基于3D打印技术的岩体结构面各向异性剪切力学行为

结构面形貌特征是影响结构面剪切行为的重要因素,而且结构面形貌特征的各向异性与其剪切力学行为的各向异性之间存在一定的联系。利用三维激光扫描和3D打印技术模拟了天然结构面,并以水泥砂浆为材料浇筑了尺寸为100 mm×100 mm×150 mm的含结构面试样,开展了不同法向应力下沿不同方向的剪切试验。结果表明,结构面的剪切行为具有明显的各向异性,这种特性可以体现在峰值剪切强度及相应的剪切位移和抗剪强度参数上;在低法向应力条件下,峰值剪切强度各向异性的强弱程度与法向应力之间并非呈现简单的单调变化关系;抗剪强度参数c(黏聚力)、Φ(内摩擦角)值沿不同剪切方向的变化趋势总体上较相似;通过分析不同剪切方向上c、Φ值相对于0°方向的差异程度,可以发现剪切方向对c值的影响更为强烈。

基于循环加卸载的矿物定向排列致各向异性岩石损伤演化规律——以黑云母石英片岩为例

黑云母石英片岩是一种典型的矿物定向排列致各向异性岩石,为研究其损伤演化规律及各向异性表现特征,针对含0°,45°,90°三种片理角度的试样,开展等塑性应变循环加卸载声波–力学联测试验。结果表明:随塑性应变的增加,3种试样的起裂强度σ_(ci)、损伤强度σ_(cd)与峰值强度σ_(f)变化趋势相同,其中σ_(cd)与σ_(f)达到稳定时对应的塑性应变一致;对片理控制作用较强的45°试样,围压对其强度特征值比演化的影响较小,并且其损伤随塑性应变增长能更快达到稳定状态;在抗剪强度参数演化过程中,由各组试样黏聚力和内摩擦角的临界塑性应变,确定抗剪强度参数变化速率关系为45°>0°>90°,片理控制作用较强时表现出黏聚力快速损失、摩擦角快速增强特征;完整性系数演化至稳定状态所对应的塑性应变与σ_(cd)相同,但片理角度不同则会对声波传输产生差异影响,导致不同围压下完整性系数的差异演化,其中90°片理试样表现最为显著。该研究借助多种量化指标分析,探究了矿物定向排列致各向异性岩石损伤演化的特殊力学行为。

考虑各向异性形貌特征的岩体结构面刚度计算模型

为了实现岩体结构面切向刚度和法向刚度的便捷化精准取值,准确分析结构面变形行为特征,以关山隧道闪长岩结构面为例,对结构面形貌信息进行数字化提取,应用3D打印技术制作结构面试样,开展单轴压缩与各向异性直剪试验,提出了各向异性新形貌参数,建立了结构面切向刚度与法向刚度计算新模型。研究结果表明:新形貌参数综合考虑了结构面起伏体上坡段的爬坡角与爬坡高度,有利于反映结构面形貌的各向异性特征,并且同一方向上结构面剖面线的形貌参数服从对数正态概率分布;在物理模型力学试验的基础上,结合结构面形貌参数、结构面壁面强度和法向应力构建的结构面切向刚度计算新模型,不仅降低了计算参数的获取难度,还可以更好地体现结构面切向变形能力的各向异性;改进的双曲函数法向刚度计算模型考虑了结构面初始法向刚度和最大法向闭合量与结构面壁面强度之间的量化关系,避免了复杂的力学测试,简化了法向刚度的获取过程;通过与经典计算模型和力学试验结果进行对比,发现采用新模型计算的刚度更为接近试验值,其中切向刚度与试验值的平均相对误差为2.09%~27.88%,法向刚度与试验值的平均相对误差为3.25%~17.25%,表明结构面切向刚度和法向刚度计算新模型可以更准确和便捷地获取结构面变形参数。