干湿循环作用下岩桥破裂演化及前兆异常定量识别研究

为探究干湿循环作用下锁固段型岩质边坡内部岩桥的破裂演化及前兆异常,对岩桥试件开展不同干湿循环次数下的单轴压缩试验。基于数字图像相关(DIC)技术,实现加载过程中试件全场变形的实时测量,通过求解位移矢量识别裂纹扩展类型。引入协方差矩阵,定量描述应变场多元分量的离散程度,提出一种识别岩桥应变场前兆异常的方法,并分析干湿循环作用的影响规律。研究结果表明:随着干湿循环次数的增加,岩桥的起裂应力和抗压强度均逐渐劣化。岩桥中裂纹发展时,周围岩石的位移矢量会发生明显的差异,共识别出两种基本裂纹,即张拉裂纹和剪切裂纹。裂纹起裂和贯通所需的轴向应力随着干湿循环次数的增加而逐渐减小。应变场有效方差的演化过程可划分为初始分异、稳定分异和加速分异3个阶段;当剪切裂纹起裂时,干燥状态下的试件有效方差突增,而干湿循环作用后的试件有效方差出现加速增长的态势,均可识别为前兆点。经过干湿循环作用的试件前兆应力水平和时间水平均小于干燥状态下的试件,这是因为干湿循环作用对岩样产生了软化作用。

冻融循环作用下岩桥变形破裂及能量转化特征研究

为研究寒区锁固型岩质边坡的破坏机制,对岩桥试件开展冻融循环试验和单轴压缩试验。以数字图像相关方法为观测手段获得加载过程中的全局应变场,分析冻融循环作用对岩桥变形破裂演化特征的影响。引入能量特征指标,探究冻融岩桥加载过程中的能量耗散和释放规律。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件抗压强度和弹性模量逐渐劣化;冻融循环作用未改变最终破坏模式,均表现为剪切裂纹贯穿中部岩桥造成的失稳破坏。冻融循环作用促进应变集中带的出现和扩展,加剧裂隙周边的应变集中程度。随着冻融循环次数的增加,试件储能极限和应变能峰后转化率逐渐降低,说明冻融循环作用减缓能量耗散和释放;试件最终破坏与能量转化密切相关,储能极限和应变能峰后转化率越大,试件脆性破坏越显著。

直剪条件下非贯通节理岩体岩桥力学性质弱化机制及贯通模型初步研究

通过非贯通节理岩体直剪试验的力学特点和理论分析,修正了Lajtai岩桥张拉破坏理论。通过非贯通节理岩体直剪试验中岩桥的应力状态,提出岩桥内部的张拉破坏使岩桥力学性质发生弱化,并进一步分析研究了力学性质可能弱化的区域。分析非贯通节理岩体扩展贯通过程,提出了非贯通节理岩体的贯通破坏模式。通过非贯通节理岩体直剪试验初步验证了修正的岩桥张拉破坏理论和贯通破坏模式。

岩桥贯通机理的断裂力学分析

多裂纹间的岩桥贯通破坏是导致岩体失稳的重要原因之一。在裂纹分布已知的条件下,预知裂纹相互贯通的模式、机理及相应的外载条件,是预测和制止这类岩体失稳的前提。利用断裂力学中的裂纹尖端应力和应变场的极值分布情况,可以从根本上解决这一问题。当岩桥周围2条裂纹尖端拉应力、拉应变及剪应力极值方向能基本对应起来时,必然会导致2条裂纹的贯通,从而导致岩桥的贯通失稳。因此,这2个极值的性质决定了贯通破坏的性质。

考虑岩桥断裂的岩质边坡倾倒破坏的流形元模拟

通过加入多裂隙扩展的跟踪模拟功能,将石根华博士提出的数值流形法进行扩充,使之既可以模拟块体系统的离散特性,又可以模拟完整岩体的拉裂与剪断。在用几个典型的简单算例验证算法及程序的收敛性和精度的基础上,对龙滩水电站左岸高边坡倾倒破坏离心机实验模型进行数值模拟,模拟中考虑1组贯通的陡倾角逆坡向构造和1组缓倾角顺坡向非贯通裂隙,模拟间断裂隙在外荷载作用下的扩展和岩柱的断裂。数值模拟的承载力和破坏模式均与实验结果吻合良好,可再现该类边坡倾倒破坏的机制,表明该方法与程序可以有效地模拟考虑岩桥作用的岩质边坡的倾倒破坏。

岩桥直剪试验声发射频谱特征及主破裂前兆分析

岩桥破坏的声发射研究一般只针对计数、能量等参数来分析。为探究岩桥直剪试验的声发射频谱特征,对岩桥进行声发射测试,利用时频分析方法对声发射波形信息进行研究,分析了其频谱特征。结果表明,直剪试验中幅值比计数率变化明显,且发生激烈响应的时间较早;主频基本呈高低频带状分布;主频带向中频分散和低频高幅值的声发射特征可作为试验主破裂的前兆信息,且前者出现较早;与单轴压缩试验相比,幅值在主破裂阶段区别明显,且此时出现中频值;声发射幅值由颗粒所受应力决定,频率与颗粒力链的最终位移有关;岩桥宽度增加,主频带整体升高;法向应力增加,平均主频值减小。研究可为节理边坡的稳定性分析提供参考依据。

由结构面和岩桥组成的剪切面强度特性研究

通过直剪模型试验和非线性有限元分析，研究了由结构面和岩桥组成的剪切面在不同法向应力、不同岩桥面积及不同岩桥分布型式等条件下的综合抗剪强度，较客观地评价了岩桥对剪切面抗剪强度指标的影响，初步探讨了岩桥的破坏机理。

非贯通节理Jennings强度准则的岩桥弱化和节理面起伏角修正

通过对具有不同粗糙程度(以节理面起伏角表示)的共面非贯通人工节理进行不同法向应力水平下的直剪试验,研究节理面起伏角对非贯通节理剪切强度的影响,分析在剪切过程中岩桥力学参数的弱化机制。现有Jennings准则将岩桥视为完整岩块,计算所得的剪切强度与直剪试验结果存在较大偏差。在试验结果的基础上,考虑剪切过程中岩桥力学参数的弱化和节理面起伏角的影响,对Jennings准则进行修正。将修正Jennings准则计算的非贯通节理剪切强度结果与直剪试验结果对比,结果表明:修正Jennings准则的计算结果与试验结果吻合较好,能较好地预测具有规则起伏角的非贯通节理剪切强度。

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。

开放型岩桥裂纹贯通机理及脆性破坏特征研究

端部开裂的裂隙岩体内部岩桥贯通是导致岩体突发失稳破坏的主要原因,脆性破坏特征明显。利用声发射仪和岩石力学刚性试验机,对不同长度开放岩桥开展单轴压缩试验,结合高速摄像机记录信息,分析了开放岩桥裂纹起裂、扩展、贯通规律及脆性破坏过程力学特性和声发射特征,并通过三维断裂力学理论揭示了开放岩桥裂纹起裂扩展贯通机理。研究结果表明:与闭合裂纹相比,开放裂纹岩桥主裂纹从下部预制裂纹内尖端起裂,往上部拐折扩展贯通岩桥和上端面,贯通过程岩桥发生逐次多级破坏,次裂纹主要沿主裂纹拐折处起裂扩展贯通岩桥及下端面;应力曲线表现出峰前"波动上升"和峰后"滞留–突降"特征,声发射参数"多峰值"现象明显,阶段性和突发性特征突出;同时,三维理论分析表明裂纹起始扩展方向与岩桥长度无关,沿最大压应力方向扩展。研究所得开放岩桥裂纹扩展贯通特征可为裂隙岩体突发失稳破坏过程提供理论依据。

双轴循环荷载条件下含预制裂纹类玄武岩岩桥贯通模式

揭示双轴循环荷载条件下类玄武岩内裂纹起裂、扩展及岩桥贯通模式。配制类玄武岩相似材料,预制裂纹倾角α=30°、裂纹长度2a=20mm、裂纹厚度l=0.3mm的双裂纹,设计不同岩桥长度L、岩桥倾角β试样,采用双轴压缩、双轴循环加卸载方式,研究裂纹扩展及岩桥贯通模式。试验结果表明:(1)双轴循环加卸载条件下,裂纹扩展-岩桥贯通过程可分为翼裂纹起裂、翼裂纹扩展和次生裂纹起裂及扩展、岩桥贯通3个阶段;(2)岩桥贯通类型可分为剪性贯通、张剪复合贯通和张性贯通3类。双轴压缩条件下,岩桥贯通模式可进一步划分为9种模式,双轴循环加卸载条件下,岩桥贯通模式可分为8种模式;(3)双轴循环加卸载试验比双轴压缩试验更易发生剪性贯通,且在部分试样岩桥处出现局部压碎隆起现象;(4)岩桥倾角β和岩桥长度L对岩桥贯通模式影响显著,随着岩桥倾角的增大,岩桥贯通模式逐渐转变为剪性或张剪性贯通。双轴压缩条件下,岩桥长度增加,贯通模式由张剪复合贯通过渡为剪性贯通,而双轴循环加卸载试验则恰恰相反。

非均质岩桥对裂纹扩展贯通机制影响的数值分析

通过考虑岩石试样中预置三裂纹之间岩桥力学性质和非均匀程度，运用东北大学开发的ＲＦＰＡ（２Ｄ）系统，研究了不同性质岩 桥中裂纹扩展相互作用模式及其贯通机制。模拟结果与相关的实验研究表现较好的一致性。

花岗岩岩桥卸荷脆性破坏的能量特征

岩质边坡锁固段型岩桥的破坏和能量的累积与释放密切相关,利用MTS815伺服控制刚性力学试验机对花岗岩岩桥试样开展了常规三轴加荷试验和三轴加卸荷试验,采用基于轴向应力比的能量分析方法,可对不同工况下峰前加载各阶段能量变化趋势进行有效的对比分析。结果表明:应力峰值前能量特征变化主要分为压密阶段与弹性阶段,试样处于压密阶段,随着初始裂纹的闭合与摩擦,耗散能占比大幅增加;弹性阶段,荷载所做功大部分转化为弹性能储存在试样内部,弹性能占比大幅增加。由于预制裂隙存在,在临近破坏前没有出现明显的屈服阶段,岩桥试样表现为"突发式"的脆性破坏;初始围压的提升会使得应力峰值点的总能量、弹性能明显增大;花岗岩试样的岩桥越长,其吸收的总能量、弹性储能极限越大,应力峰值点的弹性能占总能量比值越高,岩桥长度变化则对耗散能没有明显影响。

基于岩桥力学性质弱化机制的非贯通节理岩体直剪试验研究

基于岩桥力学性质弱化机制,采用带伺服系统的直剪试验仪进行试验,在5级法向应力下,对3种含齿形节理的非贯通节理岩体进行直剪试验,研究非贯通节理岩体的强度特性和变形特性。在较低的法向应力下,含起伏角较低齿形节理面的非贯通节理岩体出现破坏模式I(张拉破坏模式)。在较高的法向应力下,含起伏角较高齿形节理面的非贯通节理岩体可能出现破坏模式II(先张拉后剪切破坏模式)。相同齿形节理面形貌的非贯通节理岩体,随着法向应力增大,峰值切向位移增大,抗剪强度增大。在相同的法向应力下,随着齿形节理面起伏角增大,非贯通节理岩体的峰值切向位移减小,抗剪强度增大。非贯通节理岩体黏聚力按Jennings方法计算值大于按试验拟合值;节理面较粗糙非贯通节理岩体内摩擦角按Jennings方法计算值大于按试验拟合值。

节理岩桥裂纹扩展的热红外前兆信息研究

由于岩质边坡内部锁固段岩桥应力聚集较高,含节理的岩质边坡易发生突发性失稳。对含不同岩桥长度花岗岩试件开展单轴试验,采用红外热像仪全程监测,研究岩质边坡破裂前的热红外热像和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像机分析裂纹开展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及演变机制。研究表明:岩桥试件破裂前存在两种热红外前兆,未来破裂处热像异常前兆和热红外平均温度-时间曲线异常;热红外前兆出现时间提前于声发射前兆,随着岩桥长度的增加,热红外前兆提前性变得更为突出;下部预制节理裂隙尖端处的热像变化可以预测未来裂纹扩展方向,定位表面裂纹开展源头;利用断裂力学应变能密度因子理论,揭示了单轴应力状态下岩桥长度对起裂扩展的影响机制。热红外前兆相较于其他前兆形式更提前可靠,采用红外热像仪监测岩桥试件破裂前的变化特征,研究结果为节理岩质边坡的防治提供理论依据。

不同宽度岩桥节理岩体直剪试验研究

通过室内常规直剪试验研究了不同宽度岩桥节理岩体的破坏特性和抗剪强度的变化规律。结果表明:节理岩体的抗剪强度主要由岩桥提供;随着岩桥由窄向宽变化,破坏方式由剪断破坏到大范围的剪切破坏,形成具有一定角度的剪切面;在岩桥由宽变窄的过程中,对岩石抗剪强度起主导作用的强度参数由黏聚力变为了内摩擦角。

基于激光多普勒测振的危岩体岩桥长度测量

危岩块体的快速识别,一直是岩土工程灾害研究的热点和难点问题。实际上,岩桥贯通是导致岩体失稳的重要因素,因此在对边坡危岩进行快速识别时,需要对岩桥长度等进行定量评价。通常岩桥的直接测量是很难实现的,这不仅需要详细的地质信息,还需要大量的原位实验进行评价。这些工作往往耗时且耗费昂贵,而间接的评估方法更容易应用于工程实践。基于此,应用新型激光多普勒测振仪(LDV),对岩体进行远程振动监测得到其固有振动频率;基于物理力学模型,分析基于固有振动频率的岩桥计算长度间接测量算法;讨论岩桥贯通率指标的模糊识别算法及其应用优势。实验中,基于激光多普勒测振仪的固有振动频率监测可为岩块体岩桥长度提供数据支持,误差最大为16.47%,最小为0.46%,平均误差为6.81%,相关性高达0.9857。同时,该技术还可实现岩桥贯通率等指标的模糊识别,其方法所计算的结果与实际基本吻合,平均误差仅为3.25%。这种岩桥贯通率的模糊识别计算方法,不需要块体大小和质量等信息,可为现场提供1种相对方便的危岩体早期判识指标,从而实现提醒工程注意和预警的目的。基于LDV的振动监测可为危岩体的快速识别提供数据支持,并为工程中更好的应对边坡崩塌灾害提供支持。

岩桥拉张破裂数值模拟研究

为了研究岩桥拉张破坏规律,采用有限元软件FEPG,对不同倾角岩桥拉张破裂过程进行数值模拟.模拟结果显示,在单轴压缩条件下,对于同一裂纹角度、相等距离的两组平行预裂纹,在不同的岩桥倾角条件下,预裂纹扩展程度不同;岩桥倾角越大,岩桥越容易拉张破坏.

不同裂纹倾角下岩桥拉张破裂数值模拟研究

以预制于岩体中不同倾角的裂纹及其组成的岩桥为研究对象,采用可模拟拉张开裂的有限元软件,对不同裂纹倾角岩桥模型的拉张破坏过程进行数值模拟。结果显示:在单轴压缩条件下,对于相同尺寸、等距离的平行预制裂纹,裂纹的倾角不同,拉张裂纹的扩展形态不同;预制裂纹倾角越大,岩桥越容易拉张破坏;八字形裂纹比平行裂纹更稳定。

基于PFC2D的断续岩桥直剪强度特征及能量演化机制研究

针对不同连接率断续节理岩体,基于PFC^2D颗粒流程序在不同法向应力下进行直剪试验,研究其剪切破坏过程及强度特性。数值模拟结果表明:断续岩桥的贯通破坏过程具有明显的阶段性,可根据剪切应力曲线以及微观裂纹扩展特征将其大体分为4个阶段;断续岩桥的初裂强度和剪切峰值强度与法向应力成正相关而与节理连通率成负相关,初裂强度百分比对法向应力变化不敏感而随着节理连通率的增加而增加;岩体内部能量的演化过程能较好的匹配断续岩桥的贯通破坏过程,可将应变能、耗散能的突变点作为断续岩桥贯通破坏的标志,耗散能对法向应力的变化较节理连通率更为敏感。