Rock borehole shear tests in dam foundation of Xiangjiaba hydropower station

Xiangjiaba hydropowcr station is one of the complicated geological conditions of its dam foundation, parameters of rock masses are very important issues. To cascade power stations on the Jinsha River, China. Due to the evaluating the rock mass quality and determining the mechanical address these issues, several groups of rock borehole shear tests （RBSTs） were conducted on the black mudstone in the dam foundation of Xiangjiaba hydropower station in the second construction phase. Forty three groups of shear strengths of black mudstone samples were obtained from RBSTs, and the shear strength parameters （c and f） were calculated using the least squares method. In addition, the limitations and merits of RBST employed in the Xiangjiaba hydropower station were discussed. Test results indicate that the shear strength parameters obtained from RBST have a good correlation with the results from sotmd wave test in borehole. It is believed that RBST has a good adaptability and applicability in geotechnical engineering.

冻融作用下冰碛体剪切特性与围岩压力研究

冰碛体是由冰川作用搬运大量碎屑物质堆积形成的特殊岩土体。受赋存的地理及气候条件影响,冻融作用会对穿越该类围岩的隧道尤其是洞口段的工程建设带来挑战。笔者调研了中国西藏地区冰碛体围岩地质条件,设置冻融循环直剪试验研究了冻融循环次数与含水率对冻结冰碛体的力学特性和力学指标影响,引入冻融次数与含水率综合参数K,拟合得出黏聚力c公式。结果表明:冻融循环和含水率对冰碛体黏聚力c有较大影响。改进了太沙基理论,提出了适用于冰碛体围岩隧道洞口段的围岩压力计算公式。以昌林铁路某隧道为例,计算不同条件下的围岩压力,验证了公式的合理性。研究发现:冻融循环和含水率是影响冰碛体力学性能变化的重要因素,冻融作用对洞口段隧道围岩压力有不同程度的影响,在工程建设中应充分考虑。

黄土盾构隧道围岩强度指标结构性参数表征与荷载计算

为了考虑黄土地层特征,获取合理的围岩压力以指导黄土盾构隧道结构设计,通过对比盾构隧道与新奥法隧道围岩压力现场测试数据,结合黄土盾构施工实践,验证形变围岩压力计算黄土盾构隧道围岩荷载的合理性;考虑黄土地层的强度参数,通过芬纳公式构建黄土盾构隧道形变围岩压力的计算方法;采用三轴剪切实验,探究原状黄土的应力应变关系以及应力结构性参数的变化规律,构建应力结构性参数下黄土强度指标的计算方法;结合盾构隧道开挖支护下围岩的应力应变变化规律,建立深埋黄土盾构隧道围岩结构性参数场的计算框架,结合结构性参数修正的黄土强度准则,给出深埋黄土盾构隧道围岩压力的计算方法。研究发现,使用形变压力理论计算黄土盾构隧道围岩荷载具有合理性;原状黄土相比重塑黄土有明显的应力峰值及应变软化现象;黄土应力结构性参数与粘聚力存在较好的拟合关系,与内摩擦角相关性低;当仅考虑地层浸水造成黄土结构性演变引起的围岩压力变化时,当含水率由1%增加到25%,塑性圈半径由4.6 m增加为5 m,围岩压力由587 kPa增加到622 kPa。

贯通型标准JRC双节理剪切力学及声发射特性研究

节理岩体的抗剪性能是影响工程岩体强度及稳定性的关键因素。基于3D打印技术制作标准JRC节理面模具和固定夹板,采取一体化浇筑方式制备不同节理面间距和不同粗糙度的双节理试样,结合声发射(acousticemission,AE)技术探究不同法向应力条件下粗糙双节理岩体剪切力学特性和破坏演化特征。结果表明:剪切应力-剪切位移曲线形态受节理粗糙度和法向应力共同影响。随JRC和法向应力的增加,剪切应力软化程度加重;法向应力较大时,峰后阶段剪切应力存在多次突降现象,突降值随法向应力的增加而增大。峰值剪切强度出现在双节理间岩石夹层断裂时刻,随JRC和法向应力的增加呈增大趋势,随节理面间距增加呈减小趋势。AE结果表明:岩石夹层断裂时刻AE能量大幅突增,AE能量峰值稍滞后于剪切应力峰值,随法向应力的增加,AE能量峰值和累积AE能量值增大;AE定位点空间上集中于岩石夹层部分,时间上频发于200~600 s内,随节理面间距的增加,AE定位点的集中范围扩大。

隧道穿越岩堆体围岩剪切特性及分级

为解决隧道穿越岩堆体围岩分级不准确的问题,通过相似材料直剪试验分析岩堆体的直剪特性,将含水率和填充土含量两个因素带入熵权可拓物元法,并结合地质指标进行分级研究。结果表明岩堆体的抗剪强度随着含水率、填充土含量的增大,先增大后减小,最终趋于平稳,过高或过低的含水率和填充土都会“弱化”岩堆体的抗剪强度。根据岩堆体的特点,选取岩石单轴饱和抗压强度、节理裂隙密度、岩体完整性系数、含水率和填充土含量作为分级指标,结合熵权可拓物元法,将所选指标和熵权可拓物元法结合并在工程实例进行验证,分级结果比原方法准确性更好,证明研究提出的围岩分级方法是合理可行的。研究结果能够为岩堆体隧道的围岩分级提供指导,为施工设计和支护方式提供依据。

埋深和水土含量对松散岩堆抗剪强度的影响

针对松散岩堆剪切力弱会引起滑坡、崩塌等严重自然灾害的问题,运用相似理论,以石英砂为基本岩块、黏性土为填充土,配置相似材料,分别控制不同填充土含量和含水率并进行三轴试验,研究不同埋深下填充土的含量和含水率对松散岩堆抗剪强度的影响。结果表明:填充土的含量和含水率是松散岩堆咬合力和内摩擦角的关键影响因素,咬合力受影响程度更大;填土中的水对于松散岩堆的剪切力起着削弱作用;岩堆剪切力随着埋深的增加而增加,不同埋深处岩堆有相同的最佳填充土含量和含水率;在恒定岩堆土重度情况下,抗剪强度和埋深呈线性关系。

粒度分布对红层土石混合体强度及颗粒破碎的影响

红层土石混合体已广泛应用于川渝地区公路、铁路的路基填筑,研究其强度及颗粒破碎特征可为该地区路基快速安全施工提供理论支撑。针对现有粒度分布评价方法对土石混合体适用性的不足,提出中间粒径块石相对含量C_(m)指标并拟定4个水平,选择四川盆地红层土石混合体为材料,比选叠环剪和大型直剪试验后,结合筛分试验探讨粒度分布对红层土石混合体强度及颗粒破碎的影响规律。试验结果表明:叠环剪试验中剪切面非人为固定,剪切带影响域明显大于大型直剪试验,相同试验条件下土石混合体强度低于大型直剪试验,且法向应力越大,强度差值越大。C_(m)对红层土石混合体的强度及颗粒破碎特征影响显著。随C_(m)的增大,黏聚力先减小后增大,内摩擦角先增大后减小,抗剪强度先增大后减小,均在C_(m)=0.543时有最值,此时,颗粒间的摩擦和重定向排列对强度的增强效应明显大于咬合减弱的负面效应,剪应力有二次攀升。叠环剪试验后,大粒径、中间粒径块石含量降低,土体含量增高,小粒径块石含量在C_(m)≤0.343时降低,C_(m)≥0.343时增高;颗粒相对破碎率随法向应力和C_(m)的增大,均呈先降低后升高的规律,C_(m)=0.343时颗粒相对破碎率最低。

块石破碎性质对土石混合体剪切带厚度的影响研究

土石混合体作为一种典型的浅表层堆积体,常引发不同规模的滑坡灾害。本文通过对比土石混合体在室内大型直剪和离散元(PFC2D)数值模拟直剪条件下剪切带厚度随含石量和上覆压力的变化特征,以期进一步揭示影响土石混合体剪切带厚度的主要控制因素。试验结果显示,室内试验中土石混合体的剪切带厚度主要受含石量的影响,其次为上覆压力,受块石尺寸的影响不明显。剪切带厚度随含石量从0增加到50%时表现为增大的趋势,随含石量的继续增大而表现为减小的趋势。但上覆应力小于200 kPa时,剪切带厚度随上覆应力的增大表现为增大的趋势,但上覆应力超过200 kPa时,其值表现为减小的趋势。然而,在数值模拟计算中,考虑块石不可破碎的情况下剪切带裂纹区域的宽度随含石量和上覆压力的增大表现为持续增大的趋势特征。分析认为,土石混合体剪切中大块石之间咬合后的齿轮带动效应是促使剪切带厚度增大的重要原因,而骨架结构含石量以及高垂直应力下块石咬合部位因高度的应力集中,随后导致的咬合棱角破碎,块石变形被限制在一定的区域内,却抑制了剪切带厚度的进一步增大。相反,在块石不可破碎的数值模拟计算中,高含石量试样内块石可持续的咬合滚动,促使周围的块石也发生变形,进而增大了剪切带的厚度。研究结果有利于揭示土石混合体的剪切变形破坏机制。

基于PFC^(3D)的花岗岩剪切破裂细观裂隙与能量演化规律探究

为了探究法向应力对岩石剪切过程中细观损伤演化的影响,开展了不同法向应力作用下的花岗岩直剪试验与PFC^(3D)数值模拟试验,结合声发射信号监测及声发射信息特征值RA(上升时间与振幅的比值)与AF(声发射振铃计数与持续时间的比值)的分析,对花岗岩在不同法向应力作用下剪切变形过程中细观微裂纹及能量演化特征进行了研究,研究结果表明:基于平行黏结接触模型建立的PFC^(3D)模型,不仅在宏观力学参数与破坏模式上与岩石物理试验相近,而且在岩石细观裂纹与能量演化规律上也与岩石物理试验基本一致;花岗岩剪切破坏过程中主要产生张拉裂纹,峰值应力点前产生的微裂纹只占裂纹总数的10%~30%,且法向应力越大,峰值应力点前岩石内部产生的微裂纹数量越少;花岗岩剪切变形过程中,声发射信号可以分为平静期、稳定期和加速期,法向应力越大,平静期越明显,即法向应力对岩石内部微裂纹的生成起抑制作用;随着法向应力的增大,花岗岩剪切破坏过程中,声发射累计振铃计数与岩石内部微裂纹总数均逐渐增大;随着法向应力的增大,花岗岩剪切破坏过程中产生的剪切裂纹数量及其占微裂纹总数的比例均逐渐增加;花岗岩剪切变形过程中外力做功转化为弹性能与耗散能,随着法向应力增大,岩石剪切破坏所需总能量逐渐增大,弹性能与耗散能近似线性增大,且其中耗散能所占的比例逐渐增大。

石英砂岩三轴剪切力学特性及裂隙面形态特征

为研究3维压剪应力状态下岩质边坡中完整岩石的剪切损伤破坏特征,采用RockTop-50HT全应力多场耦合三轴试验系统,对成分简单、结构均质及饱和完整的细粒石英砂岩进行16组不同围压的三轴剪切试验,获得相应的三轴剪切应力-应变曲线和含有原岩屑碎片的剪切破坏裂隙面,分析三轴剪切应力作用下石英砂岩的非线性强度变化特征,探究石英砂岩的三轴剪切破坏模式和裂隙结构面形态粗糙特征。基于德洛内(delaunay)点云离散算法重构石英砂岩破坏裂隙结构面,分析剪切破坏结构面的潜在接触部分随着表面有效倾角门槛值的变化特征。结果表明:1)随着围压逐渐增大,石英砂岩的三轴剪切破坏模式先由脆性破坏转变为塑性破坏,再逐渐转变为塑形流动破坏;2)石英砂岩的三轴剪切强度随着围压的递增呈现出明显的非线性变化特征,可用幂函数描述,并采用摩尔-库仑准则(Mohr-Coulomb)对石英砂岩的三轴剪切强度进行分段线性拟合,可知随着围压的增大,黏聚力逐渐增大,内摩擦角逐渐减小;3)剪切破坏裂隙面3维粗糙特征可用传统的Grasselli模型评估,其非线θ_(max)^(*)性拟合参数和粗糙度参数c能充分描述三轴剪切破坏裂隙的粗糙度特征。研究成果对岩石在复杂应力状态下的三轴剪切强度评价、岩石工程中边坡的稳定性分析和支护设计方案优化具有重要意义。

土石混合料剪切力学特性的精细化离散元分析

研究目的:土石混合料具有非均质、非均匀、非连续、显著的结构效应等特点,其物理力学性质十分复杂。为探究含石量对土石混合料剪切力学特性的影响,本文基于真实块石形状,提出了块石逆向重构的数字图像法,建立了土石混合料离散元数值模型,并在此基础上开展了6种含石量试样在4种不同法向应力下的三维离散元直剪试验。研究结论:(1)剪应力-剪切位移曲线主要经历弹性阶段、初始屈服阶段、峰值强度阶段、残余强度阶段四个阶段;(2)在剪切过程中,块石转动存在明显的“齿轮带动效应”,土颗粒运动具有明显的“绕石”现象,颗粒的运动呈明显的漩涡状;(3)力链主要沿着剪切力和法向力的夹角方向分布,随着含石量的增大,力链偏向水平剪切方向的角度越大;(4)剪切面演化主要经历微裂隙阶段、剪切面贯通阶段、剪切带扩宽阶段,剪切带宽度随含石量增加而增加,且逐渐向逆时针方向偏转;(5)土石混合料抗剪强度随含石量的增大而增大,通过拟合发现,黏聚力和内摩擦角均与含石量呈指数函数关系;(6)本研究成果可为土石混合料相关工程设计和施工中的力学参数取值提供参考。

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。

锚固充填节理剪切试验与数值模拟研究

为探究充填物厚度和锚固结构联合作用对节理岩体剪切特性的影响,开展室内剪切试验和离散元数值模拟研究。首先制备类岩石材料节理试件进行室内剪切试验,结果表明,锚固结构在破坏前可显著提高节理岩体试件的峰值剪应力;随着充填物厚度增大,节理岩体试件的峰值剪应力减小,而锚杆的极限剪切位移会增大。建立不同充填物厚度的锚固充填节理数值模型,通过数值模拟进一步分析法向应力与锚固结构对剪切位移、峰值剪应力、法向位移、细观裂纹的影响。宏观结果表明法向应力越小,法向位移越大即剪胀越明显,且加锚试件的法向位移会高于无锚试样。细观结果则显示出试样的总裂纹数量随法向应力的增大而增大,且加锚试样的总裂纹数量明显高于无锚杆试样。

基于声发射特征参数的砂岩节理直剪破坏特征试验研究

为研究岩石节理直剪破坏特征,借助RDS-200型岩石节理剪切试验系统开展了不同法向应力下砂岩节理剪切试验,并采用Micro-ⅡExpress数字声发射系统进行了声发射信号监测,基于声发射上升时间与幅值之比RA、振铃计数与持续时间之比AF的演化特征对岩石节理剪切破坏过程进行了分析,并探讨了砂岩节理剪切失稳的预警方法。结果表明:(1)根据岩石节理剪切过程的累计振铃计数演化特征,可将岩石节理剪切过程划分为低速增长、加速增长、极速增长和减速增长4个阶段;各法向应力下,AF和RA最大值整体上随阶段序号增加而增大,且RA值较大的信号随阶段序号增加而增多。(2)根据日本混凝土声发射监测规范,提出用于判断拉剪破裂类型阈值k的具体取值方法。发现在各法向应力下阈值k、张拉破裂占比α随剪切阶段序号增加整体上呈降低趋势。(3)岩石节理剪切试验中,声发射参数r值的变异系数CV(r)在剪切应力峰值前整体呈降低趋势,且在剪切应力峰值前均存在低于剪切应力峰值最近的CV(r)值(即预警值CV(r)_(cr))的阶段;预警值CV(r)_(cr)随法向应力增大而先减小后增大,与法向应力具有较好的二次抛物线函数关系;预警提前时间t_(d)与失稳时刻t_(p)之比在5.1%~24.5%之间,可起到提前预警作用。研究结果可为节理岩体的失稳预警及灾害防治提供一定参考。

不同控制方式和卸荷应力路径下类岩石节理剪切强度特征研究

为研究不同控制方式和卸荷应力路径下岩石节理失稳剪切强度特征,借助RDS-200型岩石节理剪切试验系统开展了2种控制方式和3种卸荷应力路径下的类岩石节理直剪试验。结果表明:(1)采用应力控制方式进行切向加卸载时,各剪切加卸载路径下,节理剪切应力-时间曲线多存在失稳跌落现象,剪切应力-位移曲线失稳后多表现为折线形式。(2)与采用应力控制方式进行切向加载的试样结果相比,采用位移控制方式进行切向加载、采用应力控制方式进行法向卸载并保持剪切应力恒定、采用应力控制方式进行法向卸载和切向加载、采用应力控制方式同时进行法向和切向卸载的试样失稳剪切强度均有所降低;节理黏聚力减小百分比平均值为36.07%,而内摩擦角变化范围仅在4.12%以内,所以黏聚力降低是节理失稳剪切强度降低的主要原因。(3)以采用应力控制方式进行切向加载试样的拟合摩尔-库仑公式为基准,位移控制方式或其他采用应力控制方式的加卸载应力路径下试样失稳剪切强度的相对误差平均值最大可达55.78%。经引入黏聚力修正系数k对摩尔-库仑准则进行修正后,相对误差平均值的最大值减小到5.23%,说明对经受位移控制方式或采用应力控制方式的其他加卸载应力路径的工程节理来说,进行黏聚力的折减修正是必要和可行的。研究结果对不同控制方式及卸荷应力路径下岩体节理剪切承载能力的准确估计具有一定参考价值。

软弱夹层结构面剪切特性各向异性试验研究

【目的】研究不同剪切方向下软弱夹层结构面剪切特性的差异。【方法】选取各向异性特征明显的天然三维结构面形貌,制作了具有不同充填度的含淤泥质黏土结构面试样;基于自主研发的软弱夹层岩石结构面各向异性直剪仪,开展了不同充填度下含有软弱夹层岩石结构面各向异性直剪试验,分析了软弱夹层结构面剪切特性的各向异性规律。【结果】1)不同剪切方向下无充填结构面剪应力剪切位移曲线具有峰前硬化和峰后软化特征,其法向与剪切位移曲线表现出先剪缩后剪胀的变化趋势;2)相同充填度不同剪切方向下软弱夹层结构面剪应力剪切位移变化规律存在差异,且剪应力与剪切位移的峰后软化特征随着充填度的增大逐渐消失;3)同一充填度下结构面峰值抗剪强度随着剪切方向的变化呈现差异;各向异性程度随着充填度增大呈现出先增大后减小的规律;4)同一充填度下软弱夹层结构面法向与剪切位移曲线随剪切方向差异呈现不同的变化规律,剪切特性随充填度增大由剪胀转变为剪缩,各向异性程度降低。【结论】本试验结果对研究岩体滑坡的破坏机理具有一定的参考价值。

半成岩结构面原位直剪试验及抗剪参数的研究

半成岩作为一种特殊性岩土,工程性质受岩体结构面的影响较大,因此,确定结构面的剪切强度参数十分重要。文中根据半成岩原位剪切试验结果,采用概率统计分析方法,对抗剪强度参数进行估算,同时对M-C准则模型、B-B准则模型的95%预测区间和95%置信区间进行拟合及评价。结果表明,B-B准则模型的95%置信区间较M-C准则的范围更窄,参数估计的可靠性更高,尤其低法向应力水平下,B-B准则模型明显优于M-C准则模型,其抗剪强度参数更准确。

硐室岩壁过渡型破坏模式及最大线应变理论分析研究

地下硐室所在的岩体应力条件复杂,破坏模式随着与开挖面距离的不同发生转变,开挖所引起的原位脆性岩体应力集中会导致平行于自由面的局部损伤演化,称为表面不稳定性。而在深层条件下,低强度硐室岩壁的表面不稳定性及过渡型破坏模式很常见。针对目前实验室中圆柱形试样在单轴压缩试验中试样受力不符合岩壁单元实际应力状态的局限性,研发一款可模拟硐室岩壁过渡式破坏的试验测试仪。对长方体砂岩、花岗岩试样进行单临空面双向应力加载试验,分析岩石试样的裂纹发展、应力应变规律和破坏模式过渡转化。基于最大线应变理论及胡克定律提出最大线应变强度分析公式,建立基于最大线应变理论的岩壁表面不稳定性破坏的试验测试和分析方法,并且同Mohr-Coulomb准则及Hoek-Brown强度理论进行比较,通过试验数据验证最大线应变理论解释硐室岩壁过渡型破坏模式的适用性。

十字剪切板试验在岩土勘察工程中的应用

十字剪切板试验可以对岩土层剪切性能进行测定,该试验提供了可靠的地质基础数据,为工程设计、施工和运营提供了科学依据。其独特之处在于能够全面、直观地揭示岩土层的物理力学性质,为工程的稳定性和安全性评估提供关键信息。十字剪切板试验的高度精准性使其成为岩土工程勘察中的重要工具,为工程在各个阶段的可靠性提供重要保障。在岩土勘察实践中,该试验的广泛应用为工程领域的科学发展和进步提供了有力支持。

强风化云母石英片岩原位直剪试验研究

强风化片岩难以采取原状试样开展室内试验获取岩体力学强度参数,原位直剪试验是获取强风化片岩抗剪强度参数的可靠途径。原位直剪试验研究表明,强风化片岩整体呈弹塑性破坏特征,在抗剪断强度达到峰值后,剪切位移急剧增大,剪应力未出现陡降,即残余强度效应不明显。同时,强风化片岩抗剪断内摩擦角呈显著的各向异性,随预设剪切面与层理面夹角的增大而增大,当夹角为零即沿层理面剪切时内摩擦角值最小;强风化片岩的黏聚力与剪切方向相关性不明显,主要受岩体内石英、云母等矿物成分含量的高低影响。基于原位直剪试验成果,开展强风化片岩高边坡防护工程优化设计的成功实践表明,加大勘察成本投入,通过原位试验获取可靠的抗剪强度参数,可保证高边坡支护设计方案的安全性和经济性。