协同夹持式结构面循环剪切装置的研制与应用

在调研已有循环剪切设备的基础上,为开展循环作用下结构面的力学性质研究,提出了协同夹持式循环剪切构型,详细介绍了所研制的岩体结构面循环剪切装置的主要功能、设备组成和技术指标,并开展了一系列岩体结构面的测试试验。该循环剪切装置主要包括试验装置、动力系统、控制和采集系统三部分,设备最大法向压缩应力为60 MPa,最大循环剪切应力为100 MPa,最大试样尺寸为150 mm×150 mm×150 mm;设备更多地考虑了结构面循环剪切测试的研究需要,可以对岩体结构面试样开展多项力学试验,包括结构面法向压缩试验、结构面法向循环加卸载试验、多种控制模式下的结构面单调剪切试验,变路径循环剪切试验等,试验数据采集平稳、曲线光滑,证明了研制设备的有效性和准确性。利用该装置对岩体结构面进行了多因素变量下的循环剪切试验,结果表明:结构面的循环剪切力学性质与法向应力、结构面粗糙度、剪切速率和循环次数密切相关,结合三维扫描仪,进行试样试验前和试验后的三维纹理扫描,建立三维数字地形,研究了结构面在循环剪切中的破坏过程和破坏模式。相关研究成果将为岩体结构面在循环荷载作用下的力学破坏机制与本构模型研究提供技术支撑。

循环荷载作用下岩石劈裂结构面剪切力学特性演化与影响因素研究

基于现有结构面剪切力学特性研究中对简单几何形态结构面研究多,天然形态结构面研究少,力学性质演化研究多,几何形态演化研究少的研究现状,通过巴西劈裂试验制备近天然形态岩石结构面,并采用模拟材料批量复制劈裂结构面试样的方法,开展循环荷载作用下岩石劈裂结构面的剪切力学特性演化规律与影响因素研究,分析法向应力、循环剪切次数、岩壁强度以及结构面粗糙度对循环剪切作用下岩体结构面力学特性和形貌特征的影响。最终通过在黏着摩擦理论-Barton经验公式中引入与循环剪切次数Nd有关的负指数假定劣化参数,提出了岩体结构面循环剪切强度公式。研究结果表明:法向应力、岩壁强度、结构面粗糙度越大,结构面的最大剪应力越大;法向应力、循环剪切次数、结构面粗糙度越大,岩壁强度越小,则归一化粗糙度参数越小。提出的循环剪切强度公式较好地验证了试验结果,可为工程安全设计提供理论参考。

岩石材料抗拉强度与劈裂节理面形貌的加载速率效应研究

为研究岩石材料抗拉强度与劈裂节理面形貌的加载速率效应,使用花岗岩、玄武岩和灰岩3种岩石试样进行不同加载速率下的巴西劈裂试验,研究了岩石材料抗拉强度的加载速率效应。基于三维扫描建立劈裂节理面数字地形,定性地研究了加载速率对劈裂节理面破坏形貌的影响。随后通过3种岩样劈裂节理面粗糙度指标的计算,定量地研究了粗糙度与加载速率和抗拉强度的关系。研究结果表明:岩石抗拉强度随加载速率的增加而增大,在双对数坐标系下,两者表现出较好的线性相关性,根据3种岩石材料劈裂节理面的表面形态,从粗糙度定性和定量结合评价的角度,对比得出加载速率和抗拉强度对试样劈裂节理面粗糙度具有显著影响,岩石的加载速率越大,抗拉强度越大,劈裂节理面粗糙度也随之越大。该研究结果为节理面形貌指标与力学参数的关系研究提供一定参考。

基于离散元方法的锚碇岩砼接触力学性质研究

重力锚碇结构稳定性多采用有限元方法进行分析,由于有限元的连续介质假定,使得锚碇结构混凝土和基底岩体之间的相互作用不能得以考虑。针对这一问题,本文采用专门用来解决不连续介质问题的离散元方法,将重力锚碇结构视作岩、砼及其接触面构成的不连续体,从新的视角开展研究。本文以一处重力锚工程实例中的现场缩尺试验为基础,利用离散单元法对岩砼接触面的力学性质进行模拟,分析了缩尺模型在设计工况下的基底变形、接触面法向与切向应力分布、屈服状态,对比研究了接触面上键槽、抗滑台阶的作用。结果表明:设计工况下,锚碇模型变形基本为以第二平台键槽部位为中心的刚体旋转为主。锚碇混凝土块的刚性旋转,使得岩砼接触面发生变化,引起受压不同接触面上台阶效果、抗剪能力的改变;在设计荷载作用下,岩砼接触面不会因剪切作用而发生破坏,接触面上的键槽、台阶等抗滑措施提供了较大的抗滑承载力。

深埋隧洞软岩力学特性与合理参数取值研究

针对深埋软岩力学特性与合理参数取值问题,通过室内高围压条件下的三轴试验,研究引江补汉工程志留系页岩的力学特性,分析不同层面倾角对页岩力学特性和破坏模式的影响,基于试验研究、理论分析、工程类比与反演、规范验证等多种手段的系统研究,提出一套深埋软岩合理力学参数取值方法,同时以地应力反演值的外包络线确定了软岩洞段不同埋深下的地应力大小,通过研究发现:随着围压由低变高,岩石试样的黏聚力随之增加,内摩擦角随之降低,当层面倾角为0°时,页岩试样的强度参数最高,当层面倾角为55°时,其强度最低,且此角度下的岩石破坏面与层面一致,基于三轴试验结果、H-B强度准则、同地层隧道工程类比和收敛约束法理论反演,总结出深埋软岩合理力学参数取值方法,体现了围压对岩体等效力学参数的影响,在此基础上,采用强度应力比和开挖变形量对引江补汉工程深埋软岩变形量、变形等级和规模进行预测和评价。

围岩-衬砌接触面剪切力学性质及破坏机制的试验研究

基于巴西劈裂试验和三维扫描、3D打印技术,制作了围岩-衬砌接触面模型,结合围岩、衬砌的混凝土模拟材料,制备围岩-衬砌接触试样,通过模拟围岩-衬砌接触试样的剪切试验,研究围岩-衬砌接触面的剪切力学性质和破坏机制,分析影响其力学性质的主要因素,探究了围岩-衬砌接触面的抗剪强度公式,研究结果表明:围岩-衬砌接触试样的剪切曲线呈现出延性和脆性2种破坏类型;法向应力、接触面粗糙度和两侧材料力学性质对围岩-衬砌接触面的剪切变形、强度和破坏形态均有影响,对比发现接触面两侧材料属性的影响大于接触面粗糙度;接触面的剪切力学性质和破坏形态不仅取决于各因素的大小,还取决于其组合作用;依据接触面的破坏特征,将黏着摩擦理论引入Barton经验公式,提出适用于围岩-衬砌接触试样的剪切强度公式,实现了强度特征与影响因素的结合,为地震作用下的围岩-衬砌相互作用研究提供了试验参考。