倾斜闭合节理类黏土岩循环荷载作用下力学特性研究

为了研究黏土岩原生节理在往复循环荷载作用下的力学特性,采用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机对倾斜闭合节理类黏土岩进行循环加载试验,分析了3种围压、3种节理面积占比和2种循环加载方式对其力学特性的影响,结果表明:围压和节理面积占比均对倾斜闭合节理类黏土岩抗压强度影响较大;倾斜闭合节理类黏土岩动弹性模量和阻尼比均受节理面积占比、循环加载方式和围压影响;节理面积占比是决定倾斜闭合节理类黏土岩动泊松比的主要因素。试验结果对黏土岩的力学特性研究有重要参考意义,并为黏土岩高放废物处置库的实际工程建设和围岩长期稳定性分析与预测提供一定的参考依据。

单轴压缩荷载下非贯通闭合节理岩体损伤本构模型

目前损伤力学已被认为是研究节理岩体力学行为的有效工具,但是在目前的节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理几何特征而未考虑节理内摩擦角等力学参数,这显然不能很好地反映节理岩体的力学特征。为此,拟推导出一个能够综合考虑节理几何及力学参数的损伤变量(张量),并由此建立单轴压缩荷载下岩体损伤本构模型。首先,基于断裂力学的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了含非贯通节理岩体的损伤变量计算公式;其次,根据断裂力学理论对单轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子KⅠ、KⅡ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用给出了单组单排及多排非贯通节理应力强度因子计算公式。最后,利用该模型对含单条非贯通节理的岩体在单轴压缩荷载作用下的峰值强度及损伤变量进行了分析计算。结果表明,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为零,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小。

利用TLS技术测定闭合节理直剪试验剪切面面积

针对现行直剪试验中未考虑剪切面"闭合不规则空间曲面"特性对剪切面面积测定的影响,提出了一种基于地面三维激光扫描(Terrestrial Laser Scanning,TLS)技术的闭合节理直剪试验剪切面面积测定方法.该方法首先通过三维激光扫描仪获取岩石试样的三维点云数据,然后进行点云去噪和提取岩石剪切面轮廓点云数据,接着由剪切面轮廓点云数据拟合最佳投影面,计算轮廓点云在投影面上的投影点集及其各点投影坐标,最后利用逐点插入的Delaunay三角剖分算法获得轮廓点云投影点集的凸包,凸包三角形面积和即为剪切面的面积.实验结果表明:基于TLS的闭合节理直剪试验剪切面面积测定方法操作简单,且面积计算精度高,适用于任意形状闭合节理面的剪切面面积计算.

含一组未闭合断续节理脆性岩体强度特性

本文介绍了在压缩荷载作用下,含一组未闭合断续节理石膏模型试验成果,结合试验中观察到的力学性状,运用断裂力学理论,着重分析了这类岩体的破坏机理及强度特性,并提出了估算该类岩体的两种强度准则。

共面闭合断续节理岩体的直剪强度研究

根据模型试验研究结果,深入分析了直剪条件下含共面闭合断续节理岩体的变形和破坏机理,并在此基础上建立了这类岩体的初裂强度和贯通破坏强度准则,将计算结果与实测值进行了对比分析,表明两者吻合较好,证明该强度准则是合理可靠的,具有理论和工程应用价值。

平面应力条件下闭合断续节理岩体破坏机理及强度特性

根据激光散斑照相技术和应变花所测得的位移场和应力场， 深入分析了平面应力条件下闭合断续节理脆性岩体的变形和破坏特征， 揭示了裂纹扩展规律和破坏机理， 得出了这类岩体的初裂强度和贯通破坏强度表达式， 并将计算结果与试验结果进行了对比， 验证了所得公式的合理性。

共面闭合断续节理岩体强度特性直剪试验研究

通过直剪试验条件下的模型试验，研究了不同节理连通率、节理排列方式、正应力条件下同时包含闭合节理和岩桥的剪切面的变形和强度特性及其相应的变化规律，初步探讨了节理、岩桥变形和破坏机理。

含定向闭合断续节理岩体的强度特性

本文通过石膏模型试验,着重分析了含定向闭合断续节理的脆性岩体的强度特性和破坏机理。在此基础上,提出了估算这种岩体强度的准则。

平面应力条件下闭合断续节理岩体力学特性试验研究

通过平面应力条件下闭合断续节理岩体的破坏试验，采用自行研制的高压柔性加载装置施加垂向和侧向荷载，用千分表和激光散斑照相技术量测试体位移场，用应变花量测试体平面应力场． 结果表明，激光散斑法用于测定闭合断续节理岩体的位移场效果良好，其测值比对应点千分表测值偏小１４％ 左右．据所测得的位移场和应力场，研究了裂纹尖端应力场的演变及裂纹扩展的路径，分析了试体的变形和破坏特征，测定了翼裂纹初裂角，探讨了试体的破坏机理．

共面闭合非贯通节理岩体贯通机制和破坏强度准则研究

简述共面闭合非贯通节理岩体的破坏机制及其贯通强度依赖于节理和岩桥的特性,阐述现有的共面闭合非贯通节理岩体的强度准则及其不足。研究直剪应力状态下共面闭合非贯通节理的受力特点,提出共面闭合非贯通节理岩体破坏机制,引入起裂角,在此基础上建立含起裂角的共面闭合非贯通节理岩体贯通破坏强度准则。通过与前人的试验进行对比,结果表明提出的破坏机制能较好地解释试验现象,理论计算的峰值强度与试验实测值吻合较好。

SHPB加载作用下考虑节理分形的闭合变形性质研究

为了探讨动载荷作用下的节理闭合变形性质,用水泥砂浆制作出含节理的人工试样,并采用SHPB装置对具有不同分形(JRC)的含节理试样进行不同加载率作用下的冲击试验,获得了不同加载率下具有不同Barton标准JRC值的节理动态闭合变形曲线。冲击后试样及其结果分析显示:随着加载率的增加,碎裂的块数明显增加,表现出较强的加载率相关性;节理闭合变形曲线的变化趋势基本不受加载率的影响,节理变形量δ均随着应力σ的增大而增大。在加载速率相同的情况下,不同节理形貌试样的节理法向变形量存在较大差异;具有相同节理的试样在不同加载率作用下的闭合变形曲线也是显著不同的;无论加载率多大,δ和σ之间均具有很强的指数关系,可用统一的公式表达。该研究成果为进一步开展动载荷作用下节理闭合变形本构方程研究提供了试验基础。

考虑非贯通节理损伤演化岩体复合本构模型

非贯通节理岩体的力学特征与完整岩石相比有较大差异.为推导非贯通节理岩体在单轴压缩下的复合损伤本构模型,采用修正自洽方法考虑不同损伤变量之间的复合.从附加应变能增量和损伤应变能释放量相关联的思路出发,采用等效直线裂纹作为节理裂隙损伤演化轨迹,分别计算细观损伤、初始节理和节理裂隙损伤演化引起的附加应变能;基于Betti能量互易定理,引入自洽方法考虑节理裂隙之间的相互作用,并采用逐条添加节理的方法对传统自洽方法进行修正,得出岩体不同受力阶段细观、初始节理和节理裂隙损伤演化的复合损伤本构模型;将本构模型的理论计算结果与现有文献的室内试验结果进行对比分析,结果显示:本构模型的理论计算结果与室内试验结果规律一致,随着节理个数增加,初始弹性模量和荷载峰值均呈下降趋势,下降幅度较为一致;节理裂隙的损伤演化对岩体的力学特性有重要影响,考虑节理裂隙损伤演化的理论应力应变曲线和荷载峰值与室内试验结果更为吻合,有效验证了复合损伤本构模型的正确性与合理性.

双轴应力下非贯通节理岩体压缩损伤本构模型

针对目前节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理长度、倾角等几何性质,而未考虑节理抗剪强度等力学性质的不足,基于断裂力学中的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学中的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了在双轴应力下含单条非贯通闭合节理岩体的损伤变量计算公式,并根据断裂力学理论对双轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子KⅠ、KⅡ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用,给出了单组单排及单组多排非贯通节理尖端应力强度因子计算公式,由此建立了相应的节理岩体双轴压缩损伤本构模型,并利用该模型进行了相应的算例分析。结果表明:对含单条非贯通闭合节理的岩体而言,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为0,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小;对含单组单排非贯通闭合节理的岩体而言,当节理总长度一定时,随着单条节理长度的减小及节理条数的增加,岩体损伤则逐渐减小,但其减小幅度与节理条数并不呈线性关系。

基于断裂理论的节理岩体等效弹模的研究

为了研究无填充断续节理岩体的力学特性,假定岩体中的节理类似于断裂力学中的裂纹,利用裂纹扩展的能量释放率理论,结合弹性力学中的Betti互易定理,推导出了在平面应力状态下一组闭合节理平板的等效弹模,并考虑到节理之间的相互影响,对其进行了相应的修正;同时进一步推导了三维含无填充断续节理岩体在闭合状态下的等效弹模。最后得出节理岩体的等效弹模与节理的几何形态及其力学参数以及节理是否闭合有关。

改进的岩石节理弹性非线性法向变形本构模型研究

回顾了已有的几类岩石节理法向变形本构模型,指出以往模型在中应力水平条件下模拟结果与试验结果发生偏离的现象。针对这一问题,引入"半值节理最大闭合量应力"σ1/2概念,着重论述了传统的BB模型与经典指数模型本身所固有的数学缺陷。随后,以Malama和Kulatilake(2003)提出的统一指数模型为例,进一步阐明模型改进的必要性,同时分析了该模型因采用对σn/σ1/2项添加幂函数n的修正方式而丢失节理法向初始刚度Kni的物理意义这一不足之处。基于上述研究,根据前人试验数据分析建立单调加载条件下岩石节理法向应力–位移关系曲线的控制微分方程,定义拟节理最大允许闭合量Dmax=ξdmax的概念,提出一种新的三参数本构模型——改进的岩石节理弹性非线性法向变形本构关系,并在数学上严格证明了BB模型与经典指数模型是新模型的两个特例。新模型克服了前述模型数学上的缺陷,弥补了以往模型模拟结果与试验结果发生偏离的不足,且没有因新参数ξ的添加丢失Kni的物理意义。最后采用新模型对他人试验结果进行预测,建议了修正参数ξ的确定方法。模型预测结果与试验结果吻合良好,进而验证了本文模型的可行性。

基于水平集坐标的二维压剪节理动态扩展过程无网格法模拟研究

发展能有效模拟岩体节理拉压破坏动态扩展过程的无网格模拟方法,构造岩体节理张开和闭合接触摩擦行为的无网格法近似函数,采用水平集坐标描述和捕捉节理在扩展过程中的几何信息。当节理张开时,引入断裂线,并采用衍射准则引入位移跳跃项。当节理闭合时,提出类似于Goodman接触摩擦单元的无网格近似函数构造方法,考虑节理面上、下两侧的相对滑动和法向接触。与Goodman单元或以往的无网格模拟不同,本文的接触方法基于材料点而非结点,并与水平集坐标更新算法结合,在处理节理模型生成和动态扩展后的模型更新上更灵活、简便,且具有通用性。通过测试拉剪、压剪破坏单节理和雁行节理的静态和动态破坏扩展过程的算例,验证了本文方法的正确性和有效性。

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.

法向循环加卸载条件下节理力学特征研究

将节理法向循环加卸载试验所得的法向应力–闭合量曲线分别采用半对数、双曲线本构方程进行拟合,得到2种类型节理法向刚度表达式,并将其引入持续屈服节理模型中,同时编写节理法向循环加卸载程序,首次实现节理非线性本构循环加卸载数值模拟分析。研究结果表明:建立的节理法向非线性本构循环加卸载数值试验方法行之有效;由双曲线方程得到的节理法向刚度值较由半对数方程得到的法向刚度值略有不同,但2种方法得到的节理法向应力–闭合量曲线数值模拟结果均与室内试验十分接近,均可有效表征节理法向循环加卸载力学特征。研究成果可为后续节理岩体动力学性质研究,边坡动力响应分析以及边坡稳定性、安全性评价等奠定基础。