冻结岩石节理面峰值剪切强度准则研究

冻土区工程场地岩石节理作为力学薄弱面对工程的安全和耐久性有很大影响,因此研究冻结岩石的力学性质对冻土区工程建设有重大的意义。为了研究冻结岩石节理的剪切力学性质,试验选定青海省G214国道姜路岭路段4组不同粗糙度的凝灰岩天然耦合节理面,在设定温度下冻结后进行直剪试验。试验成果表明:冻结岩石节理面的峰值剪切强度与法向应力呈正比,与张开度和粗糙度呈反比。张开度大于节理面最大起伏差时,节理面以脱离破坏为主,其峰值剪切强度由冰与节理接触面的黏结力决定;当张开度小于节理面最大起伏差时,在较小法向应力下以冰层剪断破坏为主,在较大的法向应力下,冰层的剪断与节理面凸起的剪断同时存在,其峰值剪切强度由冰和节理面的剪切强度共同决定。研究推导出各破坏形式下的冻岩节理面峰值剪切强度准则,对分析岩石的边坡稳定性起着十分重要的作用。

基于Barton JRC-JCS模型的岩石结构面粗糙度表述新方法

以四组天然岩体结构面为模型,使用类岩石材料制作试样模拟结构面的剪切行为以获取其各项物理力学参数,然后通过Barton的JRC-JCS模型反算得出其JRC值。利用激光扫描仪获取结构面形貌数据并计算其粗糙度轮廓指数Rp,根据反算结构面粗糙度系数JRC值对Rp进行修正,得到更加精确的Rp修正公式来表征岩体结构面的粗糙度系数。

剪切荷载下岩体结构面-浆体-锚杆相互作用机理宏细观研究

基于PFC中FISH语言,采用双线性锚杆本构模型对岩体加锚节理面在剪切荷载作用下的力学行为进行数值模拟研究,通过变化锚杆刚度和浆体强度,深入研究岩体结构面-浆体-锚杆相互作用下锚固体系宏细观力学响应。结果表明:加锚节理面的力学响应与锚固结构的力学性质密切相关。锚杆刚度越大,节理面宏观抗剪强度越高;随着锚杆刚度的增加,岩体和浆体中的裂纹也越来越多,锚杆对浆体和岩体的损伤逐渐增加。岩体结构面-浆体-锚杆相互作用,裂纹的产生首先起于节理面上和锚杆与节理面交叉处,随着剪切位移的不断增加,节理面上的裂纹在接触力集中的地方继续产生,而在锚杆周围则由锚杆与节理面交叉处向锚杆两端继续扩展,且裂纹集中在锚固体系的受压侧,主要为由"压致拉"机理导致的张拉裂纹。浆体的强度过小或过大都可能导致锚固体系中裂纹数量的增多,且裂纹以张拉裂纹为主。当浆体强度较低时,裂纹主要集中在浆体中,而当浆体强度较高时,裂纹主要集中在岩体中。因此,在对节理岩体进行加固的过程中,应综合考虑节理面宏观上的抗剪强度和细观上锚固体系的损伤,以实现锚固体系的宏细观耦合支护。分析结论对于节理岩体的锚固支护设计具有参照价值。

基于颗粒离散元法的岩体结构面锚固机理细观研究

为了研究锚杆加固节理岩体的锚固机理,借助颗粒离散元软件PFC2D软件内嵌FISH语言分析了加载过程中锚杆和结构面之间的相互作用机理以及锚杆内部轴向和剪切应力情况,探讨了锚杆对结构面锚固效应和锚杆的变形破坏规律。结果表明:锚杆在剪切荷载作用下容易在结构面和锚杆交界位置发生"S"形变形并在节理面两侧形成塑性铰,导致锚杆在塑性铰处发生拉弯屈服,揭示了锚杆在剪切作用下的拉弯屈服机制,并从细观机制上阐明了锚杆对岩体结构面的支护作用主要体现为结构面内聚力的提高。

节理面剪切应力–切向位移曲线峰值后区特性的初步研究

在节理面剪切试验中,许多剪切应力–位移过程曲线呈现出明显的峰值后区形态。针对这种结构面强度弱化特性,对一组结构面剪切应力–位移过程曲线进行分析,从曲线中获取节理面峰值强度与残余强度。采用一系列应力跌落与塑性流动过程模拟节理面强度弱化过程,通过数值方法再现剪切应力–位移全过程曲线;并进一步研究峰值后区应力–位移曲线与强度弱化的内在关系以及剪胀角演化规律对节理面法向变形的影响,研究成果有助于深化结构面强度与变形特性认识。

节理面强度弱化与强化行为的模拟

在岩石节理剪切试验过程中,依据节理面法向方向的约束形式可划分为常法向载荷作用、常法向刚度约束和常法向位移约束。常法向刚度约束下的剪应力-位移曲线呈现复杂的剪切行为。针对常法向刚度约束,基于将应变软化过程转化为-系列应力跌落与塑性流动过程的方法,将其拓展至可以同时模拟强度软化和强度硬化行为,给出了相应的求解表示式。就节理面在不同法向刚度约束条件下的剪切过程进行了模拟分析。在法向刚度较小时,节理剪切过程呈现强度软化行为;随着法向刚度增加,节理剪切过程转变为强度硬化。剪应力-切向位移、法向位移-切向位移和法向应力-切向位移等曲线的模拟结果与已有的试验结果基本一致,说明提出的方法是可靠的。进一步对不同的初始法向应力与法向刚度组合形成的约束进行了模拟,分析了相应的节理面剪切行为。

Degradation of joint surface morphology, shear behavior and closure characteristics during cyclic loading

In order to investigate the failure mechanism of rock joint,a series of laboratory tests including cyclic direct shear tests under constant normal load(CNL)conditions were conducted.Morphology parameters of the rock joint surface were precisely calculated by means of a three-dimensional laser scanning machine.All test results were analyzed to investigate the shear behavior and normal displacement behavior of rock joints under CNL conditions.Degradation of rock joint surface during cyclic shear tests was also analyzed.The comparison results of the height parameters and the hybrid parameters of the joint surface during cyclic tests show that the degradation of the surface mostly happens in the first shear and the constant normal loads imposed on the joints have significant promotion effects on the morphology degradation.During cyclic shear tests,joints surfaces evolve from rough state to smooth state but keep an overall undulation.Dilatancy of rock joints degrades with the degradation of joint surface and the increase of normal loads.The closure deformation of joint is larger than that of the intact rock,and the normal stiffness increases with the increase of shearing times.

水电站地下厂房洞室群地震反应显式有限元分析

采用有限元空间离散模型,结合动力方程求解的显式差分方法、局部透射人工边界和接触力模型,建立了水电站山体地形、不连续地质体及地下洞室体系地震反应分析的显式有限元方法。以溪洛渡水电站工程为背景,构建了地下洞室群有限元分析简化模型,并利用显式有限元方法,分析了山体地形和节理面、入射地震波特性和入射角以及洞室群位置等因素对洞室地震反应的影响。结果表明,入射地震波特性(SH、SV、P波及其频谱)和入射角、山体地形和节理面以及洞室群的位置等均对洞室反应有显著的影响,仅地震波入射角度变化或节理面存在的影响作用就超过了60%。同时看到,由于山体地形和不连续地质界面及地震波入射方向的影响作用,即使对于同一个地震,水电站左右两岸洞室受地震的影响程度可能有很大差别。