单节理岩体强度试验研究

从理论和经验两方面阐述单节理岩体的强度特征及其确定方法,结合实际的隧道工程岩体,对加工制备的5组完整岩石和含单节理岩石样品进行室内轴向压缩强度试验,应用基于细观离散的三维颗粒流程序PFC3D仿真室内试验结果,从而确定出数值试验中相应岩石和节理的基本细观输入参数。在此基础上,通过对实际工程进行地质调查构建节理岩体结构的理想地质模型,输入岩石与节理的基本细观参数,实现对大尺度单节理岩体进行数值预测的强度试验,并获得实际工程岩体的应力—应变关系及相关的强度特征。试验研究表明:节理的存在降低岩体的强度,改变岩体的延性;岩体中同组的不同节理间存在相互的强度弱化作用,作用的结果导致岩体的总体强度下降,因此简单地分步应用单节理理论预测含多节理的岩体强度是不可行的;基于岩体结构,应用室内试验与数值试验相结合确定大型节理岩体强度的方法是可行的。

高应变率下预制单节理岩石SHPB劈裂试验能量耗散分析

应用SHPB试验装置研究预制单节理岩石的能量耗散关系。使用SHPB试验系统,对高径比为0.5的完整花岗岩试样及预制单节理花岗岩试样进行高应变率下的冲击劈裂试验。在相同驱动气压下,改变加载方向与节理间的夹角,完成高应变率相同入射能下的冲击劈裂试验。对SHPB系统中的入射能、反射能、透射能及试样吸收能的时程变化规律进行了分析;从能量角度出发,分析冲击荷载作用下单节理岩石的能量耗散规律及其各向异性特征。结果表明:高应变率下,完整花岗岩试样在冲击劈裂试验中的吸收能随平均应变率增加而增加,表现出显著的应变率相关性;预制单节理岩石与加载方向之间夹角对破坏模式的影响明显,节理试样产生3种破坏模式:(1)穿越节理面的劈裂破坏;(2)沿节理岩石层面的滑移破坏;(3)劈裂与滑移破坏共同作用下的破坏。在入射能基本相同,入射时间较长时节理岩石试样吸收能较入射时间较短时的吸收能大。动态劈裂试验中,节理试样的吸收能随节理角度变化(0°~90°)近似呈U型。研究成果可为节理岩石动态力学性能研究提供参考。

二维波穿过单节理的透射率特性及其隐含意义

二维波穿过单节理的问题是一个复杂的多因素影响问题,其透射率影响因素有:节理无量纲刚度、射线角、巷道半径、所在点离巷道中心的径向距离以及岩石力学性能参数.对二维波穿过单节理的透射率进行了详细的算例分析.归纳了二维波穿过单节理后透射率特性,在此基础上提出了相关问题的研究策略.分析结果表明:单节理后各节点透射率的研究,可以通过单节理后某一以巷道或钻孔中心为中心的圆弧上各节点的透射率来展开;射线角为90°的射线上节理后各节点透射率的研究,可以通过节理后某一节点的透射率来展开;单节理的透射率的研究可以在一个固定半径值的巷道或钻孔的模型上用一种典型的岩石进行.

单节理岩体抗压强度的数值模拟

为研究单节理岩体抗压强度随节理面倾角及围压变化时的变化规律,利用数值模拟软件UDEC对围压一定时不同节理面倾角的岩体进行了抗压强度实验.结果表明：围压一定,随节理面倾角的增大,岩体抗压强度先减小后增大,在倾角介于45°～60°时抗压强度达到最低值,呈典型的＂U＂形趋势;节理面倾角一定,随着围压的增大岩体抗压强度也随之增大,整体呈线性变化趋势,可拟合为一次函数,与理论导出式一致;随节理面倾角增大岩体抗压强度增大幅度呈先减小后增大趋势,近似于围压一定时岩体抗压强度随节理面倾角变化规律.

采用光滑节理模型的单节理岩体数值试验

基于光滑节理模型,用颗粒流程序对完整岩石和单节理岩体进行数值试验。光滑节理模型的选用避免了标准接触模型中节理面颗粒间的"颠簸"效应。数值模型中选取的细观参数与室内试验获得的岩样宏观参数一致。数值试验与室内试验分析结果表明,节理面的存在降低了岩石的抗压强度;岩体的抗压强度随着节理倾角的改变而改变,随着节理倾角的增大,岩体的强度先降低随后增大;当节理面与潜在破坏面的方向相近时,岩体受压破坏沿节理面发生,当节理面倾角θp=45°+φs/2时,岩体强度下降得最多。随着围压的增大,节理岩体的强度显著提高。数值试验与室内试验结果对比表明,基于光滑节理模型的数值试验结果较为可靠,可以进一步推广应用于等效岩体分析。

单节理岩体在真三轴压缩状态下强度特性的分析

本文对单节理岩体在真三轴压缩状态下的强度特性进行了分析，重点讨论了中间主应力对单节理岩体强度特性的影响诸问题．研究认为，中间主应力对节理岩体的强度特性是有影响的，在一定条件下，甚至可以成为主要的影响因素．

人工单节理砂岩的三轴试验研究

采用云石胶黏结岩块的方法制备人工节理面,通过直剪试验获得人工节理面的抗剪强度特性,基于完整和单节理砂岩的常规三轴试验,分析不同倾角(0°,30°,60°,90°)对单节理岩体试样力学响应的影响。结果表明:人工节理面在直剪试验中呈现脆性破坏,其抗剪强度符合M-C准则;不同围压下(2.5,5.0和7.5 MPa)完整砂岩的破坏形态和弹性模量基本相同,峰值强度随围压增大;相同围压下(2.5 MPa)不同倾角单节理岩体的破坏形态、弹性模量、峰值强度均不相同,单节理岩体试样的峰值强度-倾角曲线呈反对号"■"形,节理倾角对岩体力学性质的影响明显,其中60°节理岩体试样的强度最低,仅为完整岩石强度的19.7%。推导了过圆柱体试样中心任意斜截面内力的三维计算公式,根据其理论预测所得完整岩石的破裂面角度和60°节理试样的破坏方式均与试验结果相符,其吻合度较传统的二维分析更高。

节理倾角对单节理岩样变形破坏影响的数值模拟

采用FLAC模拟了节理倾角对各向异性岩样峰值强度、力学行为及剪切带图案的影响。节理由实体单元模拟。对于节理之外的岩石,采用莫尔库仑与拉破坏复合的破坏准则,峰后本构关系选择线性应变软化模型;对于节理,采用理想弹塑性的莫尔库仑准则。结果表明,无节理密实岩石的峰值强度最高。节理岩样的剪切应变或集中在节理上,或集中在新剪切带上,峰值强度随节理倾角而改变。新剪切带启动于节理的端部,然后沿其固有方向传播。当节理倾角适中时,节理岩样的峰值强度较低,岩样的行为受控于节理。当节理倾角较高或较低时,可观测到应变软化行为。若节理倾角较低,新剪切带的长度随节理倾角的降低而增加,这导致了陡峭的峰后应力-应变曲线。若节理倾角较高,由于节理倾角对新剪切带的厚度和倾角几乎没有影响,因此,峰后斜率不依赖于节理倾角。

深部隧道单节理岩体开挖卸荷破裂及锚杆加固研究

深部隧道开挖卸荷引起的岩体破裂是地下工程典型灾害之一。针对深部隧道单节理岩体在开挖卸荷条件下的破裂问题,基于开挖卸荷引起的最小主应力线性降低规律,采用Griffith强度理论准则对开挖卸荷条件下的含单节理岩体破裂进行了分析,并对破裂岩体进行了锚杆加固设计研究。结果表明:当结构面倾角大于支护应力状态下的破裂角时,深部岩体初始应力状态下未产生破裂,随着最小主应力的降低,深部岩体先产生材料破坏后沿结构面破坏;当支护应力状态下的破裂角大于结构面倾角时,深部岩体受支护应力作用仅产生材料破裂;当结构面倾角小于最小主应力为0时对应的破裂角,深部岩体无论是否支护岩体仅产生材料破裂;对于深部岩体,产生破裂的必要条件是最大主应力大于8倍的岩体抗拉强度,且破裂角变化于30°~45°之间;岩体支护应力的选择应在岩体初始破裂应力与结构面破裂应力之间,并且要保证岩体应力的释放率以及围岩的稳定性。石塘隧道岩体破裂分析及锚杆加固研究表明:岩体首先产生材料破坏,其破坏的临界应力值为10.25 MPa,对应的破裂角为39.9°,结构面破裂的临界应力值为4.15 MPa;石塘隧道岩体在无支护条件下,沿结构面产生突发性破坏,岩体支护应在开挖完成40.59h内完成,岩体支护应力为7.175 MPa,支护破裂角为37.5°,单根锚杆锚拉设计值为88.7kN,锚固长度为5m,倾角为15°,间距为0.8m,此锚杆设计参数下可保证岩体应力充分释放以及确保围岩的稳定性。

单节理岩体渗流应力耦合特性研究进展与分析

水利水电工程中坝基、边坡及地下引水隧洞等岩体工程,由于地应力的作用,实际工程岩体往往处于三向不等压应力状态,则三向不等压主应力作用下节理岩体的渗流特性研究对水利水电工程的安全性评价与稳定性分析至关重要。三向主应力作用下单节理面渗流特性是最基本的研究课题,对三向主应力作用下单节理面渗流特性的国内主流研究思路与成果进行了系统的归纳与总结,并讨论了各类渗流与应力耦合关系式的优缺点。分析结果表明既有研究成果差异性较大,尚未形成成熟的理论体系。在吸取有益成果的基础上,给出了一种较合理的三向主应力作用下单节理面内渗流与应力耦合关系式,研究结果可为构建节理岩体渗流与应力耦合分析的理论模型及其他工程岩体渗流分析提供有益研究方向。

循环加载下单节理砂岩三轴强度与变形试验研究

为了研究节理砂岩试样在循环加载下的变形演化规律和强度特性,开展了贯通单节理砂岩在不同围压下的单调加载和循环加载试验.结果表明:随着围压的增加,节理砂岩试样单调及循环加载下峰值强度增大;在三轴循环加载作用下,节理砂岩的弹性模量的演化经历了明显增大、急剧减小、峰后趋于稳定3个阶段;三轴单调及循环加载下节理砂岩试样主要发生剪切破坏;在较低的围压(5,15 MPa)下,循环加载导致的破坏程度比单调荷载导致的更严重,在较高的围压(25,35 MPa)下,单调和循环加载下的破坏模式相似.

基于DIC技术的3D打印节理试件破裂机制研究

为了准确表征不同角度预制节理岩石在单轴压缩下的变形破坏模式,基于3D打印技术制作了节理模型用于模拟岩体中的结构面,通过水泥砂浆的浇筑得到含不同角度预制节理的岩石试件并进行单轴压缩试验,同时采用数字图像相关技术(DIC)观测、分析试验过程中试件裂纹产生、扩展以及贯通过程。结果表明:随着预制节理从0°增加到90°,试件强度与峰值应变均呈现先降低后升高的变化趋势,0°和45°试件弹性模量相对于完整试件有所降低。基于DIC检测结果,0°、30°、45°及60°试件裂纹皆从预制节理尖端部位起裂,各角度试件的起裂应力与试件强度变化规律一致。各角度试样起裂时在剪应力控制下以剪切翼型裂纹形式起裂,0°与45°试件裂纹在扩展过程由剪切发展为张拉型裂纹,30°和60°试件以剪切裂纹形式贯穿始终,90°试件从底部起裂并最终表现为张拉破坏。研究还发现,下翼起裂角θ2和上翼起裂角θ1之间存在明显的线性正相关关系,关系式为θ2=0.828 6θ1+12.185,且起裂应力大小变化与峰值应力变化一致,皆随节理角度的增加先减小后增大。

三向应力作用下节理岩体渗流-应力耦合特性

节理岩体渗流-应力耦合特性研究是岩石力学领域的重点和难点。水利水电工程与地下工程中天然节理岩体往往处于三向不等压应力状态,针对三向应力状态下节理岩体渗流-应力耦合特性研究较少。其中,单节理岩体渗流-应力耦合特性研究是基础。首先分析与探究了单节理岩体侧向应力作用效果及渗流作用机制,在单节理岩体渗透性-应力耦合分析模型基础上推导了单节理岩体渗流-应力耦合的理论公式。通过室内真三轴渗流-应力耦合试验,基于全局优化算法的非线性拟合及块体离散元数值仿真,验证了所提出理论公式的合理性。基于电路原理,给出了模拟电路与渗流问题的相似物理量,通过引入等效渗流阻方法,探究了典型的含正六边形主干节理网络的渗流-应力耦合特性。该研究结果对实际工程岩体的渗流分析有一定的参考价值。

Stress analysis of single joint rock mass under triaxial compression

Based on the fundamental principle of rock mechanics, the stresses of single joint rock mass under three-dimensional compression were analyzed. The effect of the in-termediate principle stress on the strength of single joint rock mass were discussed in par-ticular. It is found that the strength of single joint rock are affected by the intermediate principal stress, which may be the main factor in some conditions.

节理特性对花岗岩起裂应力和损伤应力影响规律颗粒流模拟

节理花岗岩起裂应力、损伤应力的研究对认识其渐进破坏过程和脆性破坏机制具有重要意义.利用细观颗粒流软件模拟了不同长度、倾角的单节理花岗岩单轴压缩试验,并通过监测微裂纹确定其起裂应力和损伤应力,研究了节理长度、倾角对起裂应力和损伤应力影响规律.结果表明：当节理方向与加载方向夹角α一定时,随节理长度L增加,起裂应力和损伤应力逐渐递减,其中α为30°-60°时,递减幅度最大;而当L一定时,随α增加,起裂应力、损伤应力先递减再递增,当α为90°时,起裂应力略有下降;当α为45°时,起裂应力最小,而当α为30°或45°时,损伤应力最小.单节理花岗岩起裂应力与峰值应力比值介于29.1%-45.04%,大部分大于完整花岗岩,而其损伤应力对节理长度、倾角变化的敏感度要大于峰值应力,其值介于72.84%-83.25%,大于完整花岗岩.节理花岗岩起裂应力和损伤应力大小与其破坏模式有关,当主破坏面裂纹起裂和扩展始于节理尖端而沿节理方向时,起裂应力和损伤应力最小.