循环剪切荷载作用下充填物对结构面剪切特性影响试验研究

利用相似材料复制劈裂结构面,进行常法向应力下循环剪切试验,研究无充填、充填黄泥3mm、充填石膏3mm和充填岩屑3 mm条件下结构面循环剪切强度、变形和形貌演化特性。结果表明:(1)循环剪切中占主导地位的破坏模式会发生改变,无充填时由剪断破坏向磨损破坏转化,充填黄泥时主要为滑移破坏,充填石膏时由剪断破坏向滑移破坏再向磨损破坏转化,充填岩屑时由剪断破坏向磨损破坏转化。(2)随着循环剪切次数增加,无充填和充填黄泥时峰值剪应力以减速率减小,充填石膏和岩屑时峰值剪应力先减小再以减速率增大,充填物会弱化结构面循环剪切强度,其中以黄泥的弱化影响最大。(3)不同充填材料条件下,结构面循环剪切中平均剪胀角均以减速率减小,有充填时循环剪切中剪缩现象更明显,其中充填黄泥时剪缩幅度最小,充填石膏时剪缩幅度最大。(4)有充填物条件下,循环剪切后结构面磨损程度比无充填条件下要小,其中以充填黄泥时磨损程度最小,充填石膏时磨损程度相对最大。

剪切-渗流作用下煤岩剪断面形态特征试验研究

利用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了不同法向应力作用下煤岩剪切-渗流耦合试验研究,并对剪断面进行立体扫描,分析不同法向应力作用下煤岩剪断面的二维断面特征参数和三维断面特征参数。结果表明:(1)煤岩试件剪切破坏主要是塑性破坏,在恒定气压条件下,法向应力越大,煤岩的峰值剪应力越高,且煤岩的峰值剪应力与法向应力近似呈线性关系;(2)法向应力是煤岩剪断面形态特征的影响因素之一,在恒定气压条件下,其施加的法向应力越大,二维断面特征参数和三维断面特征参数基本都呈减小趋势,也即法向应力越大,煤岩剪断面的起伏度和粗糙度都越小;(3)在煤岩剪切过程中,法向应力能通过影响剪切裂纹的扩展区域进而影响煤岩试件的渗流特性和剪断面的形貌特征。

不同降雨强度下滑坡表面冲蚀体积试验

在山区,降雨导致的土壤冲蚀是产生堆积物、改变地貌地形的主要因素。其过程复杂并且受如降雨强度、地表粗糙度等多种因素影响。为研究不同降雨强度条件下降雨对滑坡表面冲蚀的体积指标特性,采用实验室模拟降雨试验平台进行实验,Golden Surfer软件直接读取堆积体体积、3D模拟模型研究降雨与输出数量关系等方法,再现了以体积量直接输出的堆积物与降雨之间的关系。结果表明:降雨过程中,坡体深部土壤体积含水率变化较小,浅层土壤孔隙水压与含水率变化较大;降雨初期,降雨入渗有效提高表层孔隙水压力,地表径流小,带沙能力弱;随降雨时间增加,地表径流强度增加是提高水流冲刷力的主要因素,累计冲蚀堆积体体积随降雨强度增加而增大,但是增速减小,其主要原因是降雨后期,地表形成冲刷沟壑,累计冲蚀堆积体体积受地表粗糙程度限制;通过对降雨时间、降雨强度以及冲蚀堆积体体积进行三维拟合,发现三者幂函数曲线的拟合较好。

不同孔隙水压条件下完整砂岩剪切力学特性试验研究

利用自主研发的煤岩剪切–渗流耦合试验装置,开展法向应力为2.0 MPa,孔隙水压分别为1.0,2.0和3.0 MPa条件下砂岩剪切破坏试验,同时利用三维立体扫描仪对剪切断裂面进行扫描,运用Matlab软件编写统计参数计算程序,分析不同孔隙水压下的剪切断裂面特征。研究结果表明:(1)孔隙水压对砂岩剪切力学特性具有"软化"效应,孔隙水压越高,砂岩的抗剪强度越低,峰值剪切变形量与峰值法向变形量均越小;(2)孔隙水压越高,试件剪切断裂面各点相对基准剪切面垂直距离的均方根偏差S_q、粗糙度指数S_r以及表面裂纹分形维数D_r等均越小,表明随孔隙水压增大,剪切断裂面粗糙程度降低;(3)通过剪切断裂面裂纹扩展分析发现,在不同孔隙水压条件下的剪切试验过程中,试件表面裂纹的扩展只能反映靠近该表面很小范围的内部裂纹扩展情况,不能等同试件剪切断裂面裂纹的扩展路径。

基于CGAL的岩石裂隙面三维重构方法研究

水力压裂后裂隙的几何学特征决定了裂隙岩体强度、变形行为及渗流特性。为进一步定量分析剪应力–注水压力耦合作用下砂岩裂隙面表面粗糙度、隙宽、产状和分形特征等,提出一种基于计算几何算法库(computational geometry algorithms library,CGAL)的裂隙面三维重构方法。结合水力压裂试验后含裂隙试件CT扫描图像的灰度分布特征,优化了其预处理方法以保证三维重构的准确性,采用Delaunay细化方法重构了试验后含裂隙试件,并用随机抽样一致算法检测试件表面,实现了自动校正倾斜、统一空间位置,最终通过裁切可单独提取裂隙面,并通过裂缝沟通体积、裂缝沟通面积和分形维数对其进行了量化表征。结果表明,基于CGAL三维重构后的裂隙模型可再现砂岩试样在剪应力–注水压力耦合作用下内部裂隙的发育特征,为岩石裂隙面几何特征的量化表征及裂隙面渗流特性数值模拟研究提供了基础。