超高沥青混凝土心墙坝砂板岩堆石料试验研究

开展了超高沥青混凝土心墙坝砂板岩堆石混合料的试验研究。研究结果表明:随板岩含量的提升和孔隙率的增大,应力应变曲线软化特性趋弱硬化特性增强、剪切峰值降低,剪切过程中的体变增大且剪胀现象减弱,相应的线性强度c,φ和非线性强度指标φ_(0),Δφ均降低,邓肯模型参数K与Kb减小;建立了同时可反映孔隙率、板岩含量的强度指标及邓肯模型参数经验公式,能较高精度地预测不同板岩含量、不同孔隙率砂板岩堆石混合料的工程力学特性;板岩含量是影响渗透性能的重要因素,随板岩含量的提升渗透系数降低,工程建设中对于含板岩的堆石料应关注排水设计。

炭质板岩横观各向同性强度准则及参数辨识方法

为探究层理状岩石的横观各向同性力学特性,以炭质板岩为研究对象,通过室内试验和理论分析对其强度准则和参数辨识方法进行研究。首先,对水平与垂直层理岩样开展不同围压的常规单、三轴压缩试验,探讨不同应力状态炭质板岩的强度特性与破坏模式。其次,对比分析试验结果,建立适用于炭质板岩的横观各向同性弹塑性本构模型;基于Pariseau强度准则确定模型的屈服函数,用以描述炭质板岩不同方向的强度特性;基于相关联流动法则确定模型的塑性势函数,用以描述炭质板岩塑性变形阶段的流动方向。在各向同性假定下,该模型可退化为描述各向同性岩土材料的Drucker-Prager模型。最后,提出模型参数辨识方法,即通过常规三轴压缩试验和经验公式求解弹性参数;通过基于Duveau数值计算程序的最小二乘法常规三轴试验和直线型Mohr-Coulomb准则确定岩样的抗压、抗拉和剪切强度,再代入所推导公式求解塑性参数;结合试验结果验证了所提横观各向同性强度准则的合理性。结果表明:不同围压的水平岩样的抗压强度均高于垂直岩样,且抗压强度随着围压的增大基本呈线性增大;炭质板岩在压缩过程中多呈脆性破坏,水平层理岩样呈滑移-剪切破坏,垂直层理岩样呈张拉-剪切破坏。

寒区露天矿板岩冻融力学特性及边坡稳定性研究

为了探究寒区板岩边坡在冻融条件下的力学参数劣化规律及其失稳机理,通过室内冻融循环力学试验,并基于广义Hoek-Brown强度准则计算岩体内聚力和内摩擦角随冻融循环次数的衰减规律,以此修正未考虑冻融损伤的白云鄂博南帮内聚力和内摩擦角块体模型,实现南帮岩体力学参数的时空演化表征,最后通过数值模拟分析白云鄂博铁矿主矿区南帮边坡在冻融效应下的循序破坏机理。结果表明:经20次冻融循环后,矽质板岩、云母化板岩、碳化板岩、断层岩内聚力降低率分别为21.64%、22.66%、28.09%、28.53%,内摩擦角降低率分别为12.76%、14.72%、19.37%、21.35%;在冻融效应下,南帮边坡稳定系数由1.19逐渐降至0.92,1650~1570 m区域剪应变逐渐增大,最终滑体于1570 m平台滑移剪出。

川西康定—新都桥段菠茨沟组板岩蠕变特性及损伤模型

岩石的蠕变特性与岩体的长期稳定性有着密切联系。随着我国西部地区各深埋隧道的开挖,为保证工程安全性及地下建筑的长期稳定,迫切需要开展复杂应力状态下岩石蠕变特性的研究。传统的蠕变本构模型难以对岩石加速蠕变阶段进行准确的描述,且现有蠕变模型难以对菠茨沟组板岩的蠕变特性进行有针对性的拟合。因此,选取川西康定—新都桥段菠茨沟组板岩为研究对象,在查明地质环境背景和岩石矿物成分基础上开展了卸荷蠕变试验,分析了菠茨沟组板岩在卸荷条件下的变形特征,揭示了板岩蠕变特性及卸荷过程中的损伤演化规律;考虑卸荷蠕变过程中的损伤累积效应,引入损伤变量,对传统西原模型中牛顿体元件进行改进,建立能描述加速蠕变阶段的蠕变损伤模型。研究表明:卸荷条件下,板岩变形以瞬时弹性应变为主,随偏应力水平增加蠕变现象显著增强;板岩的长期强度有20.2%~27.1%折减;采用1-stOpt对非线性蠕变损伤模型进行参数辨识,拟合理论曲线与试验值吻合度较高,相关系数达到0.945;损伤变量引入后,改进的非线性蠕变损伤模型可以较合理地描述研究区板岩卸荷蠕变特性。该研究可为相关工况下围岩稳定性分析提供理论依据。

基于Hoek-Brown准则的板岩强度特征研究

建立在岩体各向同性基础上的Hoek-Brown经验强度准则被广泛地应用于地下和边坡工程的设计与安全评估。但Hoek-Brown准则不能直接用来处理层(片)状岩体如板岩或页岩以及含有1或2组优势结构面岩体的强度问题,因为这类岩体往往沿层(片)理或优势结构面破坏,必须对准则加以改进。基于对Hoek-Brown经验破坏准则的深入研究,通过对层状岩体完整岩石试件定义的改进,提出用Hoek-Brown准则的一个很重要的参数,即完整岩石试件的单轴抗压强度σci来表征层状岩体强度随层面倾角的变化规律以及应用Hoek-Brown准则来分析层状岩体强度的方法。按照该方法对南水北调西线工程场区不同层面倾角板岩岩石试件进行单轴、三轴压缩试验。根据对试验结果的统计分析,确定不同层面倾角板岩岩体的Hoek-Brown经验破坏准则的相关参数,建立不同层面倾角板岩岩体的Hoek-Brown强度准则。此外,还获得完整岩石试件的单轴抗压强度σci随层面倾角的变化规律,建立南水北调西线工程场区板岩岩体的Hoek-Brown经验破坏准则的统一表达式,并预测围压为10,15,20和25MPa下南水北调西线工程场区板岩岩体的三轴强度随层面倾角的变化规律。本文的工作可以为类似工程提供借鉴。

基于Hoek-Brown准则对板岩抗拉强度研究

板岩等层状岩体中常存在多种结构面,岩体的抗拉强度在不同的层面倾角下会有较大的差异。为了揭示板岩这种层状岩体抗拉强度的各向异性,基于Hoek-Brown强度准则,结合巴西圆盘平面应力的弹性力学解析解,推导了圆盘随层理角度β变化的抗拉强度公式。通过对不同层理角度β下的试件进行单轴和巴西劈裂试验,获得了抗拉强度公式中的参数,得到了板岩抗压强度各向异性度cR为3.94～4.87,抗拉强度各向异性度tR为2.86～3.15,且抗压(抗拉)强度呈现两端大中间小的趋势。此外,该抗拉强度公式能较好地反映板岩在含有层理面时强度随β变化的规律。

南水北调西线工程板岩强度的各向异性特征

南水北调西线工程区域内岩体类型主要为砂岩、板岩,其中板岩强度特性具有明显的各向异性特征。研究复杂地质条件下板岩的强度特征及变形规律,确定合理的板岩强度参数,对于引水坝址的选取和深埋长隧洞的设计与施工都具有十分重要的意义。在南水北调西线工程选取钻孔采取的板岩岩样,通过单轴压缩变形试验和三轴压缩试验等室内试验方法,借助Hoek-Brown经验破坏准则,对板岩强度随板理面倾角的变化规律、板岩强度的各向异性特征进行了分析,并确定了合理的板岩抗剪强度参数。研究成果可为工程设计提供必要的基础资料。

高径比对板岩单轴抗压强度尺寸效应的试验研究

对不同高径比的板岩试件进行了大量单轴抗压强度试验,获得了3种风化程度的板岩强度随试件高径比增大而非线性减小的关系曲线及二者间的经验关系式。依据板岩标准试件与非标准试件的强度比值,提出了岩石强度尺寸效应系数的概念,绘制了不同风化程度的板岩强度尺寸效应系数随高径比增大而非线性增大的关系曲线,给出了3种不同风化程度板岩强度尺寸效应系数的经验计算式。试验结果分析表明,岩石风化程度不同(强度不同),其强度尺寸效应不同,即岩石强度越大,其尺寸效应越显著。本文经验公式的提出为非标准试件板岩单轴抗压强度的修正提供了新的便利途径,也可为其它各类岩石强度尺寸效应的修正提供参考。

板岩渐进剪切破坏各向异性及其数值模型研究

层理面是导致岩石试样在变形和力学特性上表现出各向异性的根本原因。为研究层理弱面影响下板岩的渐进破坏模式,揭示其各向异性的力学机制,选取贵州东部的层状板岩开展不同加载空间位置关系下的直剪试验。结果显示:剪切强度各向异性是由其破坏机制控制的,层理面与剪切面平行时,属于沿层理面的剪切滑移破坏;层理面与剪切面垂直且其交线与剪应力方向也垂直时,属于剪切作用下层理面的张拉和基质体的剪切破坏;层理面与剪切面垂直而其交线与剪应力方向平行时,垂直于层理面方向试样在泊松效应作用下产生拉伸破坏,剪应力方向试样发生基质体的剪切破坏,此时强度最大。基于层理结构的本构关系,构建层理体系的材料模型,并采用数值模拟研究层理结构对板岩破坏模式的影响,模拟结果与试验结果吻合较好,进一步解释了层状板岩破坏模式各向异性的产生机制。

含结构面板岩变形特征分析

在三轴压缩实验基础上,研究含一组结构面的板岩在不同湿度与压力下的力学特性及变形规律,利用Hoek-Brown强度准则分析了板岩的破坏特征,建立了相应的岩体强度准则与力学参数求取方法;利用FLAC程序模拟计算了不同埋深条件下板岩岩体中开挖隧洞后洞周变形规律,分析了岩体变形特征。研究结果表明:1)基于Hoek-Brown准则建立了含结构面的板岩岩体强度破坏准则,确定出的不同地质条件下板岩岩体力学强度参数;2)扰动程度对岩体强度参数有较大的影响,且影响程度随着隧洞埋深的增加而增大;3)数值模拟结果显示,西线工程软岩隧洞的围岩变形主要受开挖断面、埋深及物理力学参数等多因素的影响。

横观各向同性板岩层理角度与抗压强度及断裂韧度的相关规律

利用微机控制电液伺服试验机和高频疲劳强度试验机对不同层理角度的板岩进行了单轴压缩试验和双扭常位移松弛试验,获得了其弹性模量E,泊松比μ,剪切模量G和断裂韧度KIC的值.分析了不同组板岩试件的层理角度与其抗压强度及断裂韧度的相关规律.研究结果表明:板岩的抗压强度和断裂韧度都随着β角的增大呈现先减小后增大的趋势,关系曲线呈'U'形,并且当β为45°时其断裂韧度最小;在不考虑c和φ值的影响下,当层理角度为45°的板岩受载时最容易发生裂纹的起裂和扩展,从而导致板岩发生破坏;在已知β角的情况下,可以利用本试验得到的关系式求出所对应的断裂韧度的值.

干燥及饱水状态下基于巴西劈裂法的板岩抗拉强度

为研究干燥及饱水状态下不同层理角度板岩的抗拉强度的相关规律,采用微机控制电液伺服万能试验机对不同层理角度的板岩试件进行巴西劈裂试验,获得其破坏荷载、饱和含水率、抗拉强度等力学参数;基于获得的力学参数分析不同状态下板岩试件抗拉强度的变化规律以及其相对应的破坏模式。研究结果表明:随着板岩试件层理角度的增加,其抗拉强度逐渐降低,饱水状态下板岩试件的抗拉强度明显低于干燥状态下板岩试件的抗拉强度,并且层理角度为0°和90°板岩试件的破坏模式为纯拉伸破坏,层理角度为30°和60°板岩试件的破坏模式为沿层面剪切破坏。

层状板岩动静拉伸力学特性及破坏模式研究

为探究层状板岩动静拉伸力学特性和破坏模式,以SHPB系统和RMT-150C岩石压力机为研究手段,进行层状板岩拉伸强度和破坏模式随加载率和层理面与加载方向不同夹角变化的规律研究。研究结果表明:随着加载率的增加,不同层理角度下板岩动态拉伸强度均呈现非线性指数增长的趋势;当层理角度θ为0°时,动态拉伸强度处于低强度区间,破坏形式为沿层理面拉伸破坏;当层理角度θ为15°,30°和45°时,动态拉伸强度处于中等强度区间,破坏形式为沿层理面剪切破坏和沿非层理面拉伸破坏;当层理角度θ为60°,75°和90°时,动态拉伸强度处于高强度区间,破坏形式为沿非层理面拉伸破坏。随着加载率的提高,板岩强度各向异性系数N逐渐降低,并趋近于1;当加载率超过600 GPa/s时,拉伸强度主要受加载率的影响;加载率低于600 GPa/s时,层状板岩的拉伸强度受角度和加载率共同影响。

岳阳地区板岩地基承载力折减系数研究

通过收集岳阳地区24个住宅小区不同风化程度板岩地基现场及室内试验成果,得到了72个测点承载力特征值af及相应岩体室内饱和单轴抗压强度标准值frk,经计算获得了各测点地基承载力折减系数ψr.探讨了3种风化程度板岩地基折减系数ψr随抗压强度标准值rkf的变化规律,并给出了相应的ψr-frk关系曲线及经验公式.同时,将不同风化程度板岩试验数据统一分析表明,板岩地基（不区分风化程度）折减系数r？随其抗压强度标准值rkf的增大而呈指数函数增大,并给出了岳阳地区板岩地基统一的ψr-frk关系曲线及其经验公式.

低温冻结条件下板岩破坏类型及单轴抗压强度试验研究

为揭示低温冻结作用对板岩破坏类型及抗压强度的影响,采用DX-40型低温数控试验箱、DNS100微型控制电子万能试验机进行7种不同层理倾角β和6种不同试验温度t的单轴压缩试验,对其应力-应变曲线以及单轴抗压强度、峰值应变、破坏类型的变化规律进行分析。在JAEGER层理面理论的基础上,建立以冻结温度和层理倾角为控制变量的单轴抗压强度公式,给出影响板岩破坏类型的2个极限角度β1和β2的表达式,并通过试验结果验证强度公式的正确性。研究结果表明:受低温冻结作用的影响,板岩的单轴抗压强度随温度降低呈指数增加;板岩的单轴抗压强度随倾角增加先减小后增大;在低温冻结条件下,板岩的破坏类型有3种,即当0°≤β<27.0°时,板岩沿与竖直轴线呈一定角度的方向发生剪切破坏;当27.0°≤β≤82.7°时,板岩沿层理面发生剪切破坏;当82.7°<β≤90.0°时,板岩沿垂直方向发生劈裂破坏。

含软弱夹层板岩抗剪强度试验及表征方法

在微机控制岩石剪切试验机上,针对预裂的含薄层黏土充填结构面板岩试件,进行不同法向应力下的结构面直剪试验,发现:结构面直剪试验中,并不是整个结构面都参与抗剪工作,只有部分结构面发挥抗剪作用,而且发挥抗剪作用的有效摩擦面积随法向应力的增大而增大,但是增大速率逐渐减小。基于整个结构面发挥抗剪作用的假设,获得了结构面表观剪应力-剪位移关系曲线,拟合计算了结构面表观抗剪强度指标;同时基于每次直剪试验中结构面部分区域发挥抗剪作用的假设,获得了结构面有效剪应力-剪位移关系曲线,拟合计算了结构面有效抗剪强度指标。对比两者发现:结构面抗剪强度指标中,内摩擦角与发挥抗剪作用面积的选取无关,黏聚力则受发挥抗剪作用面积选取的影响;基于结构面有效摩擦面积计算得到的有效黏聚力,相比表观黏聚力,提高了95%。本文研究成果对于滑坡工程治理方案的评估与选择具有重要的意义和价值。

破裂面水压对砂板岩峰后强度影响的试验研究

在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上进行不同围压下砂板岩三轴压缩全过程试验,并测试破裂岩体试样峰后的天然含水状态强度。对试样破裂面施加4级动水压力和静水压力,分别获得天然含水状态和每级水压下破裂岩体试样的强度。试验结果及分析表明,水对破裂岩体强度影响的作用机制主要表现在饱和软化与水压弱化两方面,即饱和软化作用不随水压的增减而变化和水压力对强度的弱化作用随水压升高而线性增大;主要影响强度参数中的黏聚力,对内摩擦系数的影响较小;裂隙岩体中静水压力的弱化作用强于动水压力。试验与分析还获得水对裂隙岩体的饱和软化以及静水压力综合作用的定量表达,并对这些成果的工程应用进行讨论。

乌东德水电站库区板岩遇水软化微观机理及强度模型研究

针对乌东德水电站库区板岩遇水软化造成的边坡失稳问题,进行了板岩饱水软化的微观机理与宏观力学性质研究.通过开展X射线衍射和SEM电镜扫描,探索了不同饱水条件下板岩微观结构的变化;进一步通过开展单轴压缩试验,分析板岩强度软化规律.试验结果表明,板岩浸水后,内部胶结物质发生溶解,矿物颗粒破碎或者解体,孔隙率增加,使得宏观抗压强度降低.随着饱和水压力的增加,抗压强度降低,幅度约为10%,弹性模量降低,幅度约为30%,而泊松比无明显变化.板岩破坏呈现轴向多劈裂面破坏和剪切破坏特征.最后,运用多孔介质力学理论建立板岩遇水强度软化模型,其预测强度与试验结果一致.

水泥改良泥质板岩粗粒土力学性质的应变率效应研究

利用大型静动三轴仪开展不同应变率下的水泥改良泥质板岩粗粒土三轴抗压试验,研究水泥改良土应力—应变特征关系以及应变率对土的抗压强度、弹性模量等力学参数的影响。在此基础上,分别提出这些参数与应变率之间的拟合关系式,分析水泥含量对应变率效应的影响。研究结果表明:随着应变率增加,抗压强度、峰值应力对应的应变和弹性模量均增加。拟合结果良好,提出的拟合关系式合理;水泥含量越大,抗压强度、峰值应力对应的应变和弹性模量等参数随应变率的提高越显著。

冻融循环作用下板岩弹性参数及单轴抗压强度研究

为揭示冻融循环作用对板岩弹性参数及单轴抗压强度的影响,采用DX-40型低温数控箱、DNS100微型控制电子万能试验机进行7种层理倾角(?)、6种冻融循环次数的单轴压缩试验,对其5个弹性参数、单轴抗压强度及破坏类型的变化规律进行分析。试验结果表明:板岩弹性模量、剪切模量和单轴抗压强度随冻融循环次数增加呈指数下降趋势,泊松比随冻融循环次数增加呈线性增加趋势;板岩单轴抗压强度随层理倾角增加呈先减后增的变化趋势;冻融循环作用下板岩破坏类型有3种:当0°≤?≤26.6°时,沿与竖直轴线呈一定角度方向发生剪切破坏;当26.6°≤?≤83.0°时,沿层理面发生剪切破坏;当83.0°≤?≤90°时,沿垂直方向发生劈裂破坏。在Jaeger单弱面理论的基础上,建立了以冻融循环次数和层理倾角为控制变量的板岩单轴抗压强度预测模型,并通过试验数据验证了模型的合理性,表明该模型能较好地描述冻融循环次数和层理倾角对冻融板岩单轴抗压强度的影响。