循环动载边界下三维粗糙节理面剪切力学响应研究

开展正弦波式循环法向动载–循环剪切位移叠加作用下三维粗糙节理面剪切试验,探讨初始法向静载(Fs)、法向动载振幅(Fa)、法向动载频率(fv)及循环剪切次数(N)对节理面剪切特性的影响。随着Fs与Fa的增加,节理面法向荷载变化范围逐渐增大,一个剪切位移周期内剪切荷载呈现波动增加→波动减小→波动增加趋势;稳定状态下峰值剪切荷载随着Fs与Fa的增加分别增大4.90倍与65.12%,节理面抗剪能力逐渐增强,而随着fv的增加,节理表面损伤渐进累积导致峰值剪切荷载逐渐减小,且出现的时刻逐渐前移,稳定状态峰值剪切荷载减小17.49%。一个剪切位移周期内节理面法向位移呈现波动增加→波动减小→二次增加→二次减小的趋势,当节理面远离初始位置剪切时,凸起体持续“爬坡效应”导致法向位移逐渐增大;节理面法向位移–法向荷载呈现明显负相关,且最大法向位移滞后于最大剪切位移1/4法向荷载周期;随着N的增加,节理面持续磨损劣化导致最大法向位移呈指数函数减小趋势;最大法向位移随着Fs,Fa及fv的增加分别呈现逐渐减小、逐渐增加及先增后减的特征。剪切后节理表面粗糙度系数随着Fs,Fa与fv的增加,呈现的变化规律分别为减小了57.79%,43.26%以及以1 Hz为拐点先增加后减小的趋势。

基于小波变换理论的岩石节理面粗糙度分级表征

岩石节理面粗糙度的准确量化表征一直是节理岩体力学领域关注的热点问题。节理面表面形貌是多尺度的,且一阶、二阶起伏体对节理面粗糙度的形貌贡献存在差异,如何在考虑节理面多尺度特征的前提下实现粗糙程度的准确表征有待深入研究。基于小波变换理论,提出了用于小波基优选的能-熵比准则,结合基于能量保持百分比及信号标准差定义的临界分解水平准则,形成了节理面形貌分解理论。然后,以节理面形貌分解理论为基础,以10条标准节理面粗糙度系数(JRC)曲线为对象,实现了标准曲线中一阶、二阶起伏体的准确分离。对一阶、二阶起伏体的统计参数(一阶导数均方根Z_(2)、节理面粗糙度指数R_(p)-1)进行了计算,分析了一阶、二阶起伏体统计参数之间的差异,揭示了标准曲线的统计参数随粗糙度增加而出现局部凸起现象的原因,建立了节理面粗糙度的分级表征公式。最后,开展节理面剪切试验对粗糙度分级表征公式的可靠性进行验证。研究结果表明:①基于小波基优选准则确立的最优小波基coif5可实现节理面表面形貌的小波变换处理;②基于临界分解水平判别准则确立的第4分解水平适用于一阶、二阶起伏体的识别;③节理面中一阶、二阶起伏体的统计参数存在差异,二阶起伏体的统计参数普遍大于一阶起伏体的统计参数,揭示了标准曲线的统计参数随粗糙程度的增加而出现局部凸起的主要原因是未考虑一阶、二阶起伏体的形貌贡献差异;④基于粗糙度分级表征公式得出的节理面粗糙度系数与节理试样剪切试验结果的反算值吻合,且准确度比未分级的表征公式要好,表明粗糙度分级表征公式是合理的。

恒定法向刚度条件下加锚充填节理岩体剪切特性研究

深部岩体节理往往存在不同程度的软弱充填物质,导致岩体力学性质更为复杂。开展恒定法向刚度CNS边界条件下,考虑高初始法向应力及不同节理粗糙系数JRC−充填度△组合模式的加锚充填节理岩体剪切试验,结合微观电镜扫描(scanning electron microscope,简称SEM)分析充填节理部分宏微观结构演变特征,推导CNS边界条件下峰值剪胀角相关计算方法。研究结果表明:当△<0.5,试件剪应力强度呈现应力硬化;当1.0<△≤1.5,剪应力强度由基本恒定演化为应力软化。当△小于临界充填度△_(cr),JRC成为峰值抗剪强度主要影响因素。△在节理法向变形中起到控制作用,随着△的增加,出现剪胀、先剪胀后剪缩、剪缩3种演化规律,JRC则影响着试件剪胀−剪缩变化程度。充填节理部分破坏模式随着△的增加主要经历3个阶段:粗糙点磨平、充填物质摩擦、充填物质磨碎。微观角度下由疏松多孔结构形式演化为散体碎屑状结构形式。受挤压破碎区与挤压应力集中区二者的相互演化机制影响,锚杆剪切变形模式逐渐由△=0的“近似”拉剪变形向△=1.5的拉弯变形模式演变。在此基础上,提出了一种CNS边界条件下加锚充填节理岩体峰值剪胀角的计算公式,并进行了试验验证及边界条件影响参数敏感性分析。

基于离散傅立叶变换的岩石节理形貌分析与随机重构

为了进一步开展节理面细观形貌特征对其宏观剪切特性影响的数值模拟研究,提出既可以定量地对实地采集节理试样的形貌特征进行正向分析,又能够根据预定的形貌特征范围随机地进行节理试样逆向重构的傅里叶形貌分析法。分别采用传统粗糙度分析法与傅里叶分析法对50 224个实测的节理样本进行形貌分析,得到傅里叶参数计算的经验公式;确定采用离散傅立叶变换法进行不同粗糙度节理试样逆向重构时的傅里叶参数取值范围;研究成果能为快速随机重构符合一定粗糙度特性的节理轮廓,建立一个完全数字化的虚拟试验系统提供重要基础。

劈裂岩体结构面直接剪切试验研究

为了揭示粗糙劈裂岩体结构面抗剪力学性能及其影响因素,采用不同强度的水泥砂浆对不同形貌参数的人工劈裂结构面进行复制,利用岩石直剪仪开展48组恒法向应力条件下的直接剪切试验,获得不同参数组合条件下岩体结构面的抗剪强度以及峰值剪切应力与正应力的比值(应力比)。基于对峰值剪切强度和应力比数据的定量分析,在BARTON模型的基础上,提出考虑材料强度修正的改进模型。研究结果表明:结构面抗剪强度随粗糙度参数(CJR)、法向应力水平和材料强度的增大而增大;应力比随粗糙度参数增大而增大,随正应力增大而减小。改进的模型更充分地反映了节理面粗糙度参数对结构面抗剪强度的影响,有效解决了BARTON模型在较高正应力条件下预测值偏低的问题。

基于有限元的不同粗糙度裂隙等效渗透性预测

含裂隙岩体的渗透性预测是分析油气开采、污染物迁移等渗透问题的基础。采用自行编写的子单元程序来求解不可压缩黏性流体的稳态Navier-Stokes流动方程,通过引入周期性边界条件(periodic boundary conditions, PBC)来消除以往的数值模拟中仅选用一小段裂隙而忽略裂隙延伸长度所产生的误差,并采用该方法探究了节理面粗糙度系数(joint roughness coefficient, JRC)、裂隙宽度以及裂隙两表面相互错动对裂隙渗透性的影响。结果表明:随着裂隙宽度的增大,JRC值对渗透性的影响减小;仅使用JRC值无法精确评估裂隙的渗透性。

恒定法向刚度条件下吸能锚杆锚固节理岩体剪切特性试验研究

为研究深部岩体工程即恒定法向刚度(CNS)边界条件下吸能锚杆的锚固效果及锚固节理抗剪性能,开展CNS边界条件下吸能锚杆锚固类岩石节理的剪切试验,探究节理面粗糙度(JRC)及锚固深度(h)对类岩石节理剪切应力(τ)、法向位移(δ_(n))、法向应力(σ_(n))、节理面破坏特征、锚杆变形特征的影响规律。结果表明:吸能锚杆可有效提高深部岩体锚固节理的屈服强度及剪切强度,且其提高幅度随着JRC的增大呈现出逐渐增加的趋势,其剪切应力在弹性阶段后产生应力硬化现象。而节理面剪切磨损面积占比随JRC的增加逐渐增大,锚杆的施加使其上涨了20.88%~109.21%。随着锚固深度的增加,节理面的剪切应力、法向位移、法向应力和剪切磨损面积占比均呈现出先增大后减小的趋势,当锚固深度为80 mm时各项指标参数最优,此时锚杆塑性变形段的锚固作用可充分发挥。研究成果为深部节理岩体支护作业的减能增效提供了重要理论支撑。

岩石–混凝土相互作用力学行为的数值模拟研究

针对大坝与坝基、坝肩与库岸相互作用机理,在总结了几种典型接触单元基础上,根据谢和平提出的两体力学模型,采用有限差分程序FLAC,对岩石–混凝土接触界面在直剪作用下的力学性能进行了数值模拟,研究了两体力学模型的破坏过程及不同接触面粗糙度对其整体力学性能的影响。结果表明,两体力学模型破坏过程具有几个明显的不同阶段,节理面粗糙度对其力学性能具有明显的影响。