PPGF-灰岩胶结面剪切力学特性试验研究

为探究浆液—裂隙胶结面的剪切开裂破坏规律与力学响应机制,以新型石墨烯基注浆材料PPGF为研究对象,开展了不同石墨烯掺量、不同裂隙粗糙度以及不同法向载荷条件下的PPGF-灰岩胶结体直剪试验,得到了石墨烯、裂隙粗糙度与法向载荷对胶结面开裂、剪切应力与法向位移的影响规律。结果表明:随石墨烯掺量的增加,最大剪切应力呈先增大再减小的变化规律,并且掺量为0.036%时增幅最大。当胶结面的剪切破坏以爬坡滑移为主导时,石墨烯与法向载荷对剪胀位移的影响较小,当剪切破坏以剪断滑动为主导时,石墨烯和法向载荷对剪胀位移影响较大。石墨烯可以增加PPGF的黏结强度,延缓胶结面开裂。开裂剪切位移随粗糙度的增大而增大,随法向载荷的增加而减小。

基于机器学习的岩体结构面剪切破坏区域预测研究

剪切破坏区域是岩体结构面上下盘相对运动的主要接触区域,对抗剪强度具有重要影响。鉴于结构面剪切破坏区域与形貌特征的高度非线性关系,本文在分析结构面表面形貌特征及剪切机制的基础上,以粗糙度参数倾向、倾角、曲率、高差和孔径分布来描述结构面表面形貌特征。对结构面试样开展法向应力为1.0 MPa的直剪试验,通过图像分割技术提取剪切破坏区域,利用多种机器学习方法构建结构面剪切破坏区域预测模型,建立结构面粗糙度参数与破坏状态之间的非线性关系,并采用训练准确率和AUC(Area Under Curve)值等指标对模型预测性能进行评估。结果表明所建立的模型中集成装袋树预测性能最好,其次是K最近邻,其训练准确率最高分别可达98.02%和97.38%,AUC值最高分别可达0.78和0.74。通过敏感性分析发现孔径分布对剪切破坏区域的影响最大。本研究对有效分析结构面的剪切破坏机理和准确评价抗剪强度具有重要意义。

半成岩结构面原位直剪试验及抗剪参数的研究

半成岩作为一种特殊性岩土,工程性质受岩体结构面的影响较大,因此,确定结构面的剪切强度参数十分重要。文中根据半成岩原位剪切试验结果,采用概率统计分析方法,对抗剪强度参数进行估算,同时对M-C准则模型、B-B准则模型的95%预测区间和95%置信区间进行拟合及评价。结果表明,B-B准则模型的95%置信区间较M-C准则的范围更窄,参数估计的可靠性更高,尤其低法向应力水平下,B-B准则模型明显优于M-C准则模型,其抗剪强度参数更准确。

强风化云母石英片岩原位直剪试验研究

强风化片岩难以采取原状试样开展室内试验获取岩体力学强度参数,原位直剪试验是获取强风化片岩抗剪强度参数的可靠途径。原位直剪试验研究表明,强风化片岩整体呈弹塑性破坏特征,在抗剪断强度达到峰值后,剪切位移急剧增大,剪应力未出现陡降,即残余强度效应不明显。同时,强风化片岩抗剪断内摩擦角呈显著的各向异性,随预设剪切面与层理面夹角的增大而增大,当夹角为零即沿层理面剪切时内摩擦角值最小;强风化片岩的黏聚力与剪切方向相关性不明显,主要受岩体内石英、云母等矿物成分含量的高低影响。基于原位直剪试验成果,开展强风化片岩高边坡防护工程优化设计的成功实践表明,加大勘察成本投入,通过原位试验获取可靠的抗剪强度参数,可保证高边坡支护设计方案的安全性和经济性。

某堆填土欠稳定高边坡抗剪强度参数取值研究

梧州市某楼盘在建筑安全影响范围内有一削坡形成的高度20~45 m的堆填土高边坡,存在较大滑塌安全隐患,需对该欠稳定高边坡综合整治处理。为取得符合实际的、经济合理的边坡设计抗剪强度参数,采用了综合法确定抗剪强度参数,即采用现场原位直剪试验、室内重塑土样试验、多元线性回归法等,综合分析确定欠稳定高边坡的抗剪强度参数。结果表明:采用综合法参数取值能优化边坡设计、缩短治理工期、节约治理费用,治理效果显著。

结构面抗剪强度参数线性拟合方法适用性研究

针对岩体结构面力学参数的重要性,开展最小二乘法、点群中心法、随机-模糊法、可靠度分析法4种结构面抗剪强度参数线性回归方法的理论对比与分析。在传统点群中心法的基础上,提出求解过程严密、计算精度较高的改进优化算法。为保证可靠度分析法中验算点法参数初始赋值的准确性,提出基于可靠度理论的结构面抗剪强度参数c,Φ的均值、标准差优化赋值方法。以武隆县鸡尾山滑坡为例,比较不同岩体结构面数据条件下上述4种方法的适用性。结果表明,各方法的适用性与试验数据的离散性及数据量有关;当数据线性理想时,4种方法均可直接用于结构面抗剪强度参数的线性回归分析;当试验数据较离散时,点群中心法已不再适用,可根据工程要求、异常值情况和计算收敛情况选取合适的数据处理方法。

基于多尺度直剪试验的岩石模型结构面抗剪强度特征研究

开展岩石模型结构面抗剪强度特征的多尺度（尤其大尺寸）直剪试验研究对于理解岩石结构面力学特性具有重要的理论价值和实践意义。首先，基于多尺度直剪试验仪（MSJ-DST），对20cm×20cm、40cm×40cm、60cm×60cm、80cm×80cm和100cm～100cm的岩石模型结构面试样采用法向应力分别为200～1000kPa进行直接剪切试验；然后，研究不同尺寸岩石模型结构面抗剪强度的特征。结果表明：不同法向荷载作用下模型的受力变形特点相近，峰值剪切位移总体上随着某一数值附近上下浮动；在同一法向应力作用下，不同尺寸结构面试样的峰值抗剪强度表现出在某一数值附近上下浮动的特征，残余抗剪强度则表现出随尺寸的增加有小幅度增加；5级法向应力作用下，不同尺寸的峰值抗剪强度和残余抗剪强度随着法向应力的变化规律均近似相同，抗剪强度残余值与峰值的比值随着法向应力的增大逐渐增大并趋于稳定。

制样误差对结构面直剪试验结果影响定量研究

在结构面直剪试验制样过程中,所产生的误差会对试验结果带来很大的影响。研究结构面制样误差对试验结果的影响具有十分重大的意义。推导结构面倾斜时的正、剪应力的修正公式,并研究控制结构面倾斜的2个参数爬坡角α、偏角β对试验结果的影响。定量分析结果表明:试验结果误差对控制结构面倾斜的因子爬坡角α敏感,而偏角β对试验结果影响较小,可忽略;最后提出了2种试验结果误差修正方法,并给出一修正实例。

基于黏着摩擦理论的结构面抗剪强度选取方法

运用黏着摩擦理论,分析结构面直剪过程中实际剪切面积的变化规律及其对剪切应力的影响,认为实际接触面积的最大点对应于结构面的剪切破坏状态,由此通过对试验过程的分析给出了剪切破坏的简易判别式,在此基础上提出抗剪强度选取的新方法。运用此方法对沪蓉西高速公路24标段岩体结构面的抗剪强度进行了选取,其选取结果与峰值强度折减后的结果比较接近,且该方法比峰值强度的折减系数选取更合理可靠。

杭长铁路红砂岩岩体结构面强度参数取值研究

岩质边坡的稳定性主要受岩体结构面强度的控制,结合杭(州)—长(沙)铁路红砂岩岩体的结构面特征,采用直剪试验法和基于Barton模型的经验估算法获取了控制岩体强度的两组结构面强度参数,对两种方法获取的结构面强度参数进行了对比分析,结果表明:试验方法获取的粘聚力偏大,两种方法获取的结构面内摩擦角有很强的一致性。工程设计中可以采用Barton模型快速估算结构面强度参数,而对于试验方法获取的粘聚力,在使用时应注意根据实际情况进行折减。

非贯通节理的岩桥弱化力学模型研究

通过非贯通人工节理的直剪试验,对剪切过程中非贯通节理岩桥力学性质弱化的力学机制进行阐述,即在剪切荷载作用下岩桥内部微元发生张拉破坏导致岩桥力学性质弱化,并分析岩桥力学性质弱化区域的发展规律。在此基础上,假定岩桥微元强度服从Weibull分布,以岩桥微元的最小主应力作为岩桥微元强度随机分布变量,建立岩桥力学性质弱化模型,提出岩桥力学性质弱化度参数δ。再根据直剪试验结果,通过类比得到以剪切位移为变量的岩桥弱化力学模型,最后利用该力学模型分析非贯通节理岩桥的弱化度随参数m,u0的变化规律。分析结果表明,该模型能较好地反映剪切过程中岩桥的弱化破坏过程。

三峡库区侏罗系不同类型结构面抗剪强度对比

三峡库区侏罗系是典型的软硬相间地层,其软弱层具有亲水性强、透水性弱等特殊的工程地质特性,是库区常见的易滑地层。选取三峡库区秭归县马家沟滑坡所处地层岩体结构面为研究对象,采用室内岩体结构面直剪试验,对4种不同类型结构面的力学特性进行了研究。通过对试验数据的统计分析,绘制了各种结构面的剪应力–正应力关系曲线图及剪应力–剪切位移关系曲线图,从而获得了形成于同一地层中的4种不同结构面的抗剪强度参数,并对其剪切特性进行对比分析与研究。以结构面直剪试验结果为依据,初步分析了该地区某一典型边坡的稳定性及潜在滑动层面,为后期边坡的稳定性评价提供可靠性基础参数。

基于三维扫描和三维雕刻技术的岩石结构面原状重构方法及其力学特性

为了客观重复制作与原岩结构面的岩性、表面形态和力学性质完全一致的试样,集成三维扫描和三维雕刻技术,提出了原岩结构面试样重构新方法。采用该方法制作了具有相同表面形态的大理岩结构面试样,开展了不同法向力下的直剪试验,并采用声发射技术对结构面剪切破坏过程进行了监测。结果表明:重构结构面试样与原始结构面试样具有高度相似性;结构面剪应力-剪切位移曲线可分为两类:剪胀滑移型和剪断跌落型;剪切破坏后结构面可明显地划分为两个区域:剪胀脱开区和剪断磨损区;提出了结构面剪切强度新公式,理论公式与试验结果更接近;结构面剪切过程中剪应力、能量率、计数、撞击率随时间的变化规律具有较好的一致性,声发射定位位置与剪切过程中结构面损伤破坏区域基本吻合。

膨胀土裂隙面强度的直剪试验研究

膨胀土中原生裂隙面的存在往往导致膨胀土边坡的失稳。选取南水北调中线工程南阳段膨胀土进行裂隙面强度试验研究,研究成果表明,裂隙面中填充的灰白色粘土的含水量远高于两侧不含裂隙膨胀土的含水量,裂隙面的峰值强度不仅远远小于不含裂隙膨胀土的峰值强度,而且也小于不含裂隙膨胀土的残余强度。

顺层岩质边坡结构面抗剪强度特性试验研究

针对云南省普-宣(普立至宣威)高速公路某顺层岩质边坡现场工程地质特性,按形成将结构面划分为4种类型。通过自制的加载装置,对自然状态下的一类结构面进行压剪试验,利用最小二乘法线性拟合得到结构面抗剪强度指标值,同时与基于JRC-JCS等效摩尔-库仑抗剪强度法分析结果的对比,数据结果基本吻合,验证了该装置的可行性。根据边坡结构面不同类型分别考虑填充厚度、填充物含水率等因素进行了多次剪切试验研究获取抗剪强度参数,结果表明,结构面强度参数在饱和状态下比自然状态偏小,随填充厚度增加c逐渐增大,?减少。试验结果对正确评价结构面特性及在后阶段对顺层岩质边坡稳定性计算提供参考数据,研究成果为现场结构面强度参数取值提供了简便试验方法。

基于直剪试验的岩体结构面表面温度与粗糙度关系研究

大型岩质滑坡往往伴随热效应,热效应引起的摩擦系数降低可以用来解释高速远程现象。为了研究岩体结构面剪切破坏后表面热量产生特征,首先,分别利用红外热成像仪和三维激光扫描仪对直剪试验破坏后的结构面表面进行拍摄与扫描,得到其表面温度分布与精细几何信息。然后,利用数学统计方法获取剪切破坏后结构面表面温度分布情况;利用改进的2D divider方法获得结构面表面三维模型的分形维数,进行粗糙度评价。最后,结合直剪试验正向应力数据,分析岩体结构面剪切破坏后表面平均温度与其所受正应力以及粗糙程度两参数之间的拟合关系。结果显示:滑坡启程阶段(低速剪切)破坏中(1)岩体结构面表面粗糙程度影响剪切过程中热量的产生,表面越粗糙,产生的热量越多,并且热量主要集中在结构面表面凸起部位;(2)岩体结构面所承受的正压力影响剪切过程中热量的产生,正应力越大,产生的热量越多;(3)岩体结构面表面粗糙度对剪切破坏热量产生的影响较所受正应力略大。研究成果为大型岩质滑坡破坏过程中的能量研究提供了技术参数与理论支持。

JRC-JCS模型与直剪试验对比研究

结构面抗剪强度是影响工程岩体稳定的重要因素,它决定工程岩体破坏的可能性。基于结构面粗糙度系数定向统计测量技术的JRC-JCS模型可以考虑地质和环境因素的影响,具有费用低、速度快、简便易行等特点,是获取工程岩体无填充或少填充硬岩结构面抗剪强度参数的实用方法,已为50多个岩体工程提供了结构面抗剪强度参数。为分析JRC-JCS模型评价结构面抗剪强度参数的可靠性,选取天然岩石结构面试样,进行干燥状态和饱和状态结构面抗剪强度直剪试验和JRC-JCS模型评价的对比研究。结果表明,在结构面粗糙度系数的定向统计测量、尺寸效应分析,以及剪切过程衰减折减的基础上,运用结构面粗糙度系数定向统计测量技术的JRC-JCS模型评价的结构面抗剪强度参数与直剪试验结果具有较好的一致性,JRC-JCS模型对结构面峰值摩擦角有较好的预测能力。

基于三维形貌分析的结构面剪切试验研究

为研究结构面表面形貌、正应力及剪切历史对岩石结构面剪切特性及强度的影响规律,利用近景摄影测量技术测量试验前后结构面三维形貌数据,对影响结构面剪切特性的因素开展定性与半定量的分析。分析结果表明:(1)结构面形貌对剪切特性的影响具有方向性,视倾角>0°的凸起体才可能在剪切过程中起抵触作用;(2)起伏粗糙对剪切特性的影响随正压力增大而降低,相应的剪胀效应也随正压力增大而减小;(3)在低正压力条件下,结构面表面的起伏凸起体即可被磨损剪断,首先出现磨损剪断的是视倾角较大的凸起,在经历1次正应力条件下剪切变形后,剪切曲线便不再出现峰值现象;(4)摩擦角随正压力增大而减小,而黏聚力随正压力增大而增大;(5)单块试样反复剪切试验中,取第1次残余值与后续剪切强度值拟合得到的剪切强度参数可代表具有剪切运动历史的结构面剪切强度。

多尺度岩体结构面抗剪强度直剪试验一体机的分级和验证

岩体结构面抗剪强度尺寸效应变化规律的研究需要在专门的多尺度岩体结构面抗剪强度直剪试验机上进行，以获得稳定的抗剪强度力学参数。为保证测试数据的可靠性，在满足测试载荷范围为2-1000 kN时要求恒定荷载示值精度为1％。由于现有测试系统的技术限制，无法实现在同一台设备上进行全部荷载的试验。为此，首先在提出一种设备荷载分级方法的基础上开发了一种多尺度岩体结构面抗剪强度直剪试验一体机，在满足测试精度的要求下分3级尺度直剪仪进行直剪测试，每一级尺度直剪仪设置了荷载重叠区以保证测试数据的等效性。最后对该直剪试验一体机的精度和载荷范围进行了测试，通过了多尺度试样的测试要求。目前该多尺度岩体结构面抗剪直剪试验一体机为多尺度试样的测试研究提供了平台。

某核电厂边坡岩体结构面直剪试验研究

综述了边坡工程结构面抗剪强度参数的获取方法,探讨了基于钻孔取芯的室内直剪试验设计方案。采用YDS携带式岩、土力学性质多功能试验仪,设计了某核电厂边坡结构面抗剪断直剪试验和摩擦直剪试验,比较了结构面抗剪强度参数的试验值和经验值,采用三维可变形离散元法数值还原了结构面抗剪断直剪试验全过程。试验表明:室内试验测得的某核电厂边坡结构面摩擦角为31.3～40.5°,粘聚力为285～365kPa。基于3DEC的数值直剪试验较好地模拟了抗剪断直剪试验的线弹性阶段、峰值阶段、峰后软化阶段和残余阶段,与室内直剪试验规律一致。两种方法可较好地应用于类似核电厂边坡工程中。