循环剪切荷载作用下充填物对结构面剪切特性影响试验研究

利用相似材料复制劈裂结构面,进行常法向应力下循环剪切试验,研究无充填、充填黄泥3mm、充填石膏3mm和充填岩屑3mm条件下结构面循环剪切强度、变形和形貌演化特性。结果表明:(1)循环剪切中占主导地位的破坏模式会发生改变,无充填时由剪断破坏向磨损破坏转化,充填黄泥时主要为滑移破坏,充填石膏时由剪断破坏向滑移破坏再向磨损破坏转化,充填岩屑时由剪断破坏向磨损破坏转化。(2)随着循环剪切次数增加,无充填和充填黄泥时峰值剪应力以减速率减小,充填石膏和岩屑时峰值剪应力先减小再以减速率增大,充填物会弱化结构面循环剪切强度,其中以黄泥的弱化影响最大。(3)不同充填材料条件下,结构面循环剪切中平均剪胀角均以减速率减小,有充填时循环剪切中剪缩现象更明显,其中充填黄泥时剪缩幅度最小,充填石膏时剪缩幅度最大。(3)有充填物条件下,循环剪切后结构面磨损程度比无充填条件下要小,其中以充填黄泥时磨损程度最小,充填石膏时磨损程度相对最大。     

循环剪切荷载作用下充填物对结构面剪切特性影响试验研究

利用相似材料复制劈裂结构面,进行常法向应力下循环剪切试验,研究无充填、充填黄泥3mm、充填石膏3mm和充填岩屑3 mm条件下结构面循环剪切强度、变形和形貌演化特性。结果表明:(1)循环剪切中占主导地位的破坏模式会发生改变,无充填时由剪断破坏向磨损破坏转化,充填黄泥时主要为滑移破坏,充填石膏时由剪断破坏向滑移破坏再向磨损破坏转化,充填岩屑时由剪断破坏向磨损破坏转化。(2)随着循环剪切次数增加,无充填和充填黄泥时峰值剪应力以减速率减小,充填石膏和岩屑时峰值剪应力先减小再以减速率增大,充填物会弱化结构面循环剪切强度,其中以黄泥的弱化影响最大。(3)不同充填材料条件下,结构面循环剪切中平均剪胀角均以减速率减小,有充填时循环剪切中剪缩现象更明显,其中充填黄泥时剪缩幅度最小,充填石膏时剪缩幅度最大。(4)有充填物条件下,循环剪切后结构面磨损程度比无充填条件下要小,其中以充填黄泥时磨损程度最小,充填石膏时磨损程度相对最大。     

充填物性质影响结构面剪切特性试验研究

通过自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了无充填结构面和充填石膏、岩屑、黄泥结构面的剪切试验。利用三维光学扫描技术,研究了结构面的三维形貌特征和裂隙开度演化。结果表明：充填结构面的峰值剪应力和法向位移由充填石膏、岩屑到黄泥依次递减,受充填物强度影响较大;无充填结构面由于直接接触,剪切后表面发生明显磨损,结构面粗糙度系数（JRC）整体减小且变化最为显著,充填石膏和岩屑结构面的JRC变化次之,充填黄泥结构面几乎没有变化;充填物破坏和结构面磨损主要受裂隙开度演化和局部应力集中的影响。随着剪切位移的增大,在裂隙开度较小的区域,应力分布较大,充填物易沿此处破碎,无充填结构面沿此处严重磨损。     

重复剪切作用下结构面起伏角度对其力学特性影响研究

在室内直剪试验的基础上,研究了重复剪切作用下起伏角对结构面变形和强度的影响。采用钢制模具和混凝土材料预制4种起伏角度结构面,分别在5级法向应力下进行6次直剪试验,记录每次剪切过程中的切向应力和法向位移随切向位移的变化。通过对切向应力和法向位移随切向位移变化曲线分析可知,首次剪切时,法向应力和起伏角度越大,结构面剪切破坏方式越容易从滑移破坏过渡为剪断破坏,对于同一种剪切破坏方式,法向应力越大,对结构面磨损或剪断的作用越强烈,峰值剪胀位移越小,起伏角度越大,锯齿被磨损或剪断的高度越大;第2次剪切开始,不论法向应力和起伏角度如何,结构面的剪切破坏方式基本上都转变为滑移破坏。     

重复剪切作用下充填物对结构面力学性质的影响

目前,对于结构面的研究主要包括对剪切曲线形态的描述及结构面粗糙度、组数、充填物等因素对结构面强度参数的影响,一般情况下,这类研究的基础是结构面经受静荷载的作用。实际上,结构面也很容易遭受地震、水位升降、爆破等动力荷载的反复剪切作用,但是,至今对反复剪切作用下结构面力学特性的研究较少或缺乏系统性。笔者在室内直剪试验的基础上,研究了重复剪切作用下充填物对结构面变形和强度的影响。采用钢制模具和混凝土材料预制4种起伏角度结构面,在1.56MPa法向应力和两种充填状态下进行多次直剪试验,分析每次剪切过程中的切向应力和法向位移随切向位移的变化。通过对切向应力和法向位移随切向位移变化曲线分析可知,初次剪切时,起伏角度越大,结构面剪切破坏方式容易从滑移破坏过渡为剪断破坏;第二次剪切开始,无论起伏角度如何,结构面的剪切破坏方式基本上都转变为滑移破坏;充填物的存在基本不会改变结构面的剪切破坏方式,但会使剪切过程中结构面的爬坡效应增强,使结构面被剪断或磨损的作用减弱,峰值法向位移增大。     

不同充填度下岩体剪切−渗流耦合试验研究

利用自主研发的煤岩剪切?渗流耦合试验装置,开展不同充填度下含结构面砂岩相似材料剪切?渗流耦合特性试验研究。结果表明：（1）在恒定水压情况下,充填度越大,相似材料的峰值剪应力越小,法向位移越大且发生剪缩现象,一定充填度范围内流量峰值也越大;（2）剪切过程中流量变化主要受充填物中产生的裂隙控制,剪切位移越大,裂隙越发育,流量越大。法向位移对流量变化有一定影响,但随着充填度的增大,影响越来越小;（3）随充填度的增加,充填物的破碎程度逐渐增大。充填度较小时,其主要受到裂隙开度的控制;充填度较大时,主要受法向力影响。由于渗透水的软化作用,结构面的磨损程度逐渐减小。     

基于三维扫描和三维雕刻技术的岩石结构面原状重构方法及其力学特性

为了客观重复制作与原岩结构面的岩性、表面形态和力学性质完全一致的试样,集成三维扫描和三维雕刻技术,提出了原岩结构面试样重构新方法。采用该方法制作了具有相同表面形态的大理岩结构面试样,开展了不同法向力下的直剪试验,并采用声发射技术对结构面剪切破坏过程进行了监测。结果表明：重构结构面试样与原始结构面试样具有高度相似性;结构面剪应力-剪切位移曲线可分为两类：剪胀滑移型和剪断跌落型;剪切破坏后结构面可明显地划分为两个区域：剪胀脱开区和剪断磨损区;提出了结构面剪切强度新公式,理论公式与试验结果更接近;结构面剪切过程中剪应力、能量率、计数、撞击率随时间的变化规律具有较好的一致性,声发射定位位置与剪切过程中结构面损伤破坏区域基本吻合。     

剪切-渗流作用下煤岩剪断面形态特征试验研究

利用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了不同法向应力作用下煤岩剪切-渗流耦合试验研究,并对剪断面进行立体扫描,分析不同法向应力作用下煤岩剪断面的二维断面特征参数和三维断面特征参数。结果表明：（1）煤岩试件剪切破坏主要是塑性破坏,在恒定气压条件下,法向应力越大,煤岩的峰值剪应力越高,且煤岩的峰值剪应力与法向应力近似呈线性关系;（2）法向应力是煤岩剪断面形态特征的影响因素之一,在恒定气压条件下,其施加的法向应力越大,二维断面特征参数和三维断面特征参数基本都呈减小趋势,也即法向应力越大,煤岩剪断面的起伏度和粗糙度都越小;（3）在煤岩剪切过程中,法向应力能通过影响剪切裂纹的扩展区域进而影响煤岩试件的渗流特性和剪断面的形貌特征。     

含二阶规则起伏体结构面的剪切试验研究

通过常法向应力直剪试验研究了含不同二阶规则起伏体高度结构面的剪切特性。试验结果表明:与只含一阶起伏体结构面不同,含二阶起伏体结构面会有多峰值剪应力和波浪状的变形曲线,会出现多次剪断破坏或一次剪断破坏的破坏特征,随着二阶起伏体高度的增大,结构面剪切强度增大。     

法向刚度对土与结构接触面三维特性影响的试验研究

运用80 t大型三维接触面试验机,对不同法向刚度下粗粒土与结构接触面三维静动力学特性进行了试验研究,重点分析了法向刚度对接触面力学特性的影响规律。法向常刚度条件下,接触面在单调剪切时均先剪缩再剪胀、法向应力先减小后增大;循环剪切时接触面不可逆性剪切体变呈单调增长、可逆性剪切体变峰值逐渐减小后趋于稳定,切向应力峰值不断减小,抗剪强度逐渐减小,主应力比峰值则基本保持不变。法向刚度主要影响剪切体变、可逆性剪切体变、切向应力、主剪应力等接触面力学性能参数的大小;法向刚度越大,单调剪切时法向应力变化越大、切向应力峰值越大、剪缩和剪胀量越小;循环剪切时不可逆性剪切体变增长越慢、最终值越小,抗剪强度减小越快、达到0时对应的循环周次越少。法向刚度对剪切体变、可逆性剪切体变、主剪应力、主应力比等性能参数与切向位移的关系形式及接触面摩擦角基本没有影响。     

高应力下花岗岩耦合节理在剪切过程中渗透率演化特性

节理滑移时其渗透率的演化特性是岩体水力特性重要的科学问题之一。为了深入了解花岗岩节理在高应力条件下剪切滑移时渗透率的变化规律,对花岗岩耦合节理剪切时的渗透率进行了试验研究。为了解决剪切时高压孔隙流体的密封问题及节理渗透率测量问题,设计了一种适用于高压孔隙流体作用下的剪切渗流试验系统。通过剪切渗流试验获得了渗透率随剪切位移的变化规律,以及剪切应力和法向变形与剪切位移的关系。试验结果表明:高应力条件下剪切峰后节理发生明显的剪胀,但其渗透率呈降低趋势;节理剪切过程中节理的剪胀、压缩和凸起的剪断磨损机制共同影响渗透率的变化;高应力一方面限制了节理的剪胀特性,另一方面也增强了凸起的剪断磨损机制,因此,节理剪切时节理渗透性被显著降低。     

含二阶起伏体的模拟岩体节理试样剪切特性试验研究

利用规则的小尺寸锯齿构造二阶起伏体,对不同二阶起伏体高度的人工节理进行常法向应力下的直剪试验,研究了节理剪切力学特性。对节理的剪切强度、变形特征进行了分析,并对破坏特征做出解释。试验结果表明：二阶起伏体对节理剪切力学特性有重要影响,含二阶起伏体节理的剪切力学特性与只含有一阶起伏体节理的剪切力学特性不同,只含一阶起伏体的节理剪应力只有一个峰值,含二阶起伏体的节理会出现波浪状的剪胀曲线和多峰值剪应力,且峰值剪应力随剪切位移增大依次出现并逐个减小;随着二阶起伏体高度增大,节理峰值剪切强度增大,节理依次出现磨损破坏、多次性剪断破坏、一次性剪断破坏。     

风化片岩残积土剪切特性研究

为考察片岩残积土的剪切特性,结合鄂西北山区某边坡工程,开展了风化岩残积土大型原位直剪试验,研究了风化岩残积土的结构组成、剪切面破损特性、剪切强度特性及其含石率、起伏度等相关关系。结果表明：该风化岩残积土应力-应变曲线多呈应变硬化特征,无明显峰值;束状孤石和束状石组多为翻滚和啃断破坏,起伏度随含石率的增大而增大,近似呈线性关系;爬坡效应会引起剪胀,造成剪应力和垂直应力的增大;随着垂直应力的增大,剪切破坏机制逐渐由滑移破坏变为啃断破坏,剪压应力比（剪应力与垂直应力的比值）逐渐减小。研究成果可为边坡工程变形及稳定性分析提供参考。     

土工膜-土工布界面动力剪切特性试验研究

糙面土工膜（GMX）和无纺土工布（GT）是垃圾填埋场中周边衬垫系统的重要组成部分,其界面特性对于整体填埋场的稳定性尤为重要。但是,目前对GMX-GT界面的动力剪切特性研究较少。为此,利用大型直剪仪,开展了一系列全饱和条件及干燥条件下GMX-GT界面的循环剪切试验,主要研究了竖向应力、位移幅值和循环次数等对GMX-GT界面动力剪切特性的影响,并对比分析了全饱和及干燥两种条件下GMX-GT界面动力剪切特性的差异。研究结果表明,随着位移幅值的增加,GMX-GT界面呈现出由剪切硬化向剪切软化转变的特性。循环剪切作用使得界面的内摩擦角随着位移幅值的增加而增大。GMX-GT界面主要表现为剪缩特性,且总剪缩量随竖向应力、位移幅值和循环次数的增加而增加。剪切刚度随竖向应力和循环次数的增大而增大,随位移幅值的增大而减小。阻尼比随位移幅值的增大而增大,随循环次数的增加而减小,说明位移幅值会增加GMX-GT界面的能量的耗散。GMX-GT界面在干燥条件下的破坏模式与饱和条件下的存在明显差异,干燥条件下GT内部的破坏更加显著,全饱和条件下GMX表面的破坏更加明显。     

固结与不固结条件下黄土-混凝土接触面剪切试验

黄土与结构物相互作用时其在法向应力下的固结程度和实际工况有关。控制土样初始含水率和排水条件,利用大型直剪仪开展黄土与混凝土接触面剪切试验。结果表明,固结条件下的剪应力比不固结条件下的剪应力大,且其差值随土样初始含水率的增加而增大;接触面剪应力-剪切位移关系呈弱软化、弱硬化和强硬化3种形式;固结条件下法向应力较低时接触面抗剪强度随土样初始含水率的增加先增大后减小最后趋于恒值,固结条件下法向应力较高时及不固结条件下接触面抗剪强度随土样初始含水率的增加而减小最后趋于恒值;随着土样初始含水率的增加,固结和不固结条件下接触面粘聚力均先增大后减小,而接触面内摩擦角均减小最后趋于恒值。因此,固结和不固结条件下黄土与混凝土接触面剪切性状具有明显不同,分析黄土与结构物相互作用时应根据实际工况选用不同固结条件下的参数。     

循环荷载作用下筋土界面抗剪特性的试验研究

利用自主研制的大型结构面剪切仪完成了一系列界面直剪试验,探讨在法向循环荷载与静荷载两种条件下土工格栅与石英砂界面的抗剪性能,比较其在两种法向荷载下的异同点。试验结果表明：循环荷载作用下剪应力随剪切位移的发展趋势与静荷载下的有相似之处,但曲线本身表现出了循环发展的特性;循环荷载作用下剪应力峰值和谷值的最大值与法向应力的关系近似符合摩尔-库仑定律;循环剪应力最大值随着法向循环荷载频率的增加而减小,但随着振幅的增加而逐渐增大;循环荷载下筋土界面剪应力随位移而波动,始终处于振幅上下限所对应静荷载下剪应力之间,相关物理量之间具体的定量关系需要进一步研究。     

三明治形加筋土筋-土界面动力剪切特性

三明治形加筋土是一种在黏土中加入加筋砂层形成的混合填料形式的新型加筋土。为了研究不同条件下三明治形加筋土筋-土界面的动力剪切特性,采用大型直剪仪对三明治形加筋土进行了一系列循环剪切试验,研究了不同薄砂层厚度、循环剪切幅值和竖向应力对界面剪切特性的影响。试验结果表明：筋-土界面的剪应力峰值随着循环次数的增加而增加,循环周次为10时,薄砂层厚度为5、6、7、8、9 mm的条件下,筋-土界面的剪应力峰值分别为24.84、27.4、27.94、26.33、24.68 kPa,表明薄砂层厚度为7 mm时,筋-土界面在循环剪切阶段的峰值剪应力最大;剪切幅值越大,界面循环剪切的最终剪缩量越大,同一循环次数对应的剪切刚度和阻尼比越小;在不同竖向应力下,界面在循环剪切过程中都发生了循环剪切硬化现象,循环周次为10时,竖向应力为30、60、90 kPa的条件下,筋-土界面的剪应力峰值分别为20.4、25.14、32.96 kPa,表明剪应力峰值随竖向应力的增大而增大,同一循环次数对应的剪切刚度也随竖向应力的增大而增大。     

持续开挖效应下结构面剪切力学性质与能量特征研究

基于地下岩体工程开挖扰动的实际情况,开展考虑持续开挖效应,充分反映岩体结构面应力调整过程的结构面剪切试验更具理论意义和工程应用价值。采用人工劈裂方法制备岩体结构面,开展了常规应力路径和持续开挖效应下的结构面剪切试验,系统研究了两种条件下结构面剪切力学性质、声发射特征和能量的演化规律。研究结果表明：开挖扰动荷载强度越大,结构面发生剪切破坏时的剪应力降整体上越大,但持续开挖效应下的剪应力降最大值仅为常规应力路径下剪应力降的48.57%;考虑持续开挖效应的结构面剪切过程中声发射活动主要集中于结构面受剪破坏和剪应力降产生时,且声发射活动强度与开挖扰动强度正相关,声发射振铃计数变化率极值明显小于常规应力路径下的相应值;持续开挖效应下试样裂纹发育密集度、结构面磨损区域及破坏程度均随开挖扰动强度增加而增加,但试样裂纹发育的密集程度和结构面破坏程度相对常规应力路径下的情况轻;考虑持续开挖效应的结构面发生剪切破坏时弹性应变能随扰动荷载增大而增大,均低于常规应力路径条件下的弹性应变能值,持续开挖效应降低了结构面剪切破坏的强度,但更易引发结构面发生剪切破坏。     

不同固结状态下黏土抗剪强度与剪切速率的关系

利用直剪仪针对不同固结状态下的饱和黏性土,在不同剪切速率条件下进行了系统的试验研究,探讨了剪切速率与剪应力-剪切位移曲线变化规律,分析了剪切速率对强度参数的影响及原因。试验结果表明:对于正常固结土,剪切速率越大,峰值剪应力越小,内摩擦角越小。不同的固结状态下,剪切速率对抗剪强度参数影响不同。超固结比为2时,内摩擦角随着剪切速率的增大而减小,黏聚力随着剪切速率的增大而增大;超固结比为3时,内摩擦角随剪切速率的影响较小,黏聚力随着剪切速率的增大而增大。另外,从黏聚力和内摩擦力的角度,分析了不同剪切速率条件下土体抗剪强度变化的主要控制因素。最后,从孔隙水压力的角度分析了不同剪切速率对抗剪强度的影响。在相同的法向应力下,对于正常固结土,不同剪切速率引起的剪切带周围孔隙水压力变化量与破坏剪应力变化量成正比关系;对于超固结土,黏聚力变化量减去破坏剪应力变化量的差值与孔隙水压力的增量成正比。     

硬脆性大理岩拉剪破坏特征与屈服准则研究

岩土工程中常用的屈服准则多以压缩剪切为其破坏机制,然而硬脆性岩体的脆性破坏包括拉伸破坏、张拉剪切破坏和压缩剪切破坏3类,且随着岩体工程向深部发展,张拉剪切破坏成为了洞壁围岩的主要破坏机制。针对此问题,开展了硬脆性大理岩的室内拉剪试验,分析了大理岩拉剪破坏特征,并结合压剪试验结果,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则。研究结果表明,硬脆性大理岩破裂面在拉剪应力状态和低正应力压剪应力状态下均具有张拉剪切破坏特征,高正应力压剪应力状态下则只具有压缩剪切滑移特征;拉剪应力状态下,大理岩破裂面张拉破坏特征明显,无明显剪切痕迹,剪切力固定时,剪切位移随着轴向拉力增加而增加;凝聚力和内摩擦角受应力状态影响,凝聚力随正应力增大先减小后增大,内摩擦角则随正应力的增大而减小;凝聚力、内摩擦角随正应力的变化趋势可分为4段,拉剪段、低压应力段、中压应力段和高压应力段,每段的凝聚力、内摩擦角与正应力皆可认为是线性关系,靠近抗拉强度处,内摩擦角趋近90°,凝聚力趋于无穷大;考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则曲线分为两部分,可采用二次抛物线进行拟合的拉剪段和考虑凝聚力、内摩擦角随正应力演化的压剪段,由此建立的Mohr-Coulomb准则更全面、精度也更高。