基于节理面三维形貌的岩石节理抗剪强度计算模型

JRC-JCS模型在岩土工程领域被广泛应用,但也存在一定缺陷:其一,粗糙度系数(JRC)的二维性不能综合表征节理表面形貌的各向异性;其二,抗压强度系数(JCS)不能全面反映材料属性对节理剪切力学行为的影响。借助三维激光扫描和3D打印技术,浇筑具有自然节理形貌的人工节理试样,对其进行常法向应力下的剪切试验。将试验结果和理论推导相结合,建立了含有三维形貌参数和抗拉强度参数的抗剪强度模型。通过室内试验以及模型对比,分析了法向应力和三维形貌特征对岩石节理的抗剪强度以及剪胀角的影响。结果表明,节理剪切是以张拉为主导的破坏模式,而不是单纯的压缩破坏。不同的三维形貌特征会得到不同的初始剪胀角。随着法向应力的增大,峰值剪胀角减小,通过研究剪胀效应中峰值剪胀角的变化规律,可用于计算岩石节理的抗剪强度。     

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。     

确定岩石节理Maksimovic峰值抗剪强度准则中“粗糙度角Δφ”的新方法

岩石节理的非线性Maksimovic峰值抗剪强度准则,采用双曲线函数描述不同法向应力作用下剪胀角的变化,参数物理含义明确、适用的法向应力范围广且形式简洁。采用的参量"粗糙度角??"反映节理的粗糙程度,但由至少3组直剪试验数据回归分析确定,因此,不能采用该准则估算节理的峰值抗剪强度。通过等价关系,由已有的峰值抗剪强度准则得到用三维形貌参数表示的"粗糙度角??",提出含三维形貌参数的Maksimovic峰值抗剪强度准则。采用不同形貌节理的直剪试验数据对准则进行了验证,结果表明,计算值与试验值吻合较好,验证了公式的正确性;同时,亦与经典的Barton准则进行了对比。可用该准则预估节理的峰值抗剪强度。     

岩石节理峰值抗剪强度新模型

Grasselli提出的形貌参数充分反映了节理表面粗糙度的三维特征,Xia模型、Yang模型、Tang模型采用Grasselli提出的三维形貌参数,但Xia模型峰值抗剪强度公式不满足边界条件,Yang模型材料项不能反映节理剪切受拉破坏机制,Tang模型预测精度较低且剪胀角与法向应力关系未能体现粗糙度参数的作用,文中提出一个新的峰值抗剪强度公式弥补了上述各模型的不足之处。根据Grasselli、唐志成等、Yang等发表的63组数据对新模型进行验算,结果表明,Tang模型预测精度较低,新模型和Xia模型、Grasselli模型预测精度较为接近。此外发现,关系函数f(sn)考虑形貌参数的作用时可以有效地提高模型的预测精度。新模型公式形式较为简洁、物理意义明确、符合摩尔-库仑准则、量纲统一,可以为相关的工程研究提供参考。     

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。     

弱化节理剪切力学特征的颗粒流模拟研究

在黏结颗粒模型中引入强度弱化因子生成弱化介质材料,进行弱化模型试件的单轴抗压强度试验。结果表明,弱化作用在降低试件单轴抗压强度的同时,还将导致试件弹性模量逐步下降。这一结果符合相关室内试验的研究成果。为进一步对岩石强度弱化模拟方法进行效果检验,利用颗粒流程序内置的FISH语言建立弱化岩石节理直剪试验模型,进行不同法向应力条件下弱化岩石节理的直剪试验。结果表明：弱化节理模型试件表现出类似于真实节理的一系列宏观剪切力学特征;不同壁面弱化程度条件下,节理模型试件的抗剪强度及剪切峰值膨胀角的试验结果与法向应力的依存关系均符合经典的JRC-JCS模型。由此表明,所采用的岩石强度弱化模拟方法可以较好地再现岩石介质的强度弱化效应。通过模型试件内微裂纹发展演化特征的研究表明,壁面弱化作用可导致试件内裂纹发育数目的快速增长、微裂纹分布范围的迅速扩大,以及剪切裂纹发育比例的迅速提高,由此从细观角度揭示了弱化节理面更易于产生宏观剪切破坏的原因。研究成果可以为弱化岩石节理的抗剪强度及大型岩质边坡的稳定性研究提供参考。     

岩桥直剪细观破坏特征与剪胀效应研究

节理岩体的剪切贯通机制影响着边坡的稳定性。为揭示锁固段型非贯通节理岩体在不同连通率和法向应力下的破坏特征,在室内直剪试验中结合高速摄影与AE特征参数分析其剪切全过程及剪胀效应。结果表明:节理岩体直剪试验中,法向应力的增大及节理连通率的下降会致使峰值剪切应力及峰值剪切位移增大;节理连通率与法向应力对其破坏特征具显著影响,表现为节理连通率较高且法向应力较小时呈直接剪断的特性,节理连通率降低后呈拉剪复合破坏,出现剪胀现象,而法向应力的增大使得剪胀效应呈波动现象;AE特征与岩桥贯通过程一致,事件数峰值随节理连通率的降低及法向应力的增大而增大且位于峰后。试验得到的岩桥细观破坏特征与剪胀效应对研究锁固段型岩质边坡的贯通破坏机制具指导意义。     

循环剪切荷载作用下岩石节理变形特性试验研究

以水泥砂浆为相似材料,制备3种岩壁强度、5种起伏角度的锯齿型节理试样;利用试验设备,进行了在4种法向应力下的循环剪切试验。根据试验结果,结合循环剪切试验特点,定义剪胀角来表征节理循环剪切的法向变形特性,以及剪切刚度来表征节理循环剪切的切向变形特性。基于不同起伏角、不同强度等级和不同法向应力下的节理试样循环剪切试验结果,分析了循环剪切过程中剪胀角和剪切刚度的变化规律;并利用不同条件下的试验结果,对比分析初始起伏角度、法向应力、岩壁强度对节理循环剪切变形特性的影响规律。研究发现：剪胀角、剪切刚度均随着剪切循环次数的增加而呈现先快、后慢的降低趋势,并且中低起伏角度节理的剪胀角、剪切刚度的降低趋势随着初始起伏角度、法向应力的增加而加快,随着岩壁强度增加而变慢,高起伏角度节理的剪胀角、剪切刚度的降低趋势基本保持不变。     

不同边界条件下剪切速率对类岩石节理剪切力学特性的影响

为研究不同边界条件下剪切速率对岩石节理剪切力学特性的影响,采用RDS-200型岩石节理剪切试验系统对人工浇筑的具有相同节理形貌的不规则水泥节理试样进行了常法向应力和常法向刚度2种边界条件下5种剪切速率的直剪试验。结果表明：（1）常法向应力边界条件下,随剪切速率增大,相同法向应力下的类岩石节理峰前剪切刚度减速增大,峰值剪切强度和残余剪切强度呈对数降低;随剪切速率增大,类岩石节理黏聚力减速增大,内摩擦角呈对数降低。（2）常法向刚度边界条件下,随剪切速率增大,相同法向应力的类岩石节理峰前剪切刚度减速增大,峰值剪切强度呈对数降低,较高法向应力下的残余剪切强度先增大后减小;随剪切速率增大,类岩石节理黏聚力呈对数降低,内摩擦角减速增大。（3）与常法向应力边界条件相比,常法向刚度条件下,节理黏聚力平均增加了115.85%,内摩擦角平均降低了8.44%;相同初始法向应力和剪切速率下,峰前剪切刚度、峰值剪切强度和残余剪切强度分别平均增加了11.96%、19.47%和32.32%,峰值法向位移平均降低了40.12%。该研究结论可为不同剪切速率下地表和地下工程岩体节理的剪切失稳评价提供一定参考。     

基于方向性粗糙度参数的节理峰值抗剪强度理论模型

节理裂隙控制着岩石工程的剪切滑移稳定性。现有的节理峰值抗剪强度模型多为经验模型,且较少考虑粗糙节理峰值抗剪强度的采样点距效应及各向异性。采用3D打印技术制备了5组吻合的粗糙光敏树脂节理模具,利用水泥砂浆复制了25组相同壁面强度的人工粗糙节理,开展了5种法向应力水平下节理直剪试验。基于改进的接触面积比-视倾角门槛值关系,建立了仅含一个方向性粗糙度参数的三维粗糙节理峰值抗剪强度理论模型。该理论模型除粗糙度参数外无需拟合其他参数。对比分析发现,新模型比文献中的经验模型预测精度更高。新模型预测效果受采样点距影响较小,且能有效地反映节理峰值抗剪强度的各向异性。     

改进的Maksimovic峰值剪切强度准则的试验验证

Maksimovic峰值剪切强度准则形式简洁,参数的物理含义明确,但由于反映节理粗糙程度的特征量“粗糙度角 ”须由试验值确定,因此不可用于估算岩石节理的峰值剪切强度。改进的Maksimovic峰值剪切强度准则在继承原准则优点的基础上,采用定量化的三维形貌参数表示节理的“粗糙度角 ”。采用岩石节理的直剪切试验数据对改进的Maksimovic峰值剪切强度准则进行了试验验证,计算值与试验值具有很好的相关性,表明可以采用该准则估算岩石节理的峰值剪切强度。     

基于多尺度直剪试验的岩石模型结构面抗剪强度特征研究

开展岩石模型结构面抗剪强度特征的多尺度（尤其大尺寸）直剪试验研究对于理解岩石结构面力学特性具有重要的理论价值和实践意义。首先,基于多尺度直剪试验仪(MSJ-DST),对20 cm×20 cm、40 cm×40 cm、60 cm×60 cm、80 cm×80 cm和100 cm×100 cm的岩石模型结构面试样采用法向应力分别为200～1 000 kPa进行直接剪切试验;然后,研究不同尺寸岩石模型结构面抗剪强度的特征。结果表明：不同法向荷载作用下模型的受力变形特点相近,峰值剪切位移总体上随着某一数值附近上下浮动;在同一法向应力作用下,不同尺寸结构面试样的峰值抗剪强度表现出在某一数值附近上下浮动的特征,残余抗剪强度则表现出随尺寸的增加有小幅度增加;5级法向应力作用下,不同尺寸的峰值抗剪强度和残余抗剪强度随着法向应力的变化规律均近似相同,抗剪强度残余值与峰值的比值随着法向应力的增大逐渐增大并趋于稳定。     

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。     

基于3D打印的含复杂节理岩石直剪特性及破坏机制研究

岩体中节理的几何形态及力学特性是影响其剪切力学特性及破坏模式的重要因素之一。基于3D打印技术,建立了不同节理粗糙系数(JRC)的节理模型、几何形态节理模型和复杂裂隙网络物理模型,通过开展室内直接剪切试验分析了各组试件的剪切强度及破坏模式。结果表明节理模型的抗剪强度随JRC波动性较大,波动幅值越高,峰值剪切位移越低;平面形节理模型的峰值抗剪强度最低,矩形节理模型的峰值抗剪强度最高,正弦形和三角形节理试件的抗剪能力相近;离散裂隙网络模型和粗糙裂隙网络模型的峰值抗剪强度显著低于实心试件,考虑了节理粗糙性的裂隙网络模型抗剪强度高于直线型节理模型;实心试件破坏模式为典型脆性剪切破坏,裂隙网络模型的破坏模式相对复杂,沿着剪切方向主剪切裂面波动萌生,破断面由多个节理面的交叉点破坏与沿节理面的滑移构成。研究成果可以为3D打印技术的推广和复杂节理岩体剪切力学特性的室内试验研究提供参考。     

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。     

节理分布位置对岩体剪切破裂特征影响试验研究

节理分布位置影响岩体综合抗剪强度,并控制“锁固段”型岩质边坡启动和破裂演化。通过模型试件剪切试验,分析了节理分布位置对岩体综合抗剪强度和破裂特征的影响程度。试件模型以水泥砂浆为材料,在剪切面不同位置预制封闭节理,使其成为四周密封、内部节理贯通的模型。在不同法向应力下进行剪切试验,测定综合抗剪强度变化规律和剪切破裂特征。试验结果表明:试样破裂面可分为翼部拉张区、翼部压剪区、端部拉张区三部分,各区面积所占比例随节理位置变化而波动。剪切强度参数也随节理位置变化而规律性波动,且法向应力越大,变化幅度越大。     

峰前循环剪切作用下岩石节理剪切力学特性

微震、工程爆破等低应力循环剪切荷载作用对节理岩体工程失稳破坏具有重要影响。为研究峰前循环剪切加卸载作用下岩石节理剪切力学特性,采用RDS-200型岩石节理剪切试验系统对人工劈裂黄砂岩节理进行了峰前循环剪切下的直剪试验。通过与未进行峰前循环剪切加卸载时岩石节理力学参数预测值对比,得到峰前循环剪切加卸载作用对峰前剪切刚度、峰值剪切强度、峰值剪切位移与残余剪切强度的影响。结果表明：（1）峰前循环剪切加卸载后,当法向应力为2 MPa时,岩石节理峰前剪切刚度增大,当法向应力为4～10 MPa时,岩石节理峰前剪切刚度在循环剪切应力幅值范围内增大,在超出循环剪切应力幅值时减小;（2）峰前循环剪切加卸载后,峰值剪切强度降低了10%～20%,降低百分比随法向应力增大整体呈对数函数增大;峰值剪切位移增加了2%～40%,增加百分比随法向应力增大整体呈对数函数减小;（3）峰前循环剪切加卸载后,岩石节理残余剪切强度无明显变化,峰值剪切强度与残余剪切强度差值减小,峰后剪切应力做功损失百分比降低。     

不同粗糙度的节理直剪颗粒流分析

利用二维颗粒流程序生成5种不同粗糙程度的节理模型,并对5种节理模型进行了5种不同法向恒定荷载作用下的直剪试验,从细观角度分析了不同粗糙程度的节理模型在法向荷载下的形貌损伤情况和裂纹演化机制。与此同时,分析了节理JRC值和节理面颗粒摩擦系数对节理抗剪强度影响,并反推出了节理面抗剪强度参数Cj与?j与JRC值的关系。结果为：法向恒定荷载越大时,节理峰值抗剪应力越大,剪胀现象越小,节理形貌损伤范围越大。随着剪切的进行,上下节理面接触范围减小,微裂纹开始主要沿节理面产生,随着剪切位移的继续增加微裂纹数量显著增加,并且不局限于节理面附近而深入到模型内部。随着节理粗糙程度（JRC值）和节理面颗粒摩擦系数的增加节理峰值抗剪应力也增大。节理抗剪强度参数Cj与?j随着JRC值的增大而增大。所得结果可以为室内试验和工程应用提供参考和依据。     

锚杆锚固对节理岩体剪切性能影响试验研究及机制分析

为研究锚杆锚固对节理岩体剪切性能的影响规律及锚杆抗剪作用机制,开展不同锚杆倾角及不同法向应力作用下加锚节理岩体室内剪切试验研究,探究加锚节理岩体在法向力及剪切力作用下的变形和受力特征,对比分析节理岩体锚固前与锚固后的剪切变形规律,讨论锚杆倾角、节理面法向应力等因素对节理岩体抗剪性能的影响。试验结果表明,锚杆锚固能够有效地增加节理面的黏聚力和内摩擦角,提高节理岩体的抗剪强度;锚杆倾角对加锚节理岩体的抗剪强度及剪切变形规律有重大影响,较大的锚杆倾角有利于发挥锚杆的"销钉"抗剪作用;节理岩体施加锚杆后其剪力–位移曲线存在弹性阶段、屈服阶段及塑性变形阶段3个区段;在锚杆倾角相同的条件下加锚节理岩体的抗剪强度随节理面法向应力的增加而增大。分析试验后试件破坏形态可知,加锚节理岩体中锚杆的屈服破坏主要发生在节理面附近的区段,岩体材料由于锚杆横向的挤压作用,也会在节理面附近发生局部破坏现象。     

基于有效受剪面积的节理面吻合度量化方法研究

节理粗糙度系数-节理抗压强度（JRC-JCS）模型为岩体节理面抗剪强度估算提供了很好的思路,但对于吻合度较差的节理岩体,该模型往往过高地估算其抗剪强度。节理粗糙度系数-节理吻合系数（JRC-JMC）模型进一步考虑节理吻合度对抗剪强度的影响,为吻合程度较差的节理面的抗剪强度估算提供了很好的思路,但目前节理吻合度的量化分析还存在困难。在以往研究基础上,采用重复剪切试验的方法制备了不同吻合度的节理岩体试样,综合节理面形貌特征和节理面抗剪性能变化规律分析,提出了节理吻合度的量化计算方法。研究结果表明：（1）在重复剪切作用下,岩体节理面的抗剪强度和节理面形貌参数呈现先陡后缓的降低趋势,节理面上下盘的吻合程度逐渐降低;（2）根据剪切前后节理面形貌特征的对比分析,确定了剪切过程节理面的有效接触区域,提出了节理吻合系数JMC的量化计算方法;（3）对比分析表明,与单独考虑JRC相比,将JRC和JMC综合在一起可以更好地反映节理形貌特征对其剪切性能的影响。相关研究方法和分析结果可为岩体节理面抗剪性能分析提供较好的参考。