一种新型粗糙节理面随机强度模型及其应用

天然岩体在长期地质作用下会生成各种节理裂隙等不连续面,而地下工程结构的稳定性一般取决于这些不连续面的强度。在众多因素中,表面形态对岩石节理面剪切强度具有决定性影响。为了系统研究岩石节理面剪切强度的确定方法,把岩石节理面概化为一系列高度不同的微长方体凸起组成的粗糙表面结构,且微长方体凸起有剪胀破坏和非剪胀破坏两种模式。综合微长方体凸起破坏规律,应用概率密度函数描述节理面表面起伏分布的影响,建立了粗糙节理面随机强度模型,推导了节理面剪切强度理论公式,提出了节理面强度的随机评价方法。基于随机强度模型和评价方法编制Matlab计算程序计算自然粗糙节理面的剪切强度,并将计算结果与试验结果进行比较分析。研究表明:粗糙节理面随机强度模型综合了粗糙节理面表面形态和法向应力对节理剪切强度的影响机制,理论计算值与试验数据吻合良好,可以较好的评价粗糙节理的峰值剪切强度和残余剪切强度。该随机模型可作为进一步深入研究的重要基础,分析结构面的连续剪切过程,建立更完善的节理面强度模型。     

自然与饱水条件下异性结构面的剪切特性研究

利用室内剪切试验装置,开展不同正应力、自然与饱水条件下岩体异性结构面的剪切试验,分析异性结构面的剪切变形和强度特性,利用JRC-JCS抗剪强度力学模型将试验结果与计算结果进行对比分析。结果表明,（1）异性结构面的剪切变形曲线属于弹塑性残余变形类型。相比自然状态试件,饱水试件的弹性区减小,较早进入峰值区或塑性区;（2）异性结构面的剪切刚度均随法向力的增大而增大,但同一正应力下饱水试件的剪切刚度要小于自然状态的剪切刚度,在低法向力下尤为显著;（3）水对岩体异性结构面剪切强度参数有不同程度的弱化,尤其对内摩擦角 的劣化明显;（4）只要计算参数选取得当,并考虑实际岩体的受力及水等情况,JRC-JCS计算模型可以为实际工程岩体的结构面强度提供较为准确的参数。     

基于PFC2D数值试验的异性结构面剪切强度特性研究

天然岩体中广泛发育两侧岩性不同的异性结构面,开展异性结构面变形和强度特性研究旨在为岩体稳定性评价和利用提供依据。选取三峡库区侏罗系典型的砂岩-泥岩异性岩层,首先运用分形几何理论,定量计算了平直和4种不同不规则起伏形态结构面的粗糙度系数JRC值,然后基于PFC2D颗粒流程序,分别开展了以上5种形态异性结构面的数值剪切试验,获得了各形态结构面在不同正应力下的剪切应力-位移曲线。根据数值试验结果,采用巴顿的JRC-JCS模型分析了异性结构面强度特性,并与同性结构面强度性质进行对比研究。最后,在考虑异性结构面剪切破坏机制的基础上,引入强度因子的概念,提出了新的适用于异性结构面强度评价的两类改进巴顿准则。研究结果表明：异性岩体结构面抗剪强度介于相同粗糙度的两种同性结构面强度之间,在较低正应力下接近软岩同性结构面强度,符合Ⅰ型改进巴顿准则;在较高正应力下偏向硬岩同性结构面强度,符合Ⅱ型改进巴顿准则。实际工程中可利用改进准则并根据异性结构面应力状态对岩体稳定性进行评价,弥补了以往研究的不足。     

砂土充填大理岩节理的剪切强度经验公式

为研究砂土充填对节理抗剪强度的影响,利用GCTS（RDS?200型）岩石剪切测试系统对4种不同摩擦系数砂土充填的粉晶大理岩节理进行了直剪试验。结果表明：相同法向应力下,未充填节理的峰值剪切应力大于充填节理的峰值剪切应力,说明砂土的存在降低了节理的剪切强度;由节理面三维形貌参数最大谷深 表征节理面粗糙程度,得到了未充填节理的峰值剪切强度公式,公式预测值与试验值基本吻合;得到了用充填砂土摩擦系数表达的充填节理峰值剪切强度公式,公式预测值与试验值较为吻合。研究结论对充填节理岩体稳定性评价具有一定指导意义。     

典型红层滑坡滑带土自愈合效应试验研究

在滑坡稳定性分析和设计计算中往往选用滑带土的残余强度值,但许多研究发现滑带土在稳定期会有自愈合现象发生,表现为抗剪强度的提高。对于以蠕滑为主的红层滑坡,自愈合恢复值应该在滑坡稳定性评价中予以考虑。通过对典型红层滑坡滑带土样进行“剪切―保持―剪切”试验,研究处于残余状态下的剪切面在不同法向应力、不同保持时间下的愈合情况,并进行相应的分析与讨论。试验结果表明：（1）残余状态下的土样在保持一定时间后再次剪切出现明显峰值,证明了剪切面自愈合效应存在,但是继续剪切时恢复的强度随位移快速消失;（2）随着保持时间的增长,剪切面的强度恢复值越来越大;（3）剪切面的自愈合相比法向应力更依赖于保持时间。将得到的摩擦系数值运用断层强度恢复经验公式拟合,提出不同法向应力下常数A的取值,可在滑坡安全系数计算中参考。     

岩石结构面注浆加固抗剪特性试验研究

为了研究破裂岩体结构面的注浆加固效果,并揭示其加固实质和作用机制,对单轴压缩试验形成的破裂岩样结构面粗糙度进行了测量与研究;通过破裂岩样结构面注浆加固的剪切试验,分析了注浆对结构面强度和刚度等力学特性参数的影响;通过锯齿形模型化结构面注浆前后剪切试验,分析了锯齿形结构面的力学特性及注浆加固对模型化结构面的影响。研究结果表明,同种岩样压裂后结构面粗糙度系数JRC相近,其数值约为8～10,具有可复制性;注浆后结构面残余强度、剪切峰值强度及上升段斜率均有明显提高;注浆后岩体中结构面的刚度也得到了明显改善;通过理论分析,给出了结构面刚度的理论拟合公式;结构面的剪切峰值强度及残余强度随着锯齿形齿数的增多明显提高,注浆加固后,结构面剪切峰值强度、黏聚力都有不同程度的增大,而内摩擦角变化不大     

节理峰值剪切位移及其影响因素分析

根据Barton-Bandis节理峰值剪切强度准则,分析了节理峰值剪切位移与法向应力之间的变化关系,并以此为基础总结了Barton峰值剪切位移公式的不足。通过室内直剪试验验证了节理粗糙度与法向应力是影响结构面峰值剪切位移的两个主要因素。试验结果表明,峰值剪切位移与节理粗糙度成反变化关系,与法向应力成正变化关系。建立了考虑节理粗糙度与法向应力的节理峰值剪切位移计算新公式。克服了Barton经验公式只考虑节理粗糙度,而不考虑法向应力作用的局限。新公式能很好地拟合试验数据,表明其合理性。     

冻融作用下人工劈裂砂岩结构面强度特性研究

寒区岩体破坏主要与结构面力学特性及冻融损伤相关。为探究冻融作用下砂岩结构面的强度特性,采用小圆弧刀头劈裂制备贯通结构面,对其进行了冻融循环及剪切试验,得到了结构面的剪切强度、内聚力及内摩擦角的劣化规律。试验结果表明:小圆弧刀头制备的结构面完整、均一,且上下盘吻合度高;岩石的峰值剪切强度与冻融次数呈负相关,与法向应力呈线性正相关;随着冻融循环次数的增加,内聚力减小趋势变缓,内摩擦角无明显变化趋势。研究结果对寒区岩体强度特性分析具有参考价值。     

基于统一强度理论分析不连续面对岩体强度的影响

基于统一强度理论,对含有结构面的岩体,在平面形式下引入材料统一强度参数ct,φt,推导了含单个节理裂隙岩体材料的统一强度公式,即考虑中间主应力的岩体破坏强度公式,并分析了其有效范围。运用硅藻质软岩和石膏的三轴试验结果,验证了所建立的公式的正确性,并分析了具有不连续面岩体的强度随中间主剪应力作用系数b的变化。结果表明,岩体强度随b值的增大而增大。根据岩土材料统一强度参数的确定方法,计算并分析了b值对强度参数的影响,从而说明强度参数随着b值的变化而变化。     

弹塑性数值流形方法在边坡稳定分析中的应用

针对现有数值流形方法只能进行弹性计算的不足,建立了一个能够反映完整岩块弹塑性变形特征的本构模型,并借助VC++开发了内置该本构模型的弹塑性数值流形程序。利用该程序模拟了含单节理岩样的室内压缩试验,分析得到了其强度和变形特性,计算结果符合实际的物理现象,表明程序是正确有效的。考虑到数值流形方法本身能够有效模拟材料的不连续变形,新增的弹塑性分析功能又可以反映岩石的强度特性,将弹塑性数值流形程序应用于某含有不连续面的岩石边坡的稳定性分析。并结合锚杆单元的使用,对比分析了不同锚固方案的加固效果。程序提供的变形、应力等计算结果表明:预应力锚杆不仅可以防止不连续面发生剪切破坏,增强坡体的稳定性,限制塑性变形的发展;而且可以使不连续软弱层面对岩体变形的消极影响得以减弱,起到提高岩体整体性的作用。     

地震作用下结构面劣化特征及高位危岩体动力失稳机制

地震是高位危岩体失稳崩塌主要诱因之一,而结构面强度与变形特性对高位危岩体稳定性起关键控制性作用.为研究地震作用下高位危岩体动力失稳机制,基于数值试验研究结构面震动劣化效应,并利用极限平衡法对高位危岩体动力稳定性进行研究.研究结果表明,结构面的峰值抗剪强度随着循环剪切次数的增加而减小,且减小幅度愈来愈小,最终趋于稳定值;随着起伏角度增大而增大,且增大幅度随着循环剪切次数的增加而减小;并在同一起伏角度下,随着循环剪切幅值的增大而减小.最后,基于回归分析法建立结构面震动劣化数学模型,并提出一种考虑结构面震动劣化的高位危岩体动力稳定性分析方法.其研究成果有助于丰富高位危岩体动力稳定性方面的基础理论研究,具有重要的理论意义和工程参考价值.      

不连续面激活与巷道围岩破坏区关系的探讨

岩体的破坏往往是其中不连续面滑移与扩展的结果。在不连续面有效剪应力概念的基础上,提出了巷道临空不连续面激活的观点。分析了圆形断面巷道围岩中临空不连续面的激活深度,认为不连续面的激活深度与其倾角及抗剪强度有关,其中,抗剪强度对激活深度的影响较大,同样倾角的不连续面在巷道不同部位的激活深度也并不相同。采用岩体断裂力学的理论,分析了临空不连续面横向翼形裂纹扩展的模式,认为产生翼形裂纹最大可能的部位就是激活临界点。因此,巷道围岩中最大可能的破坏区深度即为不连续面的激活深度。     

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。     

基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究

相同形貌结构面重复性剪切试验和各向异性剪切试验一直是岩体结构面剪切力学特性试验研究中的难点,而该问题对于工程岩体的开挖力学响应和稳定性分析、评价与控制至关重要,问题的关键在于同一种岩石的结构面形貌的再现。为此,基于3D扫描和3D雕刻技术,重复制备了3种不同粗糙度的大理岩结构面试样,开展了不同法向应力下相同形貌结构面的各向异性剪切试验。试验结果发现：（1）同一法向应力、不同剪切方向下,相同形貌结构面的剪切强度、剪胀和剪切破坏特征均呈现明显各向异性;（2）结构面粗糙度各向异性很大程度上决定了剪切强度的各向异性,两者具有较好的正相关性;（3）随着法向应力的升高,结构面剪切特征的各向异性有逐渐弱化的趋势。同时,研究还充分表明,3D雕刻技术是系统开展结构面剪切力学特征各向异性研究的可靠手段,可在将来研究中发挥更为重要的作用。     

软-硬自然节理的改进JRC-JCS剪切强度公式

借助三维白光扫描技术和3D打印技术,浇筑了若干块含相同自然节理面、上下盘壁面强度不同的吻合软-硬节理混凝土试块,并对其进行了不同常法向应力下的剪切试验。试验表明,试件的剪胀程度随着节理壁面强度系数λ_(σc)值的增大而增大,剪切强度随着λ_(σc)值的增大而减小。同时,研究表明,对于软-硬节理,在剪切过程中,软-硬节理两侧都发生了破坏,节理的等效壁面强度JCS_(等效)受壁面强度系数λ_(σc)的影响,相对于硬节理侧,较软节理侧对等效壁面强度JCS_(等效)的贡献更大,并且这种趋势随壁面强度系数λ_(σc)的增大而增强,这也是JRC-JCS(节理粗糙系数-节理壁面强度)强度公式预测软-硬节理强度时具有一定局限性的原因。根据以上分析,以较软节理侧的壁面强度JCS软为基准,建立了关于壁面强度系数λ_(σc)的修正关系函数f(λ_(σc))来确定软-硬节理的等效壁面强度JCS_(等效),进而提出了考虑软-硬节理不同壁面强度组合类型的修正JRC-JCS剪切强度公式,该新公式是对现有的JRC-JCS强度公式的完善。     

基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究

相同形貌结构面重复性剪切试验和各向异性剪切试验一直是岩体结构面剪切力学特性试验研究中的难点,而该问题对于工程岩体的开挖力学响应和稳定性分析、评价与控制至关重要,问题的关键在于同一种岩石的结构面形貌的再现。为此,基于3D扫描和3D雕刻技术,重复制备了3种不同粗糙度的大理岩结构面试样,开展了不同法向应力下相同形貌结构面的各向异性剪切试验。试验结果发现:(1)同一法向应力不同剪切方向下,相同形貌结构面的剪切强度、剪胀和剪切破坏特征均呈现明显各向异性;(2)结构面粗糙度各向异性很大程度上决定了剪切强度的各向异性,两者具有较好的正相关性;(3)随着法向应力的升高,结构面剪切特征的各向异性有逐渐弱化的趋势。同时,研究还充分表明,3D雕刻技术是系统开展结构面剪切力学特征各向异性研究的可靠手段,可在将来研究中发挥更为重要的作用。     

基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究

相同形貌结构面重复性剪切试验和各向异性剪切试验一直是岩体结构面剪切力学特性试验研究中的难点,而该问题对于工程岩体的开挖力学响应和稳定性分析、评价与控制至关重要,问题的关键在于同一种岩石的结构面形貌的再现。为此,基于3D扫描和3D雕刻技术,重复制备了3种不同粗糙度的大理岩结构面试样,开展了不同法向应力下相同形貌结构面的各向异性剪切试验。试验结果发现:(1)同一法向应力不同剪切方向下,相同形貌结构面的剪切强度、剪胀和剪切破坏特征均呈现明显各向异性;(2)结构面粗糙度各向异性很大程度上决定了剪切强度的各向异性,两者具有较好的正相关性;(3)随着法向应力的升高,结构面剪切特征的各向异性有逐渐弱化的趋势。同时,研究还充分表明,3D雕刻技术是系统开展结构面剪切力学特征各向异性研究的可靠手段,可在将来研究中发挥更为重要的作用。     

巴东组易滑地层异性层面剪切特性及水致劣化规律研究

异性层面剪切特性及水致劣化规律是巴东组地层岩体稳定性及地质灾害致灾机制研究的基础。以巴东组3类典型异性层面(粉砂质泥岩/泥质粉砂岩、泥质粉砂岩/泥灰岩、泥灰岩/泥岩)为研究对象,首先开展了3类典型异性层面的壁岩电镜扫描试验、天然及饱水状态下的壁岩单轴压缩试验,分析了巴东组典型异性层面壁岩微观特性及壁岩宏观力学性质的水致劣化规律。在此基础上,开展了天然和饱水状态下3类典型异性层面的室内直剪试验,研究了巴东组典型异性层面剪切特性,提出了异性层面基本摩擦角的预测公式。基于上述试验结果,分析了巴东组典型异性层面的水致劣化规律。研究表明:(1)巴东组异性层面壁岩黏土矿物含量及微观结构对异性层面剪切特性的水致劣化规律具有重要影响;(2)异性层面的基本摩擦角介于两侧壁岩对应的同性结构面的基本摩擦角之间,且更接近强度较低一侧壁岩同性结构面的基本摩擦角;(3)异性层面的水致劣化系数主要受控于强度较低一侧壁岩的软化系数;(4)巴东组粉砂质泥岩/泥质粉砂岩、泥质粉砂岩/泥灰岩及泥灰岩/泥岩间异性层面的劣化系数分别为0.915、0.951和0.731。     

破裂大理岩锚注加固试样的三轴压缩试验及加固机制分析

通过三轴压缩试验得到不同围压下形成的含单一贯通破裂面大理岩试样,用自制的夹具对试样进行"水泥注浆"和"锚杆+注浆"两种方式加固后再次在原加载破坏围压下进行三轴压缩试验,结合激光扫描和电镜扫描手段,分析了注浆和锚杆对大理岩破裂面的加固效果和作用机制。试验结果表明,注浆加固的黏结作用使开裂大理岩破裂面产生黏聚力,而锚杆的抗剪和抗拉效应能进一步提高加固大理岩破裂面的强度;注浆加固和锚注加固大理岩破裂面的峰值剪应力对应的剪切位移基本相等,表明锚杆只有发生了一定的剪切变形时,其抗剪和法向加载效应才能发挥。最后,以摩尔-库仑强度准则为基础,建立了表面粗糙程度较低且充填度大于1的锚注加固大理岩破裂面的抗剪强度公式。与试验结果的对比表明,该公式较为合理,可为深部硬岩工程围岩支护优化提供参考。     

锚固节理直剪力学行为的颗粒流数值分析

为探究锚固节理在直剪加载作用下的细观力学响应,利用颗粒流数值计算方法建立不同锚固角度下的锚固节理数值模型,并进行不同法向荷载下的直剪试验。之后,通过分析和对比剪切-位移曲线和峰值剪切强度来对锚固节理宏观力学性质进行研究。与此同时,基于微裂纹分布规律,从细观角度揭示了剪切荷载下不同锚固角度的岩石节理面的破坏特征;研究结果显示。（1）不同于非锚固节理,锚固节理的剪切-位移曲线在剪切后期呈现出一定的增长趋势,且粗糙度不同曲线变化特征存在一定的差异。（2）不同锚固角度下,锚固节理的破坏模式存在着较为明显的差异。当锚固角为90°时,锚固节理模型的破坏主要集中于锚杆与上下节理面接触位置,且破坏主要为挤压式破坏。随着锚固角度的减小,接触位置的破碎区域不断减小,节理破坏主要表现为沿着锚杆的轴向拉伸变形破坏及内部的拉伸破坏。（3）锚固角度的变化对锚固节理的抗强度的影响程度与节理面的粗糙度存在一定关联。具体而言,较为平直节理抗剪强度随着锚固角度的增大,增长趋势明显,而粗糙节理面随着锚固角度的增大峰值抗剪强度的变化趋势相对较为平缓。