈扩容所致,峰值强度后继续卸荷对岩石峰后承载力有显著的弱化作用;试验得到的各组弹性模量大致随围压增加而增加,而峰值应力对应的变形模量则反之,单个岩样在卸荷试验中,变形模量大致随围压卸荷而降低,垂直层理面压缩得到的变形模量较平行层理面压缩的高20%～51%,侧胀系数m 的变化规律则反之,前者较后者的低3%～12%;在相同卸荷条件下,平行层理面压缩时,岩石更易发生破坏,而垂直层理面压缩时,大理岩的脆性变形特征更显著。这些结论揭示了层状大理岩的卸荷力学特性,对解决工程实际问题有重要的参考价值。     

规则岩体结构面的蠕变特性研究

 岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。通过规则齿型结构面在剪切应力条件下的双轴蠕变试验,研究不同爬坡角的结构面在不同法向应力时的蠕变特性,并根据蠕变试验结果,得到结构面剪切蠕变、法向蠕变随法向应力、剪应力、爬坡角的变化规律和时效性,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性。在模型试验的基础上采用三维有限元程序对具有锯齿状结构面的水泥砂浆块体在荷载作用下的受力性状进行模拟分析。通过有限元分析,探讨规则齿状结构面的应力分布规律。利用ANSYS计算结果,通过最大正应力理论对结构面的破坏进行判别,从而验证在剪切试验中,齿面以拉断形式破坏。     

基于Hoek-Brown准则的板岩强度特征研究

 建立在岩体各向同性基础上的Hoek-Brown经验强度准则被广泛地应用于地下和边坡工程的设计与安全评估。但Hoek-Brown准则不能直接用来处理层(片)状岩体如板岩或页岩以及含有1或2组优势结构面岩体的强度问题,因为这类岩体往往沿层(片)理或优势结构面破坏,必须对准则加以改进。基于对Hoek-Brown经验破坏准则的深入研究,通过对层状岩体完整岩石试件定义的改进,提出用Hoek-Brown准则的一个很重要的参数,即完整岩石试件的单轴抗压强度 来表征层状岩体强度随层面倾角的变化规律以及应用Hoek-Brown准则来分析层状岩体强度的方法。按照该方法对南水北调西线工程场区不同层面倾角板岩岩石试件进行单轴、三轴压缩试验。根据对试验结果的统计分析,确定不同层面倾角板岩岩体的Hoek-Brown经验破坏准则的相关参数,建立不同层面倾角板岩岩体的Hoek-Brown强度准则。此外,还获得完整岩石试件的单轴抗压强度 随层面倾角的变化规律,建立南水北调西线工程场区板岩岩体的Hoek-Brown经验破坏准则的统一表达式,并预测围压为10,15,20和25 MPa下南水北调西线工程场区板岩岩体的三轴强度随层面倾角的变化规律。本文的工作可以为类似工程提供借鉴。     

考虑结构面特性的层状岩体复合材料模型与应用研究

 层状岩体由于存在着定向结构面导致其破坏机制和变形行为与一般岩体相比,存在着显著的差异。为此,先通过独立考虑基岩和结构面的物理力学特性,提出层状岩体复合材料硬化–软化模型,以便用来描述这类岩体在强度和变形方面的各向异性以及渐进破裂(或滑移)特征。然后,采用VC++编程语言将该模型嵌入到FLAC3D软件中,从而实现非线性数值计算功能。通过与经典理论解和已有模型数值解进行对比,以及对单轴和三轴压缩试验的数值模拟,表明该模型在描述上述这些特征方面是合适的。同时,这些压缩试验的数值模拟结果给出不同围压和倾角情况下层状岩体的力学响应特征,并初步探讨这类岩体的破裂(滑移)机制。最后,将该模型应用于典型边坡工程和洞室工程中,所得结果可以较好地解释工程现场的变形破坏现象,且与工程实践基本相符,验证该模型在工程应用方面的可行性。     

考虑各向异性特征的三维岩体结构面峰值剪切强度研究

 由于岩体结构面形貌的复杂性,目前,所提出的峰值剪切强度模型不能够很好地体现其各向异性特征。鉴于此,综合考虑岩体结构面起伏角和起伏幅度,提出一个考虑各向异性特征的综合参数?表征岩体结构面粗糙度的新方法;?由某一方向的起伏角参数SRv和起伏幅度参数A表示;其中参数SRv表示结构面粗糙度的各向异性特征,用变异函数分析方法进行计算获得。然后,应用该法分析Barton十条标准轮廓线,拟合出JRC与参数SRv,A的关系表达式;结合Barton强度公式,给出考虑各向异性特征的岩体结构面峰值剪切强度模型。最后,基于ShapeMetriX3D三维形貌测量系统,在实验室开展类岩体结构面形貌的量测;并应用上述方法估算结构面4个方向上的峰值剪切强度。于此同时,开展该类岩体结构面各向异性的剪切力学试验,通过试验值与估测值的对比分析,验证了所提模型的正确性。研究结果为准确预测岩体结构面抗剪强度提供一种新方法。     

岩体结构面粗糙度各向异性特征及尺寸效应分析

 岩体结构面形貌存在明显的各向异性和尺寸效应特征。由于结构面本身的复杂性,定量表征其属性仍是该领域的研究难点。鉴于此,考虑岩体结构面的地质本质性特征,应用地质统计学原理,提出采用变异函数参数(基台C和变程 )表示结构面粗糙度(JRCv)的方法;然后采用量纲分析法,给出JRCv表达式。应用提出的公式计算结构面上不同尺寸范围(100 Pixel×100 Pixel～1 000 Pixel×1 000 Pixel) 32个方向上的JRCv值,分析结构面粗糙度各向异性及其尺寸效应特征。研究结果表明：(1) 从表观看,沿分析方向,结构面越粗糙,JRCv值越大,JRCv可以定量表征结构面粗糙度及其各向异性特征;(2) 在结构面分析方向上,随尺寸范围的增大,JRCv值逐渐减小,达到一定范围时,JRCv值趋于稳定,通过分析各方向上JRCv值随尺寸范围的变化趋势,可以确定结构面的临界范围;(3) 结构面各向异性特征受结构面研究范围的影响,当研究范围达到一定尺度时,结构面各向异性特征趋于稳定。该研究成果将为定量分析岩体结构面力学性质强弱方向提供依据,为实验室或原位结构面力学试验选择合理尺寸试件提供一种新方法。     

基于VirtuoZo的岩体结构面几何信息获取研究

针对目前岩体结构面信息获取主要以人工现场接触测量为主,劳动强度大、效率低下的现状,进行基于数字摄影测量工作站--VirtuoZo获取岩体结构面几何信息的研究,以期为岩体结构面几何信息的快速获取开辟新的途径.以边坡为研究对象,以全站仪空间前方交会法进行控制测量,以普通数码相机为摄影工具,应用VirtuoZo进行像物关系模型的建立,获取立体影像并测取边坡岩体结构面特征点的空间坐标;再结合所研究的结构面迹线展示模型和基于空间坐标的产状计算模型,获取结构面的迹长和产状信息.与采用人工罗盘测得的产状信息进行比较,得到基于VirtuoZo的岩体结构面产状信息获取的精度.通过广州保利林语山庄边坡加固工程中岩体结构面几何信息获取和应用实践表明,该方法可行且有广阔的应用前景.     

绿片岩软弱结构面的剪切蠕变特性研究

 针对锦屏II级水电站引水隧洞超埋深、高地应力的特点,选取边坡和地下洞室围岩中含有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩为研究对象,对含有软弱结构面的大理岩试样进行分级加载剪切流变试验,并对试验结果进行分析,探讨软弱结构面的蠕变特性。通过对不同法向应力条件下岩体结构面的蠕变力学特性及其规律的研究,以及对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行分析,结果显示结构面的剪切蠕变试验曲线表现出明显的3个阶段。在此基础上选用改进的Burger模型对结构面蠕变试验结果进行拟和分析,并讨论改进的Burger模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究

 通过规则齿型结构面在不同法向应力下的剪切试验,对其力学特性进行基础性研究,阐述规则齿型结构面在剪切条件下力学特性的主要特征,以及其强度、变形等力学特性的主要规律。通过对试验数据的分析,对结构面在剪切应力作用下的剪切变形曲线以及不同粗糙度结构面的剪切变形特性进行深入研究,在此基础上提出结构面剪切变形特性的经验本构关系,同时对结构面综合抗剪强度参数在剪切条件下的变化规律进行研究,建立评价结构面剪切强度的经验公式。最后还对结构面在剪切条件下的扩容特性进行分析,并对现象做出解释。     

盐岩力学特性应变率效应的试验研究

 以层状盐岩体矿床中的NaCl岩盐与无水芒硝盐岩为研究对象,在实验室内进行10－5～10－3 s－1范围内单轴压缩强度与变形特性的应变率效应研究。研究结果表明：在上述应变率范围内,NaCl岩盐与无水芒硝盐岩的单轴抗压强度与弹性模量基本不随加载应变速率而变化;同一应变速率条件下,无水芒硝盐岩强度略高于NaCl岩盐;两类盐岩的泊松比均随加载应变速率的增大而减小;随加载应变速率的增大,试件在峰值应力点处的应变减小,其变形模量与加载应变速率呈对数关系;试件破裂方式不随加载应变速率而变,NaCl岩盐试件破裂为柱状劈裂或楔型剪切,而无水芒硝盐岩则表现为单斜剪切。对扩容应力与极限强度之比统计结果表明,盐岩扩容应力与极限强度之比(平均值)为87.3%～91.0%,表明盐岩在扩容之前均具有很强的变形能力。由试验结果可知,在其他安全稳定条件满足的前提下,盐岩溶腔储气库运营中、腔壁应变率在10－5～10－3 s－1范围之内,可以保证储气库腔体的安全稳定运营。     

节理岩体卸荷非线性力学特性研究

工程岩体根据其受力特性可以分为加载岩体和卸荷岩体,结合三峡工程永久船闸高边坡岩体,利用自行开发的三轴试验设备进行研究,根据几何和重力相似、材料力学性能相似、岩体结构相似、边界力相似、开挖过程模拟相似,由重晶石粉、铁粉、石膏、水等制作尺寸为250 mm×250 mm×250 mm的试件,试件的几何比尺选择为CL=3,9,27,81;并对几何比尺为27的试件制作含有与船闸轴线相垂直的卸荷方向成8°,36°,52°,82°,90°的结构面。对节理岩体的加卸荷应力–应变关系、卸荷岩体(应力–应变关系、抗拉强度、变形模量)的各向异性、卸荷岩体(抗拉强度、抗压强度、泊松比、变形模量)的尺寸效应、卸荷岩体的流变特性、卸荷岩体的强度准则进行试验研究。研究结果表明,不同结构面方向对岩体的卸荷作用明显;岩体的抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比以及岩体的各向异性等均随着尺寸的加大而降低;岩石受拉的流变特性与岩石所受的拉应力大小直接有关;得出Hoek-Brown准则所描述的岩体强度关系曲线中的岩体材料常数m,s值。     

测量统计范围大小对结构面迹长估计的影响

 基于计算机模拟裂隙网络和典型露头实测结果2种数据,对比研究测量范围大小对迹长估值的影响。通过对比研究揭示测量范围大小对不同估值公式可靠性的影响,研究允许最小测量范围及其影响因素,发现窗口过大时有些计算公式也会出现明显偏差,并分析计算机模拟技术在该问题研究上的局限性。研究表明,对结构面迹长估值,首先应研究测量范围的适宜性及其对所采用估值方法的影响,否则,即便采用目前复杂的计算公式仍可能存在较大的取样偏差,为后续的结构面建模埋下隐患。另外,针对我国高放废物地质处置预选场地的典型露头进行的测量范围适宜性分析,也可为其接下去的结构面参数识别打下基础。     

基于数字钻孔图像的结构面连通性研究

 探讨钻孔内结构面在探测区域的空间延展性及两两钻孔间结构面连通所应满足的条件,并从结构面深度位置、两侧岩性及充填情况等方面进行结构面相关性研究,进一步确定两两钻孔岩体结构面的对应连通关系,最后通过开滦集团唐山矿区两两钻孔间结构面的连通性实例分析,证明通过数字钻孔图像确定结构面连通性的方法是有效可行的。     

非饱和板岩裂隙扩展机制CT试验研究

祓岩内部不仅含有大量的由黏土类矿物组成的层理、片理，且还含有数量众多的微裂隙及微孔洞，这使得其力学!特性显得相当复杂。采用CT机及配套岩石三轴试验加载设备，完成了2个锦屏Ⅱ级电站非饱和板岩试样的单轴压缩破坏CT实时试验，得到了试样破坏的各个阶段的CT图像。通过对CT图像的分析处理，从细观角度分析板岩微裂纹萌生、扩展，直至宏观裂纹形成并贯通的整个演化过程，解释含水平层理和垂直层理2种情况下非饱和板岩破坏方式不同的机制。根据CT原理，推导基于CT数的非饱和岩石标量型损伤变量的计算公式。     

高温后花岗岩力学性能的试验研究

对经历不同高温后花岗岩的力学性能进行了试验研究，分析了花岗岩应力．应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量和泊松比等的变化情况。研究结果表明，经历400℃以内的高温后，温度对花岗岩的力学性能的影响不明显。但经历的温度超过400℃后，随受热温度升高花岗岩力学性能迅速劣化，花岗岩峰值应力(或强度)和弹性模量急剧降低，而峰值应变迅速增长。高温后花岗岩泊松比随经历高温的增加而呈减少趋势。