粗粒土与结构接触面特性的离散-连续耦合数值研究

三维变形体离散元法能够自动检索接触关系,并对具有不规则形状的粗粒土颗粒和结构物进行有限差分网格离散,因此,具有模拟离散-连续耦合问题的先天优势。采用随机模拟技术生成粗粒土三维数值试样,基于变形体离散元进行粗粒土与结构接触面特性的数值试验,研究了不同接触面粗糙程度的接触面力学特性,对比了粗粒土与结构物在单剪和直剪状态下的接触面力学特性,从宏观和细观两个层面分析了数值试验结果。结果表明,数值试验能较好地反映粗粒土与结构接触面的力学特性,其剪应力-相对剪切位移曲线与试验结果规律相似;接触面粗糙程度对接触面的强度和变形特性影响较大,其机制在于剪切对试样的扰动程度不同;直剪和单剪状态下试样剪应力-相对剪切位移均为双曲线,单剪试验的初始剪切刚度低于直剪试验,两种试验得到接触面抗剪强度指标比较接近。     

粗粒土与结构接触面的可逆性与不可逆性剪胀规律

进行了粗粒土与结构接触面的单调和往返剪切试验,研究了接触面的剪胀特性。试验结果表明,接触面的剪胀体应变是由一个完全可逆性的体应变分量和一个不可逆性的体应变分量构成的。不可逆性剪胀体应变反映了接触面内的土颗粒破碎和剪切压密两种物态变化,其变化规律与接触面的应力相对位移关系的演化规律具有相似性,是接触面力学特性演化的一个重要量度。可逆性剪胀体应变存在相变点,并表现出明显的剪切异向性,该异向性的主要内因是由于剪切引起的结构面附近土的结构异向性。基于接触面受力变形机理分析,引入有效剪应变等概念,建立了剪胀方程。     

软着陆足垫与模拟月壤界面特性研究

软着陆机构与模拟月壤滑移性能是影响月球探测器月面软着陆稳定性的重要因素。针对缓冲机构所用足垫材料-硬铝,通过直剪仪开展界面直剪试验,研究不同法向应力和剪切速率下不同相对密度模拟月壤和光滑铝板间的接触面变形、强度特性。试验结果表明,稍密时接触面无明显剪应力峰值,近理想弹塑性变形;密实条件下接触面破坏时呈现应变软化现象;法向压力增加接触面强度增加,接触面强度随剪切速率增加而降低,接触面摩擦角取26.8°～31.4°之间。     

砂土与钢材接触面剪切特性试验对比研究

为了研究砂土与钢材接触界面剪切特性,对原有的及改装后的DSJ-2型电动四联等应变直剪仪上分别进行了砂土同钢材界面的单剪试验和直剪试验,并做了对比分析。研究结果表明：1）单剪试验下在法向应力50kPa、100kPa时,砂土与钢材界面的剪应力-剪切位移关系曲线呈非线性弹性理想塑性关系,在法向应力200kPa、400kPa时呈刚塑性关系。直剪试验下在法向应力50kPa、100kPa时,砂土与钢材界面的剪应力-剪切位移关系曲线呈非线性关系,在法向应力200kPa、400kPa时呈双曲线关系;2）提出了界面抗剪强度指标的经验换算公式（直剪试验下得到的界面抗剪强度指标乘以一个小于1的系数）,以修正应用于设计的直剪试验结果。     

粗糙度对不同粒径砂-混凝土界面剪切特性影响

为探究土体与结构之间相互作用的机制,通过设计3种颗粒中值粒径d₅₀(1.21、4.56、8.91 mm)、3种结构表面粗糙度系数JRC(0.4、9.5、16.7)和3种剪切速率(1、5、10 mm/min)下的室内直剪试验,对剪切过程的应力变化、体变量进行监测,研究不同剪切速率下粗糙度对不同粒径砂-混凝土界面剪切特性影响。结果表明,d₅₀=1.21 mm时,砂与混凝土界面抗剪强度随JRC的增大而先增大后减小;d₅₀=8.91 mm时,界面抗剪强度随JRC的增大而增大。随着JRC增大,混凝土与砂土界面内摩擦角不断增大;随着颗粒粒径增大,混凝土与砂土界面内摩擦角先减小后增大。在不同剪切速率下,试样最终剪胀量均随颗粒粒径的增大而增大。剪切速率为5 min/mm时,砂-混凝土界面剪切试验最终剪胀量最小。存在某一临界粒径,当砂的颗粒粒径大于此临界粒径时,砂-混凝土界面剪切强度随JRC的增大而不断增大。     

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。     

土工织物-砂土界面的叠环式剪切试验

针对土工合成材料界面特性试验易受试验装置影响的特点,采用大型叠环式剪切仪进行土工织物与砂土的界面剪切试验。对比砂土本身、土工织物与砂土的两种剪切试验结果发现,土工织物-砂土剪切引起的叠环位移较小;叠环的水平位移变化规律与土体的剪胀性具有密切联系,土工织物限制了下剪切盒内土颗粒的运动,对达到峰值强度时的土体剪胀也具有抑制作用。由试验结果可知,筋-土界面的剪切带远小于剪切的影响范围,土工织物在界面剪切中的作用不能仅通过剪切带反映,还应考虑土工织物的屏蔽作用和对于土体剪切带形成的影响。     

初始静剪应力对粗粒土与结构接触面循环力学特性的影响

运用80 t大型三维接触面试验机,对初始静剪应力存在时粗粒土与结构接触面循环力学特性及初始静剪应力大小的影响进行了研究。循环剪切时,接触面沿初始静剪应力方向产生了明显的切向位移,且该位移与正交切向的剪切路程基本呈直线关系,该直线与初始静剪应力的夹角和初始静剪应力水平关系可用二次多项式描述。初始静剪应力大小对接触面抗剪强度、正交切向应力-应变关系形式影响较小,主要影响正交切向应力峰值、接触面剪切体变数值及剪切体变与切向位移关系等。初始静剪应力越大,该方向产生的切向位移越大,其正交切向应力峰值越小,该应力峰值对应的切向位移亦越小,接触面剪切硬化程度越高;初始剪切时接触面剪胀量越大,而后期循环剪切时剪缩量和剪胀量则越小。     

强风化角岩力学-变形特性的直剪试验研究

对深圳岭澳三期核电工程选址区域内的强风化角岩的直剪试验研究表明,强风化角岩的剪切变形存在一定的延性且呈塑性破坏,其岩体剪切强度随含水率的增长呈负指数下降趋势,水对岩体强度指标c、?具有一定的弱化作用;强风化角岩在饱水条件下只发生剪缩现象,而天然条件下先剪缩后剪胀。引入剪切刚度研究直剪试验的变形特性并考虑水对这一变形指标的影响,研究认为,强风化角岩的剪切刚度随法向应力的增加而增加,且随含水率的增加而降低,低法向应力条件下对水的作用尤其敏感,同时分析了剪切刚度的变化对边坡岩体剪切位移的影响,其结果对边坡的稳定性分析及坡体位移变化的预测具有一定的指导作用。     

重力坝岩体混凝土接触面原位剪切试验

在原位条件下,采用自行研制的大型剪切设备,分别对混凝土与砂岩体和粉砂岩体两种接触面进行剪切试验,研究接触面的剪切变形和剪切强度特征。结果揭示出剪应力变化与剪位移的关系,以及接触面破坏模式与抗剪强度的关系。     

深部硬岩剪切边界下应力诱发片帮的机制研究

深部工程开挖现场发现硬岩的剪切破坏过程对地下工程稳定性具有重要影响。深埋硬岩隧洞边墙处片帮或板裂主要为压致拉裂的结果,可通过室内单轴压缩试验来模拟;而拱肩和底角处的片帮或板裂多数是在剪切边界下形成的,需通过室内完整硬岩直剪试验来再现。针对不同类型硬岩压致拉裂型片帮,已进行了相当深入的研究,但对完整硬岩剪切边界下应力诱发型片帮的直接研究还存在着不足。为了深入研究深埋硬岩隧洞片帮或板裂的形成机制,采用FLAC3D软件模拟隧洞不同位置处围岩受开挖扰动的应力调整过程,根据中国锦屏地下实验室二期工程区域的片帮统计结果,将深埋硬岩隧洞片帮划分为压致拉裂型和剪切边界应力诱发型两类,提出剪切边界应力诱发型片帮形成过程的概念模型;利用完整大理岩设计了不同正应力下压剪破裂到剪切滑移的连续性直剪试验,试样典型片帮破坏结果验证了概念模型的合理性。     

不同含水率软弱结构面剪切蠕变试验及模型研究

软弱结构面的蠕变特性是岩体重要力学特性之一,其蠕变特性常控制着岩体的蠕变变形和长期强度。软弱结构面中充填物的含水率是影响其蠕变特性的重要因素之一,通过开展不同含水率砂岩软弱结构面剪切蠕变试验,得到了具不同含水率的砂岩软弱结构面剪切蠕变试验曲线。基于得到的剪切蠕变试验曲线,分析了含水率对软弱结构面剪切蠕变特性及长期抗剪强度的影响规律。最后通过模型辨识,采用改进的粘弹塑性模型来描述考虑含水率变化的砂岩软弱结构面蠕变特性。     

含层间错动带岩体的破坏模式及其剪切特性研究方法探讨

层间错动带存在的普遍性,给世界上许多工程带来了岩体稳定性问题和地质灾害。通过对因层间错动带导致工程岩体结构变形失效或破坏的实例进行归纳总结,采用岩体结构控制理论的观点将含层间错动带的岩体的破坏模式分为拉裂破坏、掉块和层间剪切滑移破坏3大类。以此为基础,提出剪切力学模型是层间错动带力学模型研究的重点。对层间错动带剪切力学特性的现有试验方法和建模理论进行评述,并根据现有的研究基础,提出屈服面蠕变模型是当前层间错动带剪切蠕变模型的较好选择。     

由结构面和岩桥组成的剪切面强度特性研究

通过直剪模型试验和非线性有限元分析,研究了由结构面和岩桥组成的剪切面在不同法向应力、不同岩桥面积及不同岩桥分布型式等条件下的综合抗剪强度,较客观地评价了岩桥对剪切面抗剪强度指标的影响,初步探讨了岩桥的破坏机理。     

结构面爬坡剪断耦合作用影响因子与影响规律

为研究硬性结构面剪切过程中爬坡剪断耦合作用,制作了不同高度h和坡度 组合的凸起体的硬性结构面三维模 型,开展模型剪切试验,试验结果证实了两种作用的耦合。分析剪切运动特征,提出了利用剪断面积Sj与剪切面积S的比值K定量表征爬坡和剪断耦合程度,在不同的主导作用下K值变化在0～1之间,并建立了考虑爬坡剪断耦合作用的抗剪强度算式,可评价锯齿型硬性结构面抗剪强度影响规律,得出抗压强度大的硬岩、表面起伏较平缓的结构面K值小,爬坡摩擦对抗剪强度贡献的组分大;抗压强度小的软岩、表面起伏较大的结构面K值大,岩石材料的强度对抗剪强度贡献的组分大。     

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。     

西藏邦铺矿区花岗岩剪切流变本构研究及其开挖边坡长期稳定性分析

岩体的破坏主要是沿着破坏面滑移的压剪破坏,对西藏邦铺矿区花岗岩岩样进行不同法向应力下的剪切流变试验。通过分析其剪切流变试验曲线,并基于Burgers模型,引入了一种改进非线性牛顿体黏壶,进而提出了一种改进的Burgers剪切流变模型,并利用该流变模型辨识的参数,应用于西藏邦铺矿区开挖边坡长期稳定性分析。结果表明：（1）改进的Burgers剪切流变模型,能够很好地拟合岩石流变的3阶段,对加速流变阶段的拟合结果很理想,具有较好的实用性;（2）开挖边坡稳定性分析时,考虑流变长期作用后,开挖边坡中部台阶区域位移变大,应力也发生变化,应加强该区域的支护和预警措施。     

煤岩两体模型变形破坏数值模拟

采用拉格朗日元法,在弹性岩石与弹性-应变软化煤体所构成的平面应变两体模型的上、下端面上不存在水平方向摩擦力条件下,模拟了模型的破坏过程、岩石高度对模型及煤体全程应力-应变曲线、煤体变形速率、煤体破坏模式及剪切应变增量分布的影响。结果表明,当模型的全程应力-应变曲线达到峰值时煤体内部的剪切带图案已经十分明显,在模型的应变硬化阶段,煤体中的应变局部化可视为模型失稳破坏的前兆,随岩石高度的增加,模型应力-应变曲线的软化段变得陡峭,这与单轴压缩条件下的解析解在定性上是一致的;煤体应力-应变曲线的软化段变得平缓,煤体消耗能量的能力增强;弹性阶段煤体的变形速率降低;煤体内部的剪切应变增量增加。煤体应力-应变曲线的软化段的斜率、弹性阶段煤体的变形速率、煤体内部的剪切应变增量及塑性耗散能都受岩石高度的影响,说明了岩石几何尺寸对煤体的影响(煤岩相互作用)是不容忽视的。     

剪切过程中锚杆的轴向和横向作用分析

为了分析锚杆轴向力和横向剪切力分别换算的结构面抗剪强度大小规律,依据最小势能原理的变分法,并考虑结构面剪胀特性,建立加锚结构面抗剪强度计算公式。通过加锚结构面直剪试验验证理论计算的有效性,结合理论计算公式,分析了在不同锚杆倾角下围岩强度、锚杆直径和法向应力对锚杆轴向力和横向剪切力换算的抗剪强度影响规律,以及预应力对抗剪强度的影响。结果表明：加锚结构面抗剪强度计算结果与试验结果吻合较好;当锚杆倾角逐渐增大时,锚杆轴向力发挥的抗剪强度逐渐降低,横向剪切力发挥抗剪效能逐渐增大,当锚杆倾角为120°～150°时,轴向力换算的抗剪强度基本为0,而横向剪切力换算的抗剪强度最大;随着围岩强度或法向应力的增大,锚杆轴向力换算的结构面抗剪强度减小,但随锚杆直径或预应力的增大,锚杆轴向力换算的结构面抗剪强度增大;当围岩强度和锚杆直径增大,锚杆横向剪切力换算的抗剪强度会明显增大,而预应力增大会使锚杆横向剪切力换算的抗剪强度呈现降低趋势。     

甘肃甘谷裂隙泥岩剪切蠕变行为及其修正模型研究

岩石在长期荷载作用下表现出典型的蠕变特性,裂隙泥岩在长期荷载作用下的力学性质不同于完整岩石。对甘肃甘谷赵家窑滑坡钻孔取芯的裂隙泥岩开展剪切蠕变试验,探讨轴向压应力、预制裂隙长度等因素对试样剪切蠕变特征的影响。试验结果表明:轴向荷载和裂隙长度对试样剪切蠕变特征有明显的影响。轴向压应力越大,试样剪切蠕变变形越不明显;裂隙越长,试样剪切蠕变变形越显著。应力较低时,如Cvisc模型等蠕变模型能够较好反映泥岩的蠕变力学特性。而在加速蠕变阶段,大多数模型却不能准确体现泥岩蠕变曲线的非线性变化。改进的西原模型克服了传统模型不能对非线性蠕变特征进行描述的缺点,且模型参数较少,能较好地适用工程软弱岩体。不同载荷作用下泥质软岩试样剪切蠕变过程中,裂隙泥岩剪切破坏带形成表现为渐进与突发相结合。泥岩的剪切蠕变力学模型可解释泥岩滑坡的多种现象,边坡潜在滑移带内泥质软岩发生的剪切蠕变则是泥岩滑坡的内在诱因。