不同剪切速率下岩石节理的强度特性研究

不同剪切速率作用下岩石节理强度特性是研究地震荷载作用下岩体结构响应和安全的基本参数,通过RMT–150C电伺服试验机,利用人工浇铸的表面为锯齿状的混凝土岩石节理试样,研究不同剪切速率下各种岩石节理起伏角度岩石节理的强度特征。试验结果发现:(1)岩石节理面的峰值剪切强度随着剪切速率的增大而减小,减小幅度随着剪切速率的增大变小;(2)岩石节理面的峰值剪切强度随着起伏角度的增大而增大;(3)岩石节理面的峰值剪切强度随着法向应力的增大而增大,基本成线性关系。最后,基于试验的结果提出考虑不同剪切速率的岩石节理峰值强度模型。

节理倾角及连通率对岩体强度、变形影响的单轴压缩试验研究

利用含一组张开预置裂隙石膏试件的单轴压缩试验,系统地研究节理组的产状和节理连通率的连续变化对张开断续节理岩体单轴压缩强度和弹性模量及应力–应变曲线的影响。试验研究发现:(1)随着节理连通率的增大,应力–应变曲线的延性增强,由单峰曲线变为多峰曲线;(2)在节理倾角不变时,随着节理连通率的增大,岩体的峰值强度和弹性模量都逐渐降低,且二者变化规律不完全相同,可采用不同幂函数的倒数来表示,其系数与节理倾角有关;(3)当节理连通率不是很大时,岩体的峰值强度和弹性模量随节理倾角的变化规律大致相同,节理倾角为90°时岩体峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为30°和60°时岩体的峰值强度和弹性模量最低,出现2个极小值。当节理连通率较大时,节理倾角为90°时岩体的峰值强度和弹性模量最高,节理倾角为45°时岩体的峰值强度最低,节理倾角为0°～60°时岩体的弹性模量都很低。对试件破坏过程的进一步分析表明,上述岩体宏观力学特性随节理倾角和连通率的变化规律,与预制节理的闭合摩擦、岩桥内拉伸和剪切裂纹产生及与预制节理组合形成宏观组合破坏面等细观损伤力学机制密切相关。

不同倾角贯穿节理类岩石试件峰后变形破坏试验研究

用微机控制高刚度伺服试验机,开展预制贯穿节理类岩石试件的单轴压缩试验,系统研究贯穿节理类岩石试件峰后应力–应变曲线、破坏形式、峰后残余强度、峰后视泊松比等与裂隙倾角之间的关系。试验发现:(1)节理倾角为15°时,峰后的应力–应变曲线和完整试件的基本相同,当节理倾角为30°,40°,50°,60°时,峰后应力–应变曲线与完整试件的差别很大;(2)峰值强度随着节理倾角的增大而减小,峰后的残余强度也大致上随节理倾角增大而减小;(3)随着节理倾角的增大,含节理试件的泊松比也随之增大,而峰值强度后破坏阶段的视泊松比则随之变小;(4)试件峰后破坏模式随节理倾角的变化而不同,在倾角为15°时为劈裂破坏,倾角为50°,60°时为剪切破坏,倾角为30°,40°时为劈裂和剪切破坏的混合模式。研究成果可以反映含单组全贯穿节理类岩石材料的加载破坏峰后力学和变形破坏特性。

人工模拟节理峰值剪胀模型及峰值抗剪强度分析

在5级法向应力作用下对具有相同形貌的人工模拟材料偶合节理进行直剪试验,探讨剪胀角、峰值剪切强度与法向应力、节理表面形貌的关系。采用常用的Barton剪胀模型、Schneider剪胀模型、Jing剪胀模型分析直剪试验实测的峰值剪胀角,结果表明模型计算值与试验实测值存在一定的偏差:Schneider剪胀模型与Jing剪胀模型在低法向应力下预测值过小、在高法向应力下预测值偏大,Barton剪胀模型与试验值相差较远。分析剪胀角存在的边界条件,以t n(/)为参量提出双曲线形式的峰值剪胀模型,进而提出新的峰值强度公式。将新的峰值强度公式,上述3种剪胀模型对应的强度公式及GG强度公式所得的峰值强度与试验数据进行对比分析,结果表明新强度公式预测值更接近试验值。

断续节理直剪试验与PFC^2D数值模拟分析

在以往有关断续节理模型试验和数值模拟的研究基础上,设计不同连通情况和法向应力的断续节理模型材料直剪试验,并采用颗粒流离散元软件PFC2D对模型试验进行全真数值模拟。以贯通节理试样、完整试样的剪应力–应变数值模拟曲线和模型试验曲线吻合作为PFC细观力学参数选取准则,并利用获得的细观力学参数对共面断续节理试样直剪试验进行数值重现。对比分析数值模拟曲线和模型试验曲线,对断续节理受剪贯通的力学机制进行研究。根据模型试验和数值试验的成果,分析断续节理预剪面上应力随剪应变的演化过程,发现剪切过程中的剪胀效应使得岩桥承担更多的压应力,从而提高了岩桥的抗剪强度。对断续节理岩体在直剪加载条件下的破坏机制进行讨论,将整个剪切过程分为线弹性阶段、初裂阶段、峰值阶段、峰后阶段及残余阶段5个阶段。

反复直剪试验节理强度与粗糙度变化的研究

通过对人工模拟节理在不同法向应力作用下的4次反复直剪试验,分析节理峰值抗剪强度与反复剪切次数之间的关系以及节理粗糙度系数CJR退化与剪切次数之间的关系,并提出考虑反复剪切次数n的节理峰值强度公式和节理粗糙度系数CJR衰减的经验公式。研究结果表明:峰值强度随剪切次数的增加逐步减少,但第1次直剪试验得到的峰值抗剪强度与第2次直剪试验得到的峰值抗剪强度差异最明显,后3次直剪试验得到的峰值强度较接近;在相同的法向应力作用下,CJR随剪切次数的增加而减少,但减少速率逐步变小。

Grasselli节理峰值抗剪强度公式再探

确定节理峰值抗剪强度公式面临的首要问题是获取节理表面形貌并合理的评价其粗糙度。常用的方法是节理粗糙度系数(JRC)评价方法,但JRC的评价结果是基于二维剖面线获得的,该方法低估了节理面的粗糙度且具有较大的主观性。节理面形貌测试表明,节理面微元有效剪切倾角*与≥*的微元面积的总和与节理总面积的比值呈高次抛物线关系。基于42组不同形貌节理的直剪试验结果,将节理的峰值剪胀角与形貌参数相联系,提出新的能够考虑剪胀效应的节理峰值抗剪强度公式。新峰值抗剪强度公式符合莫尔–库仑摩擦定律的形式,具有明确的物理含义。所需要的参数均由节理面形貌测试确定,因此能够预测节理的峰值抗剪强度。最后,对已有的节理峰值抗剪强度公式进行比优统计分析并建议公式的使用范围。

含坡度均方根的节理峰值剪切强度经验公式

节理的剪切强度涉及到岩体工程的安全。通过CSS–342岩体剪切试验机对3组具有不同形貌特征的节理进行直剪试验,研究形貌对剪切强度的影响。试验结果表明:峰值剪切强度随法向应力和粗糙程度的增加而增加;但就相同的形貌而言,剪切应力与法向应力的比值减小,即由形貌产生的剪胀角随法向应力的增加而减小。通过分析剪胀角存在的边界条件,提出双曲线形式的剪胀角演化模型,并采用抗拉强度体现岩石的性质对节理剪切强度的影响。采用坡度均方根表征节理的三维形貌特征并提出相应的峰值剪切强度公式,与经典的Barton公式进行了比较,总体上新公式的计算值更为接近试验值。

确定岩石节理Maksimovic峰值抗剪强度准则中“粗糙度角Δφ”的新方法

岩石节理的非线性Maksimovic峰值抗剪强度准则,采用双曲线函数描述不同法向应力作用下剪胀角的变化,参数物理含义明确、适用的法向应力范围广且形式简洁。采用的参量'粗糙度角??'反映节理的粗糙程度,但由至少3组直剪试验数据回归分析确定,因此,不能采用该准则估算节理的峰值抗剪强度。通过等价关系,由已有的峰值抗剪强度准则得到用三维形貌参数表示的'粗糙度角??',提出含三维形貌参数的Maksimovic峰值抗剪强度准则。采用不同形貌节理的直剪试验数据对准则进行了验证,结果表明,计算值与试验值吻合较好,验证了公式的正确性;同时,亦与经典的Barton准则进行了对比。可用该准则预估节理的峰值抗剪强度。

基于三维形貌特征的岩石节理峰值剪切强度准则研究

引入3个在一定范围内独立于测量尺度的三维形貌参数表征岩石节理形貌,并基于形貌参数建立了新的岩石节理峰值剪切强度准则。同时采用新准则和Barton公式计算了23对岩石节理的峰值剪切强度并与室内直剪试验结果对比,新准则的计算值与试验结果较为接近而Barton公式在一定程度上低估了节理剪切强度,表明新准则能更好地描述节理峰值剪切强度。新准则的三维形貌参数反映了不同形貌特征对剪切强度的贡献,物理意义明确,并且形貌参数可在一定范围内采用任意尺度测量,因而有利于新准则的工程应用。进一步分析表明:在规则齿形节理情况下,新准则可退化到Patton公式的形式,因而新准则实质是Patton公式的三维推广。

不同接触状态下粗糙节理剪切强度性质的颗粒流数值模拟和试验验证

节理表面形貌和接触状态对节理剪切力学性质有重要的影响。用砂浆材料的单轴压缩试验和光滑节理直剪试验得到材料和光滑节理的宏观力学性质参数,对颗粒流数值模拟的节理细观力学性质参数进行标定。用颗粒流离散元数值软件(PFC2D)构建人工粗糙节理表面形貌,对不同表面形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质进行颗粒流直剪数值模拟试验,获得其峰值剪切强度。同时进行人工材料节理直剪试验,与颗粒流直剪数值模拟试验结果进行对比分析,数值试验与直剪试验结果吻合较好,验证了颗粒流直剪数值模拟试验与直剪试验具有同等的精度,可以作为各种表面形貌的节理在不同法向应力水平下抗剪强度研究的一种补充方法,以解决节理直剪试验中表面形貌损失对其剪切强度的影响,也可以在少量节理直剪试验的基础上,预估相同形貌的节理在不同接触状态下的剪切强度性质,同时还可以在现场测定不同粗糙度的节理表面形貌,预估其在不同接触状态、不同法向应力下的剪切力学性质。从而解决节理直剪试验中在相同形貌节理试件取样和制备困难的问题,且具有经济、方便、快捷、可重复性强等特点。

岩石直剪峰后曲线与抗剪强度参数关系探讨

对多组泥岩、白云岩和灰岩试样进行直剪试验,利用不同法向应力下峰值剪切强度求得其抗剪强度参数(内摩擦角和黏聚力c)。通过对剪应力–剪切位移曲线的进一步分析,发现峰后曲线和抗剪强度参数有以下关系:(1)峰值剪应力与残余剪应力之间的剪应力跌落值近似等于黏聚力c;(2)残余剪应力和法向应力关系可近似用内摩擦角来描述。将2种方法求得的抗剪强度参数进行对比,结果表明:在法向应力满足一定条件时,利用峰后曲线求得的抗剪强度参数可作为岩石的抗剪强度参数的近似值。基于对以上现象的理论分析,提出一种利用峰后曲线计算岩石的抗剪强度参数的近似方法,并给出该近似计算方法的具体计算过程。该方法较直观地解释了岩石直接剪切试验峰后曲线的物理意义。

基于起伏形态特征的节理岩石峰值剪切强度准则

运用RYL-600剪切流变仪对不同法向应力下的人工花岗岩试件进行多次剪切试验,得到不同法向应力下的剪切应力-剪切位移曲线,并运用TALYSURF CLI 2000对剪切前后节理面进行形貌扫描,得到节理面3维形貌图。通过试验方法得到节理剪切强度与形貌的关系。在试验结果的基础上,考虑起伏形态参数节理面整体轮廓角加权平均值[θ_p]_x对剪切强度的影响,并对Barton准则进行修正,将由修正的Barton准则计算的剪切强度与试验结果进行对比。研究结果表明:[θ_p]_x随着剪切次数增加而减小;修正的Barton准则计算结果与试验结果较吻合,能较好地预测节理剪切强度。

剪切速率对岩石节理强度特性的影响

不同剪切速率下岩体结构面的力学特性研究是进行岩质边坡动力反应分析的重要前提。基于Barton峰值抗剪强度理论和均方根一阶导数值法的节理粗糙度系数计算方法，对前人研究中关于定法向应力条件下不同剪切速率的岩石节理峰值抗剪强度的室内直剪试验结果进行整理与计算，探究剪切速率对岩石节理总摩擦角的影响规律，提出与速率相关的岩石节理峰值抗剪强度经验公式。结果表明：当剪切速率在0～0．8mm·s^-1范围内时，岩石节理试样的总摩擦角随剪切速率的变化呈现负对数变化规律；对于均质性和各向同性较强的岩石节理随剪切速率的增大，总摩擦角呈现减小趋势，对于非均质性和各向异性较强的岩石节理随剪切速率的增大，总摩擦角呈现增大趋势，且后者总摩擦角增大幅度小于前者的减小幅度；岩石节理的物性和微观几何形态对总摩擦角随剪切速率的增加而变化的影响较大，节理面的物性主要影响总摩擦角随剪切速率增加呈现增大或减小的变化趋势，节理面的微观几何形态主要影响总摩擦角随剪切速率的变化幅值。

直剪作用下不共面断续节理岩桥破断试验与数值研究

在伺服控制剪切加载系统下对不共面类岩石断续节理试件进行正向、反向直剪试验,研究直剪下不共面断续节理的岩桥破断机理和剪切规律,试验研究发现,直剪作用下不共面断续节理岩桥破坏过程具有明显的阶段性,经历线弹性阶段、裂纹起裂扩展阶段、岩桥断裂贯通阶段、剪切面爬坡咬合阶段和残余摩擦阶段5个阶段,正向剪切下岩桥呈齿形破断面,反向剪切作用下岩桥产生沿直剪方向贯通的带形破断面,与正向剪切相比,反向剪切下节理的初裂抗剪强度和峰值抗剪强度较大,裂纹倾角、法向应力和相邻节理搭接比例是影响试件初裂抗剪强度和峰值抗剪强度的主要因素。采用FLAC3D对正向、反向直剪作用下不共面断续节理的岩桥破断、剪切破断面的形成过程进行数值试验,数值试验结果和类岩石直剪试件的试验结果基本吻合,数值试验揭示了直剪作用下不共面断续节理岩桥的拉裂破坏和破断面的剪切屈服机理。

基于三维形貌参数的偶合节理峰值抗剪强度公式

节理表面形貌是影响节理峰值抗剪强度的重要因素,采用人工模拟材料节理分别在0.5,1.0,1.5,2.0,3.0MPa的法向应力下进行直剪试验,研究三维形貌参数与峰值抗剪强度之间的关系。选用节理面有效三维平均倾角3s、粗糙度系数RS、最大可能接触面积比A0作为表征节理面粗糙度的参数。直剪试验前、后采用TJXW–3D型便携式岩石表面形貌测量仪对节理表面进行形貌数据测试;根据直剪试验结果建立节理峰值剪胀角与三维形貌参数3s,RS,A0之间的关系;建议采用新的强度准则计算节理的峰值抗剪强度。新公式的计算结果与试验值具有较好的一致性,并将其与Barton公式的计算结果进行比较,可知Barton公式的计算结果低于试验实测值。

循环荷载作用下节理凸起体概化破坏模型及剪切强度计算分析

认知循环剪切荷载作用下节理剪切强度的劣化机制并提出相应的分析模型,是准确评价地震荷载作用下岩体工程安全的重要基础之一。基于不同起伏角度、强度等级的人工节理试样在多种法向应力下的循环剪切试验结果,分析循环剪切的试验曲线特点及表面凸起体的破坏过程和残余凸起体的形态特征,提出表征节理表面凸起体形态变化过程的概化破坏模型。利用提出的破坏模型,分别确定剪胀角与剪胀率、凸起体剪断率以及表面基本摩擦角之间的表达关系;并引入到Ladanyi-Archambault剪切强度公式中,建立以剪胀角经验公式和Ladanyi-Archambault剪切强度公式为基础的节理循环剪切强度公式。最后将部分试样的剪切强度计算值与试验值进行对比,结果表明计算值与试验值总体上吻合较好,高起伏角度节理试样存在一定偏差。

节理峰值后归一化位移软化模型

切向荷载作用下贯通节理岩体峰值强度后的剪切应力、位移变形规律一般呈双曲线形式发展,即峰值后强度衰减速率逐步变小而趋于0,到达残余强度。直剪试验表明,非贯通节理岩体峰值后剪切应力、位移呈"S"型趋势发展,即强度衰减速率先是逐步增大,到达一定程度后逐步减少,最后趋于稳定达到残余强度值。贯通节理岩体峰值强度后的本构关系并不适合于描述该特征。提出一个新的非线性归一化位移软化本构模型,通过归一化剪切应力R与归一化剪切位移D的指数函数关系体现峰值后剪切应力、位移的发展趋势,即模型采用无量纲表达式。归一化剪切应力R是峰值后强度降τp-τ与峰值强度、残余强度差值τp-τr的比值;归一化位移D是峰值后剪切位移、峰值位移差值δ-δp与残余位移、峰值位移差值δr-δp的比值。对含不同起伏角的非贯通节理岩体在常法向荷载条件下的直剪试验数据进行拟合分析,模型预测结果与实测值具有相当高的吻合度,验证了模型的正确性。

岩桥渐进弱化的Jennings抗剪强度准则

Jennings抗剪强度准则以节理和岩桥抗剪强度参数按连通率加权平均的方式求取非贯通节理岩体的峰值抗剪强度,未考虑直剪试验过程中岩桥力学参数逐步弱化的影响,计算所得的抗剪强度与直剪试验结果存在较大偏差。基于人工齿状共面非贯通节理岩体的直剪试验,采用以剪切位移为变量的岩桥弱化度模型考虑岩桥力学参数弱化对抗剪强度的影响,提出改进的Jennings抗剪强度准则。考虑岩桥力学参数弱化的Jennings抗剪强度准则的计算结果更为接近试验值,表明考虑岩桥力学性质弱化是合理的。

改进的Maksimovic峰值剪切强度准则的试验验证

Maksimovic峰值剪切强度准则形式简洁,参数的物理含义明确,但由于反映节理粗糙程度的特征量"粗糙度角??"须由试验值确定,因此不可用于估算岩石节理的峰值剪切强度。改进的Maksimovic峰值剪切强度准则在继承原准则优点的基础上,采用定量化的三维形貌参数表示节理的"粗糙度角??"。采用岩石节理的直剪切试验数据对改进的Maksimovic峰值剪切强度准则进行了试验验证,计算值与试验值具有很好的相关性,表明可以采用该准则估算岩石节理的峰值剪切强度。