软-硬互层岩体节理峰前循环剪切疲劳损伤机理研究

三峡库区频发微小地震下岩体节理循环剪切疲劳损伤对边坡动力稳定性具有重要影响。通过室内峰前循环剪切试验和PFC2D细观数值计算,研究了考虑一阶起伏角、含水率、剪切速率、剪切幅度、法向应力及循环剪切次数影响的软-硬互层岩体节理宏细观疲劳损伤机理。研究表明:①岩体节理剪切应力-剪切位移曲线历经初始非线性压剪变形、近似线弹性压剪变形、循环剪切疲劳损伤变形、应力缓升压剪变形、应力陡升压剪变形及应力脆性跌落压剪变形六个演化阶段。②岩体节理峰值(残余)剪切强度和疲劳剪切(法向)位移在相同一阶起伏角、含水率、剪切速率、剪切幅度或法向应力下随循环剪切次增多而分别降低和增大;且其在相同循环剪切次数下随一阶起伏角或法向应力变大而分别增大和降低,而随含水率、剪切速率或剪切幅度变大则分别降低和增大。③宏细观结果总体上吻合较好,且岩体节理细观剪切疲劳损伤裂纹数量随剪切位移变化呈前期微增-陡增、中期缓增及后期陡增-缓增-陡增的发展特征,而其随循环剪切次数变化则呈前期陡增和后期缓增的发展特征。④岩体节理宏细观剪切疲劳损伤典型演化过程可概述为压密-起裂破坏、循环错动-贯通破坏及分离-啃断破坏3个渐进性发展阶段,且宏细观剪切疲劳损伤裂纹近似呈“倒U形”密集分布于岩体节理附近。

动力荷载下软硬互层岩体力学特征

针对动力荷载下软硬互层岩体破坏问题,以汶川水磨沟滑坡层状岩体为研究对象,依据相似理论,制作软硬互层岩质试块,开展单轴压缩及变上下限等幅值循环荷载试验,研究其动力特性及破坏过程。结果表明:随岩层倾角的增大,其破坏模式为贯通层面的张拉破坏(0°~30°)、沿层面的剪切破坏(45°~75°)及沿层面的劈裂破坏(90°),而试样的强度及应变先增后减。对于相同倾角的试样,强度随加载频率及围压增大而增大。应变随加载频率增大而减小,随围压增大而增大。加载频率的增大会导致竖向拉张裂缝贯通、破裂程度降低。

反倾软硬互层岩体边坡地震响应的数值模拟研究

反倾软硬岩体互层边坡是公路建设中经常遇到的一类边坡,在不利条件下有失稳破坏的可能,特别是在坡脚受到扰动、降雨、地震等作用时。以"5.12"地震期间都汶公路(都江堰—汶川)上一处边坡的地震响应为例,采用离散元UDEC软件对其进行模拟,系统研究了其地震响应的变形破坏机制。研究结果表明,地震作用下,软弱岩层挤压变形强烈,有向外剪出的趋势。同时,在地震波反复拉张作用下,软弱岩层位置容易开裂,成为坡体变形破坏的优势拉裂区域。地震波加速度、速度随高程变化放大显著,在坡体表部位移量随高程增高而逐渐增大。就整体而言,岩体内部的节理裂隙进一步张开,并产生了一些新的裂隙,弯曲倾倒有加剧的趋势;而坡表覆盖层普遍具有表部拉张开裂和掉块现象,特别是在地形几何形态突变处,破坏更为显著。

软硬互层岩体卸荷蠕变力学特性试验研究

利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全程曲线。蠕变试验结果表明:围压较高时,试样的轴向与侧向变形随时间的推移变化不大,蠕变现象不明显;随着围压逐渐减小,试样的蠕变变形越来越显著,在最后一级出现了典型的蠕变3个阶段并发生了非线性加速蠕变现象直至试样破坏。软硬互层岩样三轴卸荷蠕变破裂形式主要以剪切破坏为主,局部伴随着一定程度的张拉破坏,主裂纹与水平面大致呈45°角,剪切破裂面较为单一平整,且破坏面基本是沿着强度较低的绿片岩层理内部并平行于层理面产生和扩展贯通而形成的。在加速蠕变阶段之前,其侧向蠕变变形比轴向蠕变变形小,但试样处于加速蠕变阶段时,侧向蠕变变形量与蠕变速率均要高于轴向蠕变;这表明随着时间的增长和围压的降低,岩样的侧向蠕变比轴向蠕变更为灵敏,而且体积扩容效应显著。卸荷条件下,蠕变力学参数表现出较为显著的非定常性规律,当外荷载小于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数与卸荷量有关,随着卸荷量的增大逐渐弱化;当外荷载大于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数不仅与卸荷量有关,而且还与蠕变时间有关。

软硬互层岩体模型单轴压缩破损规律研究

鉴于正确认识软硬互层岩体力学特征、分析其变形和强度规律,是大型岩体工程设计和施工需解决的关键问题,开展了一系列的物理模型试验和数值模拟试验,研究了软硬互层岩体的力学特征,探讨了互层的存在以及倾角变化对岩体变形破损的影响规律。结果表明,当岩层倾角由0°增加至90°时,试样的单轴抗压强度存在明显差异,抗压强度随岩层倾角的增大呈U型分布;试样的破损特征随倾角变化和分层变化呈不同破坏形态,破裂面主要沿软硬分层薄弱面发育,层间破坏主要由软弱分层的破坏引起;软硬分层薄弱面处切应力明显增大,相邻软硬夹层的应力分布有明显间断。

软硬互层岩体结构面宏细观剪切力学特性

针对“软+硬”和“硬+软+硬”组合形式下的2类典型软硬互层岩体结构面,通过开展恒定法向压力下的室内直剪试验和PFC^(2D)细观模拟,研究了不同含水率、法向压力及一阶起伏角下结构面的宏细观剪切力学特性,据此提出了其剪切强度估算公式并进行了算例验证分析。研究表明:①结构面剪切应力(法向位移)随剪切位移的变化具有显著阶段性发展特征,即第1类结构面历经初始非线性压剪变形、应力稳定增长压剪变形和应力陡升-脆落塑性压剪变形3个阶段,第2类结构面历经初始非线性压剪变形、应力陡-缓升压剪变形和应力恒定塑性压剪变形3个阶段;②2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切位移均随含水率增加而减小(最大法向位移则增大);2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切(最大法向)位移均随法向压力增加而增大;第1类结构面的峰值剪切强度随一阶起伏角增加而增大(残余剪切强度则先增大后减小),第2类结构面的峰值(残余)剪切强度随一阶起伏角增加而增大,且2类结构面的峰值剪切位移总体上均随一阶起伏角增加而减小(最大法向位移则增大);③2类结构面的细观损伤裂纹数量(能量)随剪切位移的变化均可划分为3个发展阶段,即初期微增、中期近似“下凹弧形”陡增和后期近似线性缓增(裂纹数量)以及初期微增、中期近似“上凹弧形”缓增和后期近似线性陡增(能量);④宏观试验结果与PFC^(2D)细观模拟结果吻合较好,统一概化描述了结构面宏细观损伤劣化机理,并将第1类和第2类结构面的典型破坏模式分别概括为压剪-起裂破坏、错动-脱空破坏和贯通-啃断破坏以及压剪-起裂破坏、磨损-啃断破坏和贯通-滑移破坏各3种基本类型;第1类和第2类结构面的细观损伤颗粒分别近似呈“倒U形”和“S形”分布于剪切面附近,且颗粒间接触力倾角于0°~90°时损伤颗粒数量分布最多;⑤着重考虑硬性岩层起伏度的影响,提出了2类结构面的剪切强度估算公式,并采用极限平衡法和强度折减法对含典型结构面的边坡算例进行了稳定性分析,验证了该公式的合理性。

软硬互层岩体力学及变形特性的离散元模拟

采用离散元软件PFC2D模拟软硬互层岩体渐进破裂过程,研究倾角、软硬层厚比和围压对其力学特性及变形特性的影响。研究结果表明:(1)软硬互层岩体抗压强度、黏聚力、内摩擦角和弹性模量随岩层倾角的增加先减小后增大,随围压的增加逐渐增大,随软层厚度的增加逐渐减小;(2)软硬互层岩体强度与其单结构面理论强度分布规律大致相同,但实际强度没有保持不变的倾角范围,且在最不利破坏倾角α=π/4+φ_(j)/2附近的变化幅度也没有单结构面理论强度明显;(3)硬层中生成贯穿层理面裂隙所需应变随软层厚度增大,增大岩体裂隙数量发展速度随岩体倾角的增加先增加后减小,在45°或60°时达到峰值,围压增大,岩体裂隙发展越充分;(4)软硬互层岩体在岩层倾角0°时为贯穿层理面的张剪破坏,在30°~60°时为沿层理面的剪切滑移破坏,90°时为沿层理面和局部贯穿层理面的复合张剪破坏;(5)围压的增大会诱发岩体发生剪切破坏,而软层厚度的增加可增强岩体破坏时的完整性。

高地应力缓倾软硬互层岩体中隧道底鼓影响因素模拟分析

当隧道穿越以水平构造应力为主导的高地应力区,特别是隧底下伏缓倾软硬互层岩体时,易发生隧道底鼓变形。选用侧压力系数、岩层倾角、围岩厚度、围岩弹性模量、隧道埋深5种影响因素,通过FLAC 3D建立数值计算模型,研究单一影响因素和多因素耦合对隧道底鼓的影响规律。结果表明:在单一影响因素下,隧道底鼓量随侧压力系数和围岩厚度的增大先增大后减小,随围岩倾角和围岩弹性模量增加而减小,随隧道埋深增加而增大;在多因素耦合作用下,各因素对隧道底鼓的影响显著性排序依次为隧道埋深>侧压力系数>硬质岩弹性模量>岩层倾角>硬质岩岩层厚度。

提升软硬互层岩体松动爆破综合效能的精准设计

为探索精准爆破设计和精细化爆破作业过程对露天煤矿岩体松动爆破效果的影响,通过对爆区岩性分布、工程地质条件等基本要素和爆区环境信息等数据的细致采集处理,针对黑岱沟煤矿软硬互层、近水平岩层叠置,台阶平台平整度不均和炮孔含水情况,提出了用空气间隔装药和大密集系数爆破技术、控制堵塞高度和装药高度、空气与水介质耦合处理浅水孔的松动爆破精细设计优化方案,现场试验表明该方案不仅改善爆破效果,同时可大幅度降低松动爆破成本。

软硬互层岩体的加筋作用及敏感性分析

通过对软硬互层岩体受力分析及二维颗粒流数值模拟,从宏观方面分析了硬岩的"加筋"作用及其力学机制,并通过大量的单轴压缩数值模拟分析了加筋作用对硬岩弹模、泊松比、强度以及分层数量、层厚比和层间摩擦等因素的敏感性。结果表明:硬岩对软硬互层岩体的加筋作用主要是通过承受拉应力来发挥作用。加筋作用对分层数和层厚比的敏感度较高,对弹模的敏感度先减小再增加,对强度的敏感度则相反,对层间摩擦的敏感度逐渐降低。

深埋软硬互层隧道施工变形破坏规律研究

本文以某向斜构造处深埋软硬互层隧道为研究背景,利用FLAC3D数值软件建立了隧道施工的数值计算模型,对比分析了无支护条件下均质砂岩、均质泥岩、砂泥岩互层以及支护条件下砂泥岩互层的应力、位移、塑性区变化规律。研究结果表明:无支护条件下,砂泥岩互层、砂岩、泥岩隧道围岩的应力集中系数分别为2.4、1.7和2.6,其最大破坏范围分别为16.1m、27 m和3 m,砂泥岩互层隧道围岩的径向位移约为均质泥岩和均质砂岩的20%和595%;支护后的深埋砂泥岩互层隧道的竖向位移、水平位移、顶部破坏深度和底部破坏深度分别为无支护时的32.2%、43.3%、28%和51.7%,复合式衬砌支护可以有效保证隧道的稳定性。

软硬互层岩体变形破坏机制物理模拟试验研究

为研究软硬互层结构层状岩体的变形破坏与拉-剪断裂机制,采用物理相似模拟手段预制不同层面倾角和软硬层厚比的试样,进行单轴压缩试验,并对试验应力-应变曲线和试样表面裂纹进行分析,得到以下结论:(1)单轴压缩下试样峰值强度和杨氏模量,随层理面倾角β的增加先减小后增大,随软硬层厚比k的增加有降低趋势。(2)由于沿层面的局部剪切滑移,倾角为30°~45°试样的应力-应变曲线在加载初期有一个明显的应力突降点,这是软硬互层岩体应力-应变曲线一个独有的多峰型特征。另外相比于已有层状岩体破坏模式,发现一种软层压碎、硬层穿层拉破坏的新模式。(3)采用表面裂纹图像提取方法,首次给出在层面倾角β和软硬层厚比k控制下,试样表面裂纹特征演化的玫瑰花分布图。同时研究拉、剪断裂的破坏机制和裂纹的分布占比以及对试样破坏模式的影响规律。研究得出,层面倾角β控制裂纹的扩展方向;软硬层厚比k决定拉、剪破坏的占比。沿层面的剪切滑移、硬层中的拉伸断裂以及软层中的压碎破坏,是导致试样变形破坏的3个主要因素。当层理面倾角β在30°~45°附近时,层面发生剪切滑移,剪裂纹增多。当层理面倾角在0°和90°附近时,试样在穿层或沿层方向发生拉伸破坏,剪裂纹减少。

岩石/结构面劣化导致巴东组软硬互层岩体强度劣化的作用机制

岩石/结构面劣化导致巴东组软硬互层岩体强度劣化的作用机制是揭示三峡库区库岸消落带巴东组软硬互层岩体强度渐进劣化机理和评价库岸边坡稳定性的关键问题.以三峡库区典型"易滑岩组"巴东组第二段红色系列的砂岩与粉砂质泥岩互层岩组为研究对象,考虑干湿循环条件下岩石/结构面参数劣化,开展了软硬互层岩体单轴压缩数值试验,分析了软岩/硬岩/层面劣化对巴东组软硬互层岩体单轴压缩强度劣化的贡献度及其与岩层倾角的关系.研究结果表明,不同岩层倾角条件下,软岩/硬岩/层面劣化对巴东组软硬互层岩体单轴压缩强度劣化的影响有明显区别,以软岩/硬岩/层面劣化对巴东组软硬互层岩体单轴压缩强度劣化的贡献度为依据,将岩层倾角全范围划分为软岩控制区、软岩-硬岩-层面共同控制区、沿层面滑移失稳破坏区和硬岩控制区,揭示了岩石/结构面劣化导致巴东组软硬互层岩体强度劣化的作用机制及其受岩层倾角的影响,为进一步研究库岸消落带巴东组软硬互层岩体强度渐进劣化机理奠定了基础.

岩层厚度对砂泥岩水平互层岩体力学特性的影响

该文针对砂泥岩水平互层岩体,基于FLAC3D数值分析方法,分别采用层厚比(泥岩层厚与砂岩层厚之比)与岩层密度(一定岩体厚度范围内的岩层数)表征砂泥岩水平互层岩体的相对岩层厚度和绝对岩层厚度,分析了不同岩层厚度对砂泥岩水平互层岩体的单轴抗压强度及变形特征的影响。研究表明:砂泥岩水平互层岩体的层厚比以0.75为界限,当层厚比小于0.75时,砂泥岩水平互层岩体的单轴抗压强度随层厚比的增加而大幅减小,随岩层密度的增加大幅增加。因此,实际工程中应综合考虑层厚比及岩层密度两种因素对岩体强度的影响进行取值;当层厚比大于0.75时,砂泥岩水平互层岩体的单轴抗压强度随层厚比的增加稍有减小,随岩层密度的增加稍有增加,但总体上趋于稳定,并接近于泥岩的抗压强度,因此,实际工程中可按泥岩的抗压强度进行取值。