结构面的剪切蠕变特性研究

岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。本文利用水泥砂浆制作的规则齿形结构面试样进行了剪切蠕变室内试验,针对不同角度结构面试件在不同法向应力条件下的剪切蠕变特性进行了研究,并根据蠕变试验结果,提出了结构面剪切蠕变经验公式;对结构面的长期强度特性进行研究,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性,文章最后讨论了Burgers模型对于描述结构面剪切蠕变特性的参数特征。     

循环荷载作用下岩石劈裂结构面剪切力学特性演化与影响因素研究

基于现有结构面剪切力学特性研究中对简单几何形态结构面研究多,天然形态结构面研究少,力学性质演化研究多,几何形态演化研究少的研究现状,通过巴西劈裂试验制备近天然形态岩石结构面,并采用模拟材料批量复制劈裂结构面试样的方法,开展循环荷载作用下岩石劈裂结构面的剪切力学特性演化规律与影响因素研究,分析法向应力、循环剪切次数、岩壁强度以及结构面粗糙度对循环剪切作用下岩体结构面力学特性和形貌特征的影响。最终通过在黏着摩擦理论-Barton经验公式中引入与循环剪切次数Nd有关的负指数假定劣化参数,提出了岩体结构面循环剪切强度公式。研究结果表明：法向应力、岩壁强度、结构面粗糙度越大,结构面的最大剪应力越大;法向应力、循环剪切次数、结构面粗糙度越大,岩壁强度越小,则归一化粗糙度参数越小。提出的循环剪切强度公式较好地验证了试验结果,可为工程安全设计提供理论参考。     

软弱结构面剪切蠕变特性与含水率关系研究

软弱结构面往往控制着岩体的蠕变变形,含水率又是影响软弱结构面蠕变特性的重要因素,通过开展不同含水率条件下砂岩软弱结构面剪切蠕变试验,得到了不同含水率条件下剪切蠕变曲线,并考虑加载历史对试验曲线进行了修正。在此基础上,通过模型辨识选取Burgers模型描述砂岩软弱结构面蠕变的黏弹性特性。分析了含水率对砂岩软弱结构面剪切蠕变特性的影响,并对含水率影响软弱结构面剪切蠕变特性的机制进行了探讨。     

中、高压下粗粒土-结构接触面特性受结构面形貌尺度影响的试验研究

采用改进的DRS-I型高压直剪仪进行了砂砾与不同形貌尺度的粗糙钢板结构面接触剪切试验,获得不同压力、形貌尺度条件下的剪切试验结果,分析了中、高压下的不同结构面形貌尺度与砂土颗粒平均粒径比值R（ ,相对形貌尺度）对接触面剪切特性的影响。结构面相对形貌尺度R直接影响接触面剪切过程中的力学与体变特性,中压与高压下分别呈现不同的影响规律且存在各自的峰值相对形貌尺度 与稳定相对形貌尺度 。达到峰值相对形貌尺度之前,R的增大使得接触面剪切耗能随之增加,而剪切体变在中压、高压下分别随之增加和降低;稳定相对形貌尺度之后,接触面剪切耗能与剪切体变达到稳定状态,随R的增大呈微小变化,变化幅值较小。上述规律与接触面附近一定区域的颗粒变位及破碎等机制密切相关,获得成果将为研究不同法向压力下受形貌尺度影响的结构面相对粗糙度问题提供新思路,对于研究不同法向压力下粗粒土与粗糙结构面的接触面力学与变形机制有一定借鉴意义。     

岩石拉伸剪切破裂试验研究

岩石拉伸剪切破裂是一类特殊应力状态条件下的破裂形式,属于同时受垂直于破裂面的法向拉应力和平行于破裂面的剪应力作用的复合破裂模式。在研制的DSC-800电液伺服测控岩石拉伸剪切试验仪的基础上,进行了大量花岗闪长岩和砂岩的拉伸剪切试验,开展了配套的破裂断口三维激光扫描、扫描电子显微镜（SEM）、岩石物理力学性质试验、颗粒流离散元（PFC）数值模拟等相关试验,利用分形理论研究了岩石拉剪破裂面特征,研究了岩石拉剪-压剪全区破裂准则、剪切速率对岩石拉剪破裂强度的影响,采用颗粒流离散元研究了岩石拉剪破裂过程。研究结论如下:（1）岩石拉剪破裂面的宏观与微观分形维数即粗糙度随着拉应力的增加而增大;（2）岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合。当拉应力较小时,岩石的微观断裂形式主要表现为剪切破坏,并且随着拉应力的增加,岩石的拉伸破坏形式表现得更加明显;（3）岩石在拉伸剪切区的破裂拉应力与剪应力成线性负相关关系,在拉伸剪切应力区的岩石破裂线斜率比压缩剪切区大,岩石在拉伸剪切应力条件下比压缩剪切应力条件下容易破裂;（4）在岩石拉伸剪切条件下,剪切速率与剪切强度成非线性反相关关系,随着剪切速率的增加,岩石拉剪破裂面粗糙度增加;（5）建立了岩石拉伸剪切PFC数值试验模型,模拟了岩石拉伸剪切破裂过程中的力链演化以及剪切速率对拉剪破裂面粗糙度的影响,获得了与实验室试验一致的结果。     

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。     

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。     

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。     

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     

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。     

三峡库区岩体天然结构面抗剪性能试验研究

采用自制的试验装置对取自三峡库区的含天然结构面的岩块试件进行压剪试验,通过对4组试件进行不同正压力及不同含水量(天然状态与饱水状态)下的剪切试验,绘制出其相应的变形和强度曲线,并对这几组曲线进行了对比分析。试验结果表明：岩块中结构面的抗剪强度不仅与岩块所受法向应力的大小有关,而且与岩块含水量的大小有关,即结构面抗剪强度的大小随着法向应力的增大而增大,又随着含水量的增大而减小;最后,运用最小二乘法对该结构面的抗剪参数进行了求解,且与推荐值进行了比较,对比发现二者基本吻合,说明该试验装置与试验方法在实际工程应用中是可行、有效的。     

结构面抗剪强度参数线性拟合方法适用性研究

针对岩体结构面力学参数的重要性,开展最小二乘法、点群中心法、随机-模糊法、可靠度分析法4种结构面抗剪强度参数线性回归方法的理论对比与分析。在传统点群中心法的基础上,提出求解过程严密、计算精度较高的改进优化算法。为保证可靠度分析法中验算点法参数初始赋值的准确性,提出基于可靠度理论的结构面抗剪强度参数c, 的均值、标准差优化赋值方法。以武隆县鸡尾山滑坡为例,比较不同岩体结构面数据条件下上述4种方法的适用性。结果表明,各方法的适用性与试验数据的离散性及数据量有关;当数据线性理想时,4种方法均可直接用于结构面抗剪强度参数的线性回归分析;当试验数据较离散时,点群中心法已不再适用,可根据工程要求、异常值情况和计算收敛情况选取合适的数据处理方法。     

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。     

Extended Finite Element Method for the Analysis of Discontinuities in Rock Masses

The strength and deformability of rock mass primarily depend on the condition of joints and their spacing and partially on the engineering properties of rock matrix. Till today, numerical analysis of discontinuities e.g. joint, fault, shear plane and others is conducted placing an interface element in between two adjacent rock matrix elements. However, the applicability of interface elements is limited in rock mechanics problems having multiple discontinuities due to its inherent numerical difficulties often leading to non-convergent solution. Recent developments in extended finite element method (XFEM) having strong discontinuity imbedded within a regular element provide an opportunity to analyze discrete discontinuities in rock masses without any numerical difficulties. This concept is based on partition of unity principle and can be used for cohesive rock joints. This paper summarizes the mathematical frameworks for the implementation of strong discontinuities in 3 and 6 nodded triangular elements and also provides numerical examples of the application of XFEM in one and two dimensional problems with single and multiple discontinuities.     

Rock slope stability assessment using finite element based modelling – examples from the Indian Himalayas

Numerical modelling of rock slides is a versatile approach to understand the failure mechanism and the dynamics of rock slopes. Finite element slope stability analysis of three rock slopes in Garhwal Himalaya, India has been carried out using a two dimensional plane strain approach. Two different modelling techniques have been attempted for this study. Firstly, the slope is represented as a continuum in which the effect of discontinuities is considered by reducing the properties and strength of intact rock to those of rock mass. The equivalent Mohr-Coulomb shear strength parameters of generalised Hoek-Brown (GHB) criterion and modified Mohr-Coulomb (MMC) criterion has been used for this continuum approach. Secondly, a combined continuum-interface numerical method has been attempted in which the discontinuities are represented as interface elements in between the rock walls. Two different joint shear strength models such as Barton-Bandis and Patton’s model are used for the interface elements. Shear strength reduction (SSR) analysis has been carried out using a finite element formulation provided in the PHASE². For blocky or very blocky rock mass structure combined continuum-interface model is found to be the most suitable one, as this model is capable of simulating the actual field scenario.     

Effect of different wall roughness on the frictional behavior of rock joints

Rock discontinuities play a crucial and critical role on the deformational and failure behavior of the rock mass. In most investigations, both the surfaces of the rock joints are considered to have same roughness. But, in nature, the walls of a fresh joint is only expected to be complimentary and to have same roughness. Weathered and water percolating rock joint is most likely to develop different surface roughness on the two opposite walls. So, the shear strength and frictional response behavior derived from the single joint roughness coefficient (JRC) assumption cannot be used in such a condition. To address this shortcoming, we have prepared sandstone blocks with different surface roughness and conducted experiments in a tribometer. The static friction, shear stiffness and coefficient-of-friction of the joint surfaces were calculated and their changes with increasing normal load were noted. One of the major findings of this paper is that, shear strength of the joints may not have a direct correlation with the increasing JRC value of the individual joint walls. Hence, some of the joint walls having higher cumulative JRCs were found to show lower shear strength than those with lowers roughness. This is because, the opposing walls of such joints are not anymore complementary and the frictional resistance is completely controlled by the height and contact area of the asperites.