层理特性对层状岩体剪切力学特性的影响研究

当前对层状岩体力学特性的研究多涉及抗压及抗拉特性,为研究层状岩体剪切破坏过程中的强度和弹性变形参数及破坏特征,通过基于人工制样方法,开展不同层理倾角、层理间距及层理粘结强度下层状岩体直剪试验,结果表明:随着层理倾角的增大,层状类岩体的抗剪强度指标呈现先增大、后减小、再增大的变化趋势,在３０°左右量值最大,在６０°左右量值最小;当层间粘结强度与岩层强度接近时,层理间距对其剪切特性的影响较小;层理粘结强度的提高会增强试样的抗剪强度。     

单轴压缩下层状岩体的各项异性研究

层理对岩体强度和各向异性特征都有重要影响,为了详细的研究层理间距和倾角对岩体强度 各向异性特征的影响,通过对类层状岩体标准试样的单轴压缩试验,得出了试样的强度和弹性模量随层 理间距、倾角的变化规律,并深入分析了试样的破坏形态,最后通过理论计算对试验结果进行了验证。 研究结果表明:岩体强度随层理面倾角的增加近似呈“Ｕ”型变化的规律,并在60°左右达到最小值;岩体 的弹性模量随层理面倾角的变化规律总体上是以45°为分界点,近似呈“Ｖ”型变化;岩体的强度、弹性模 量、破坏机制和各向异性比受层理面间距的影响均较小,层理间距为10ｍｍ的试样各向异性比为4．72, 层理间距为20ｍｍ的试样各向异性比为4．46,均属于高各项异性水平;试样破坏机理主要是剪切滑移和 张拉破坏,以及两者的组合。     

层理面细观参数对层状岩体强度特性影响的研究

为了从细观角度研究不同层理面的细观参数对层状岩体强度特性的影响,利用颗粒流建立数值模型,从细观角度将层理面力学参数分为黏结强度、摩擦作用和咬合作用3个方面,通过开展不同层理倾角下层状岩体单轴压缩试验的数值模拟,初步探讨了层理面力学参数对层状岩体强度的影响。结果表明:当层理黏结强度与基岩相差很大时,其影响可以忽略,而当其与基岩黏结强度比较相近时,其影响很大;层理摩擦作用对岩体整体强度的影响很小;层理咬合作用由层理厚度体现,是影响岩样整体宏观强度的重要因素,在试验颗粒级配条件下,当层理厚度取大约3倍最小颗粒半径时比较合理。     

层状岩体损伤破坏特征数值模拟

为更深入了解层状岩体的力学特性,首先基于细观损伤力学理论,运用体积平均化的方法,推导了微裂纹对岩体弹性柔度矩阵的贡献;然后基于不可逆热力学框架,导出了损伤矢量的损伤破坏方程;最后建立了层状岩体的损伤破坏本构模型,并通过数值计算模拟了层状岩体的损伤破坏特征,与室内试验结果吻合较好。巴西圆盘劈裂数值试验研究表明:岩体试样的破裂面均从加载点起裂;层理倾角0°、90°时,破裂面为通过加载中心和试样中心的近似平面,层理倾角为其他角度时,破裂面为偏离了加载中心的曲面。与室内试验结果对比可知,本文二次开发的本构模型能够较好地预测层状岩体渐进破坏的各向异性。     

层状各向异性岩体的室内单轴压缩试验分析

为研究层状岩体变形及强度的各向异性特征,将不同倾角的层状岩体制成标准试件进行单轴压缩试验,得到岩石试件弹性模量、峰值强度和残余强度,以及它们随层面倾角β的变化规律;并对试件峰值破坏形态进行了分析,最后通过理论计算验证试验结果的正确性。研究结果表明:随着层面倾角β的增大,层状岩体的弹性模量、峰值强度和残余强度呈先减小后增大的变化趋势。β为90°时,其模量和强度最大,β为45°~60°时较小,且β为90°时对应的模量和强度比β为0°时要大,表现出明显的各向异性特征。当β为0°~15°时,岩石产生沿轴向应力方向的劈裂破坏;β30°以后,岩石开始产生沿层理结构面的滑移破坏;β为90°时产生沿层理结构面的劈裂破坏。     

岩样单裂隙几何参数对其破坏模式与强度的影响

在含单裂隙岩体的试验中,对裂纹类型和试样破坏模式的研究可以帮助预测裂纹的萌生、扩展等现象,然而在工程结构设计中,应该更加关注岩体的承载力,即破坏强度。为了研究裂隙与岩体强度的关系,采用FLAC^3D建立相应试样的数值计算模型,同时改变其中单裂隙的倾角、长度等参数,通过对多组试样的加载试验,研究了单裂隙的几何参数(裂隙倾角、长度和张开度)对岩样破坏强度的影响。结果表明:随着裂隙长度的增大,试样峰值应力不断降低;随着裂隙倾角的增大,试样峰值应力整体呈增大趋势,但是当倾角<60°时,增长较缓慢,当倾角>60°时,峰值应力迅速增大;在试验范围内,随着裂隙张开度的增大,试样峰值应力基本保持不变。研究成果可为预测含单裂隙岩体的裂纹扩展和强度提供参考依据。     

动力荷载下软硬互层岩体力学特征

针对动力荷载下软硬互层岩体破坏问题,以汶川水磨沟滑坡层状岩体为研究对象,依据相似理论,制作软硬互层岩质试块,开展单轴压缩及变上下限等幅值循环荷载试验,研究其动力特性及破坏过程。结果表明：随岩层倾角的增大,其破坏模式为贯通层面的张拉破坏(0°～30°)、沿层面的剪切破坏(45°～75°)及沿层面的劈裂破坏(90°),而试样的强度及应变先增后减。对于相同倾角的试样,强度随加载频率及围压增大而增大。应变随加载频率增大而减小,随围压增大而增大。加载频率的增大会导致竖向拉张裂缝贯通、破裂程度降低。     

层理灰岩抗拉力学参数各向异性及破裂特征分析

山体斜坡在自重荷载或卸荷作用下常表现为侧向受拉,拉裂缝的形成及展布方向与层面产出状态密切相关。为探讨层理倾角对岩体抗拉力学特性与宏-细观破裂特征的影响,以三叠系大冶组中厚层状灰岩为研究对象,对0,15°,30°,45°,60°,75°,90°共7种倾角层理灰岩岩样进行巴西劈裂试验,并结合高精度三维激光扫描技术,获得了岩样拉伸力学参数和破裂面线粗糙度、盒维数随层理倾角的变化规律。研究结果表明：随着层理倾角的增加,灰岩抗拉强度与拉伸模量逐渐降低;张拉裂缝呈现出基体拉裂-拉剪复合-弱面层理张拉的破裂变化趋势;且最终破坏形态可分为直线型、月牙形与弧形;破裂面线粗糙度与盒维数值随层理倾角增加而先增大、后减小、再增大,起伏粗糙度与破裂面张拉作用大小呈正相关、与破裂面剪切作用大小呈负相关关系。研究结果可为进一步完善层状岩体张拉破坏内部演化机制研究提供参考。     

层状岩体抗剪强度产状效应的数值试验研究

层状岩体力学特性呈现出明显的各向异性特点,其强度和变形参数不但与作用力和岩体结构面之间的夹角有关,同时还与岩体结构面的走向密切相关。为研究岩体结构面产状对层状岩体抗剪强度参数的取值影响,首先对某工程现场直剪试验进行模型辨识研究,然后采用数值试验方法对层状岩体抗剪断试验进行拓展性数值研究,进而对岩体的抗剪断强度各向异性进行了深入研究,分析了层状岩体抗剪断强度特性与结构面产状之间的变化规律。研究结果表明：层状岩体的抗剪强度参数呈现明显的非正交各向异性特点;随着结构面倾角的增大,抗剪断强度参数与结构面产状之间关系可采用空间椭圆面来描述。      

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。     

关于层状岩体抗拉强度测定方法的讨论

为了探究层状岩体抗拉强度合适的测定方法,将前人对巴西圆盘劈裂的理论和试验成果进行 了归纳总结;并在此基础上,对直接拉伸法进行理论分析,提出了合理的建议。研究表明:巴西圆盘劈裂 试验对试样的要求是在加载直径线两侧的层理构造和岩石材料均对称分布,只有这样,圆盘试样在线性 荷载作用下,内部应力才能对称分布,劈裂破坏面才会沿着加载直径方向穿过圆盘中心点,从而巴西劈 裂的理论计算公式才能得到满足;在直接拉伸试验中,试样的破坏形态和机理有三种沿层理面的张拉 破坏、沿层理面的剪切破坏、基质的张拉破坏,且抗拉强度均为σｔ＝Ｆ／Ａ;巴西圆盘劈裂试验的适用范 围不能盲目地扩大,对于层状岩体的抗拉强度测定方法,建议选用直接拉伸法。     

不同倾角层状砂岩单轴压缩及数值模拟试验研究

地下层状岩体存在节理、断层等结构面,层状岩体是许多基础设施和地下工程的载体,层状岩体具有明显的各向异性。为探明具有不同结构面倾角岩石的力学性质和破裂模式对水利裂缝扩展的影响,人工制作不同角度结构面的岩石模型,并开展单轴压缩试验和ＦＬＡＣ3Ｄ数值模拟对岩样进行破裂模式和力学参数各向异性分析。结果表明当结构面倾角为0°时,试样发生劈裂破坏,宏观破裂面沿着结构面,结构面主导岩石的破坏模式;倾角为15°、30°和45°时,试样由劈裂张拉破坏逐渐转换为剪切破坏,宏观破坏面主要沿节理面发生,节理主导岩石破坏的作用开始逐渐削弱。倾角60°、75°和90°时,裂缝会穿过结构面,宏观破裂面不沿着节理层面。相同角度的饱水模型的单轴抗压强度明显降低,随着节理面倾角的减小,岩石单轴抗压强度出现先减小再增大的现象,图像趋势为“勺”形。研究结果可为矿区水力裂缝扩展趋势、岩层失稳破坏风险评估提供参考。     

层状岩体在三轴加载下的扩容及塑性应变特性

为研究层状岩体在三轴加载下的扩容及塑性应变特性,选取具有典型层理构造的千枚岩为研究对象,制作倾角为0°、30°、45°、90°标准岩样,采用MTS815试验系统进行三轴加载试验,定义了塑性应变比以研究轴向与环向裂隙的发展速度.结果表明:千枚岩应力-应变曲线5个典型区段及特征应力与围压和层理倾角存在明显的相关性;千枚岩扩...     

水工隧洞薄层状围岩分类案例及探讨

岩石饱和单轴抗压强度是隧洞围岩工程地质分类的主要指标,而薄层状岩石饱和单轴抗压强度存在各向异性,现行规范中对薄层状岩围岩的饱和单轴抗压强度取值没有明确界定。文章选取西藏两个大型水利水电工程中的隧洞围岩分类案例,探讨了板岩等薄层状围岩饱和单轴抗压强度的取值原则。从围岩分类指标的一致性考虑,相对于块状结构——中厚层状岩体,薄层状岩体的饱和单轴抗压强度取值应减小层理等结构面对试验结果的影响。可采取层理面与压缩方向不同交角的试样进行试验,并结合工程经验确定饱和单轴抗压强度。     

基于神经网络的节理岩体单轴强度预测

基于RMT-150C岩石力学试验系统上的节理岩体单轴压缩试验结果,分析了影响节理岩体单轴压缩强度的因素。节理岩体的单轴压缩强度与节理贯通度、节理倾角、节理个数等因素有关,且是一种复杂的非线性关系。同一贯通度节理岩体在节理倾角为0°时峰值强度最大;同一节理倾角岩体的峰值强度随着贯通度的增大而减小。考虑到多种因素对节理岩体单轴压缩强度的影响,建立了BP神经网络模型,对节理岩体的单轴压缩强度进行预测,然后利用遗传算法优化BP神经网络模型。通过岩石单轴压缩试验样本数据的学习,遗传算法优化的神经网络模型能够很好地预测节理岩体的单轴压缩强度。     

渗流应力作用下层理岩体稳定性数值分析

为研究渗流应力耦合作用下含倾角层理岩体的稳定性,基于岩体极限平衡状态方程,以30°层理白云岩为例,推导该层理岩体在渗流应力耦合作用下的稳定性判别式,通过等效连续介质模型和Louis经验公式,建立渗流应力耦合模型,并采用Midas GTS NX对该层理岩体进行渗流应力耦合作用稳定性分析,建立相应的数值试验。结果表明,所建立的渗流应力耦合模型分别对10和50 kN/m荷载作用下的层理岩体总水头、总位移、剪应变进行数值分析,模型的计算结果与判别式计算结果拟合度较好;判断了层理岩体的稳定性,可为类似研究提供相应的理论依据,具有一定工程应用价值。     

干湿循环和化学腐蚀共同作用下单裂隙非贯通试样力学特征的试验研究

以水库库岸边坡消落带节理岩体的实际赋存环境为背景,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法来模拟节理岩体,通过干湿循环试验的方法,研究了裂隙试样在酸性Na_2SO_4溶液、中性Na_2SO_4溶液和碱性NaOH溶液中浸泡并经历干湿循环作用后的力学特性和破坏特征,分析了浸泡在不同化学溶液中的裂隙试样在经历不同干湿循环作用后其力学特征的变化规律。研究结果表明:自然及不同化学溶液下裂隙试样的峰值强度和弹性模量随着裂隙倾角的增加均呈现出先减小后增大的变化规律。不同化学溶液和干湿循环共同作用下裂隙试样的劣化程度逐渐加剧,其峰值强度和弹性模量随干湿循环次数的劣化规律基本一致,但不同裂隙倾角下其劣化程度却存在一定的差异,其中裂隙倾角为45°时,试样的劣化程度最大,90°和30°时居中,而60°和0°时最小。酸性化学溶液加剧了裂隙试样的干湿损伤劣化程度,而碱性化学溶液对裂隙试样却存在一定的抑制作用。完整试样和裂隙倾角为90°试样的破坏特征基本相似,为张拉破坏模式;0°时裂隙试样呈现为"H"型的张拉破坏模式;在30°和45°时其呈现出张剪混合破坏;60°时为剪切破坏。     

不同围压和层理下板岩三轴蠕变试验及损伤模型研究

为了研究围压和层理对板岩三轴蠕变特性的影响,制备了最大主应力方向与层理夹角为 0°和 90°的 2 组岩样( 0°为平行组; 90°为垂直组) ,分别进行 5 MPa、10 MPa、15 MPa 围压下的三轴蠕变试验。结果显示: 板岩在三轴应力条件下的蠕变具有瞬时弹性阶段、稳定蠕变阶段、加速蠕变阶段这三个阶段特征; 在同一围压下,垂直组试样加载级数大于平行组岩样加载级数; 垂直组试样的瞬时弹性应变高于平行组试样; 垂直组试样的累计蠕变应变均低于平行组试样。计算长期强度与峰值强度的比值得到垂直组试样的强度损伤低于平行组试样; 围压越高,试样蠕变变形越小,峰值强度和长期强度越高。基于 Kachanov 蠕变损伤理论,考虑层理角度的损伤,引进一个弹塑性损伤元件,建立了描述不同层理角度板岩蠕变过程的改进西原模型,用该模型对试验数据进行拟合,结果表明: 模型能够较好地反映蠕变三阶段; 垂直组试样的弹性模量、黏滞系数比平行组试样相对较大,蠕变参数基本随着围压的增大而增大,体现了围压效应,这与试验结果相吻合。     

不同围压和层理下板岩三轴蠕变试验及损伤模型研究

为了研究围压和层理对板岩三轴蠕变特性的影响,制备了最大主应力方向与层理夹角为0°和90°的2组岩样(0°为平行组;90°为垂直组),分别进行5 MPa、10 MPa、15 MPa围压下的三轴蠕变试验。结果显示:板岩在三轴应力条件下的蠕变具有瞬时弹性阶段、稳定蠕变阶段、加速蠕变阶段这三个阶段特征;在同一围压下,垂直组试样加载级数大于平行组岩样加载级数;垂直组试样的瞬时弹性应变高于平行组试样;垂直组试样的累计蠕变应变均低于平行组试样。计算长期强度与峰值强度的比值得到垂直组试样的强度损伤低于平行组试样;围压越高,试样蠕变变形越小,峰值强度和长期强度越高。基于Kachanov蠕变损伤理论,考虑层理角度的损伤,引进一个弹塑性损伤元件,建立了描述不同层理角度板岩蠕变过程的改进西原模型,用该模型对试验数据进行拟合,结果表明:模型能够较好地反映蠕变三阶段;垂直组试样的弹性模量、黏滞系数比平行组试样相对较大,蠕变参数基本随着围压的增大而增大,体现了围压效应,这与试验结果相吻合。     

层理压剪特性及裂纹沿层与穿层破坏数值模拟及其机理研究

针对岩石工程中的节理缺陷,基于统计损伤理论,对含裂隙及层理情况下的小尺寸试样进行了单轴压缩数值模拟。结果表明:不含预制裂纹的节理模型裂隙顺着节理产生,含裂隙及节理模型裂隙沿预制裂纹尖端及节理产生,仅含预制裂隙模型裂隙沿预制裂纹尖端产生;节理倾角较小时,节理发生剪切破坏,预制裂隙的翼裂纹主要发生穿层破坏,节理倾角较大时,节理发生拉伸破坏,预制裂纹的翼裂纹主要发生沿层破坏,且靠近预制裂纹的节理破坏更加剧烈;随着节理倾角的增大,峰值荷载先减小后增大,当节理倾角为45°时试样的峰值荷载最小,含预制裂纹及节理下的模型峰值强度最低,仅含节理的模型峰值强度较大,仅含预制裂隙下的模型峰值强度最高。基于声发射规律推导了层理压剪损伤过程的本构方程,结合数值模拟结果,得到加载过程中岩样的损伤变化一共分为四个阶段,即线弹性变形阶段、裂纹萌生阶段、裂纹加速扩展阶段及损伤平稳发展阶段。同时,讨论了层理裂隙沿层及穿层破坏的理论解释,认为层理抗拉强度及倾角是影响裂隙的沿层及穿层破坏的关键因素。