岩石节理在固定法向压力刚度条件下的剪切理论研究

节理在固定法向压力刚度（CNS）条件下的剪切过程比较复杂,剪切中由于剪胀的存在使得法向压力增大,而法向压力的增加又限制了剪胀的发生。根据CNS剪切过程中某一瞬时状态下法向压应力大小,以节理在该法向压应力下法向剪胀位移与剪切位移的关系为基础,建立一个楔形物理模型。通过循环迭代求得CNS剪切过程中每一步的法向压应力值,进而得到整个过程的剪切应力值。通过该模型,讨论了节理各参数对CNS剪切过程的影响,结果表明,其剪切应力值受法向压应力刚度与节理法向变形参数共同协调控制（包括单轴压缩变形及剪胀角的磨损）,节理在剪切过程中越不易发生压缩变形,其剪切应力值越大。     

常法向刚度条件下岩石节理剪切-渗流特性试验研究

为研究常刚度(CNS)边界条件下节理的剪切-渗流耦合特性,针对3种不同节理粗糙度的复制节理试样进行了3种不同刚度、3种不同渗透水压力条件下的剪切-渗流试验,全面系统地分析了法向刚度、渗透水压和节理粗糙度等因素对节理剪切过程中力学特性和渗流特性的影响。试验结果表明:节理峰值剪切强度随法向刚度的增加而增加,流量、等效水力开度和透过率随法向刚度的增加而减小;节理峰值剪切强度和法向位移均随渗透水压的增大而减小,流量、等效水力开度和透过率随法向刚度的增加而增加;通过节理面的流量随节理粗糙度的增加而减小。剪切过程中流量、等效水力开度和透过率均呈现类似于节理剪胀的三阶段变化规律:快速增长阶段、增速变缓阶段和稳定阶段;稳定阶段流量随法向刚度和渗透水压的变化近似呈线性关系,随着渗透水压的增加,粗糙程度较高的节理流速较慢。     

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。     

化学腐蚀下三峡花岗岩的破裂特征

进行了在化学腐蚀下的花岗岩单轴压缩破裂试验,利用数字显微观测系统对其实时观测。探讨了不同浓度、不同pH值和不同化学溶液对花岗岩表面的腐蚀以及力学特性的影响,分析了在化学腐蚀下花岗岩的破裂行为,给出了荷载-位移变化曲线和对应的显微图像以及各种试件的破裂特征示意图。     

Reynolds控制方程下粗糙节理渗流空腔模型研究

在研究节理的渗流时,渗流控制方程对节理渗流分析结果具有显著影响。首先介绍了节理渗流分析中的控制方程：Navier-Stokes方程、Stokes方程、Reynolds方程和立定定理,并分析了各控制方程在节理渗流分析中的适用性。以Reynolds方程作为渗流分析控制方程,建立了粗糙节理渗流空腔模型。然后以节理试件为研究对象,在实测节理三维表面形貌并计算隙宽分布后,分别进行相同渗流边界条件下的室内渗流试验和空腔模型计算,得到节理在不同接触状态下的渗流量实测值和计算值,并分别将计算结果与立方定理下的空腔模型、将整个节理简化为光滑平行板模型的立方定理以及速宝玉经验公式的计算结果进行比较,结果表明,Reynolds方程下的节理渗流空腔模型计算结果与实测值最为吻合,可以较为准确地反映节理的渗流情况。同时,根据Reynolds方程下空腔模型得到的渗流流量分布可以呈现节理渗流的曲折现象,为从本质上研究节理渗流特性奠定了理论基础。     

节理岩体法向蠕变特性的数值模拟

对含节理面的岩体模型进行数值模拟,研究节理面倾角、间距和条数等对节理岩体的轴向瞬时应变、轴向蠕变应变的影响。结果表明：(1)含单组平行贯通节理时,且节理面等间距均匀分布时,当节理面的倾角β为90°时,轴向瞬时应变和蠕变应变随节理面条数的增加几乎没有变化。当节理面条数保持不变,随着节理面的倾角β由0°增加至90°时,轴向瞬时应变和轴向蠕变应变呈先增加后减小的变化规律。(2)当节理岩体模型中含有2条交叉的贯通节理面时,竖直荷载方向与第1条节理面间的夹角,以及两条节理面间的夹角对节理岩体的轴向瞬时应变和蠕变应变均有所影响。     

考虑接触面积影响的粗糙节理渗流分析

节理中接触面积的存在使得渗流曲折效应更加明显,将对渗流产生显著影响。为了研究节理接触面积对节理渗流的影响,建立节理渗流概念模型,推导得到了节理渗流的接触面积影响系数;然后在节理渗流计算公式中引入该影响系数,得到了考虑接触面积影响的渗流计算公式。同时,由于接触面积的存在使得渗流曲折因子的计算更为复杂,在获得节理隙宽分布的基础上提出了计算节理渗流曲折因子的五点比较法。然后以人工大理岩节理试件为研究对象,在获得其三维表面形貌的基础上,一方面对其进行不同接触状态下5级法向应力作用下的渗流试验;另一方面,在根据节理试件的三维表面形貌数据计算节理的渗流平均曲折因子和接触面积比的基础上,分别采用考虑接触面积影响的渗流计算公式和Zimmerman计算公式对节理试件在不同法向应力作用下的渗流体积流量进行计算,并将计算结果与实测值进行比较。结果表明：考虑接触面积影响的渗流计算公式计算结果与实测值吻合较好,从而验证了考虑接触面积影响的渗流计算公式的正确性,而Zimmerman计算公式高估了节理的渗流流量。     

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。     

岩石节理微生物诱导碳酸钙沉积封堵渗流演化规律试验研究

微生物诱导碳酸钙沉积技术(microbially induced calcite precipitation,MICP)在土体加固中应用广泛,但在岩体封堵领域的研究成果还不多见。为了研究岩石节理MICP封堵机制,以透明树脂模拟粗糙岩石节理试件为研究对象,考虑MICP反应影响因素,开展了6种不同工况下的岩石节理MICP封堵室内试验,得到了MICP封堵过程中岩石节理导水系数和水力隙宽变化规律以及相应的碳酸钙时空分布图像。试验结果表明：MICP封堵过程中岩石节理水力隙宽随灌注轮次大致呈线性减小趋势,且水力隙宽减小速率与岩石节理中碳酸钙分布情况密切相关,而MICP反应过程中碳酸钙分布又受灌注速率、固定液、菌液和反应液灌注时长、静置时长等因素影响;6种工况中灌注速率较大、先灌注菌液和固定液静置一段时间再灌注菌液和反应液、灌注和静置时间最长的工况4封堵效率和效果最佳,在仅灌注2轮的情况下可将岩石节理导水系数由40.51×10^–6m²/s减小至0.52×10^–6m²/s,降幅达98.72%,对应的水力隙宽值由0....     

节理泥质粉砂岩卸荷流变试验及流变规律研究

为了解节理对泥质粉砂岩卸荷流变规律的影响,进行了同起始围压,不同应力水平下的节理泥质粉砂岩分级卸荷流变试验。首先,详细介绍了节理试样的预制方法及卸荷流变试验的过程,然后,研究了节理试样在不同应力水平作用下的轴向及侧向流变应变变化规律,得出节理倾角为0°的试样轴向及侧向流变应变随围压降低的增大趋势最陡,节理倾角为60°的试样其次,节理倾角为40°的试样最缓。同时,分析了节理对轴向及侧向流变速率变化趋势的影响,探讨了不同倾角节理试样的卸荷流变破裂机制。研究结果较为全面地掌握了节理泥质粉砂岩的卸荷流变基本规律,为进一步建立节理岩体的流变本构模型及参数辨识提供了可靠依据。     

酸性溶液化学腐蚀作用下花岗岩单轴压缩力学性能试验

通过对花岗岩进行酸性溶液浸泡处理,探究酸性腐蚀下花岗岩试块的物理力学性能及微观结构变化。具体方法是花岗岩试块在不同时间(30、60、90 d)、不同p H值(p H值为1、3、5)下经硝酸溶液浸泡后,进行单轴压缩试验,破坏后的碎片使用扫描电子显微镜观察花岗岩试块微观结构。结果表明,酸性溶液对花岗岩试块有劣化效应,主要为分解反应。p H值≤5的硝酸溶液浸泡90 d后,试块单轴抗压强度略有升高,推断是由于分解反应得到的二氧化硅悬浮液脱水后成为硅质胶结物,最终由于胶结作用使得花岗岩单轴抗压强度略有升高。准确且有效的变化规律需要进一步进行试验。     

非贯通节理花岗岩剪切断裂力学特性及声发射特征研究

为探究节理岩体在压剪复合作用下的断裂力学行为与破坏机制,采用完整及非贯通节理花岗岩开展了剪切试验,从宏观力学特性、声发射信号特征、颗粒流细观演化规律等多角度进行解析,并提出了一种利用声发射信号特征及其关键信息点预判花岗岩剪切破坏的方法。研究结果表明：节理破坏了岩石完整性,降低了岩石的剪切刚度和峰值剪切强度;此外,节理的存在会影响裂纹的扩展路径和破坏模式,且这种影响会随着法向应力的增加而削弱。法向应力和节理对声发射特征点影响显著,声发射信号的缓慢增长及b值的持续下降可作为岩石剪切破坏的前兆特征;利用声发射信号特征及其关键信息点可以有效预判花岗岩的剪切失稳破坏过程。该研究成果为节理岩体剪切破坏机制分析及其稳定性预测提供了一定参考。     

非规则砂岩节理剪切变形本构关系试验研究

岩石节理剪切变形对岩体工程的安全性和稳定性具有重要影响。为研究常法向应力下岩石节理剪切变形本构关系,采用RDS-200型岩石直剪仪对非规则砂岩节理进行了不同法向应力下的直剪试验。根据岩石节理剪切应力?位移全程曲线形状特征,将其依次划分为峰前压密阶段、线性阶段、屈服阶段和峰后软化阶段;根据剪切应力在峰后软化阶段降低幅度和速率大小,将岩石节理剪切应力?位移曲线划分为3种类型：峰后平台型、峰后缓降型和峰后跌落型。基于岩石节理剪切应力?位移曲线各阶段剪切变形特征,采用分段函数建立了岩石节理剪切变形本构模型。与其他模型相比,新提出的岩石节理剪切变形本构模型对试验数据拟合精度更高,更好地描述了岩石节理剪切应力?位移全程曲线。另外,在通过岩石节理直剪试验由经验公式确定模型参数之后,所提出本构模型可在不同法向应力下实现对不同粗糙度岩石节理剪切应力?位移曲线的预测。研究结果对岩石节理剪切变形的数值模拟和工程估计具有一定的实用价值。     

化学腐蚀-冻融综合作用下岩石损伤蠕变特性试验研究

为探讨化学腐蚀-冻融综合作用对岩石损伤蠕变特性的影响规律,选取大东山隧道石英岩和石英砂岩开展研究。将岩石试件在不同化学溶液中经历不同冻融循环次数后,采用电镜扫描对岩石表面细观特征进行分析。并开展岩石三轴蠕变试验,分析化学腐蚀-冻融综合作用对岩石瞬时应变、蠕变应变、蠕变速率和长期强度等参数的影响规律。研究结果表明:化学腐蚀-冻融综合作用导致岩石发生损伤,岩石损伤程度随着冻融循环次数的增加而增大,化学腐蚀影响程度由大到小依次为HCl溶液、NaOH溶液和NaCl溶液;岩石各蠕变力学参数随着冻融次数和溶液环境的改变而明显变化。随着化学腐蚀-冻融作用加剧,岩石试件破裂形态有由脆性向延性转变的趋势。冻融循环和化学腐蚀对岩石损伤是相互促进的,双因素耦合作用对岩石损伤和蠕变特性影响均大于单因素的影响。     

渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响试验研究

为研究渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响,通过对6组人造节理试件恒定法向载荷和恒定法向刚度的压剪渗流试验,分析了应力和位移、节理水力开度以及透过率随剪切位移的变化趋势,获得了渗透水压对节理岩石应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明：节理试件的剪切应力和位移、水力开度以及透过率都与渗透水压密切相关。剪切应力随渗透水压的增大而减小,法向变形、水力开度和透过率却随渗透水压的增大而增大。在压剪渗流试验过程中,不同渗透压力的节理试件都发生了剪胀效应。研究可为深部岩体工程围岩遇水作用稳定性及渗流灾害控制技术提供科学的理论依据。     

新型数控岩石节理剪切渗流试验台的设计与应用

岩石节理的应力渗流耦合性质对工程结构稳定性的影响普遍存在于各种岩体工程中,而进行岩石节理的室内剪切-渗流耦合试验,是一种有效的研究手段。采用新型数控岩体节理剪切渗流耦合试验台,应用全数字伺服控制系统,实现了对试验进程的平稳控制以及试验数据的多路同步实时采集和处理;通过剪切盒的精细设计,提高了剪切盒可承受的渗透压力值,并保证试验过程密封性能良好的同时实现了柔性边界条件。在恒定渗透压力作用下,分别进行了不同边界条件下的剪切渗流耦合试验,试验结果验证了该试验装置的可靠性和实用性,将能为岩体工程的合理设计提供有效数据依据。该试验台可以应用于地下核废料储存、水利水电地下洞室、水下隧道、采矿等工程有关问题的研究中。     

循环剪切荷载作用下含二阶起伏体模拟岩石节理力学特性研究

利用人工材料浇注含二阶起伏体的模拟岩石节理试样,进行常法向荷载循环剪切试验,研究节理剪切力学特性在循环剪切过程中的劣化规律。试验结果表明：二阶起伏体对节理循环剪切力学特性有重要影响,剪切强度、剪切刚度、剪胀角随剪切循环次数增大而衰减,衰减趋势随着二阶起伏度的增大而加快;法向应力、二阶起伏度较大时,二阶起伏体对剪切力学特性的影响主要体现在第1轮剪切循环中,在随后的剪切循环中影响不明显;法向应力、二阶起伏度较小时,二阶起伏体的影响在前几轮循环剪切过程中均有较清晰的体现。基于Hertz接触力学理论,提出了节理面微凸体球面接触细观模型,揭示了节理循环剪切宏观试验现象的力学机制     

含预制节理岩体卸荷条件下力学特性试验研究

节理对卸荷条件下岩体的力学性质有重要影响。通过含2条不同间距预制断续节理岩体的三轴卸荷破坏试验,研究了节理岩体在卸荷应力条件下的应力-应变特征、强度、变形特征、破坏规律及节理间距对岩体力学性质的影响。研究表明：相比于完整岩体,节理岩体卸荷破坏时从峰值强度跌落至残余强度过程中轴向应变较大,为完整岩体的3～4倍,岩体破坏时极限强度明显低于完整岩体,脆性特征不如完整岩体明显;节理岩体卸荷破坏时,变形模量有较大幅度的降低,其降低程度是同条件下完整岩体的6～7倍,节理间距越大,变形模量降低程度越大;与含预制节理岩样三轴加载试验结果相比,节理岩体卸荷条件下破坏程度更为强烈,除剪切破裂面外,沿最大主应力方向分布的不同级别的张性裂隙非常发育,预制节理的间距对岩体破坏形态影响不大。     

基于3D打印技术的柱状节理岩体试样力学特性试验研究

为了研究柱状节理岩体各向异性力学特征,基于白鹤滩水电站坝基柱状节理岩体的几何形态,引入一种可溶于水的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol,简称PVA）材料,通过3D打印技术建立具有不同倾角的柱状节理网络结构,采用水泥砂浆作为类岩石材料制备柱状节理岩体试样。通过开展室内单轴压缩试验,分析了柱状节理岩体试样在单轴压缩应力下的各向异性力学特征。结果表明：柱状节理岩体的各向异性特征依赖于节理的倾角。柱状节理岩体的峰值强度和模量随着节理倾角的增加均呈现出近似U型曲线;试样主要产生垂直于柱体轴向的张拉裂隙、沿节理面的剪切裂隙和平行于柱体轴向的拉伸裂隙。通过力学各向异性评估发现峰值强度和残余强度各向异性程度为0.68和0.52,弹性模量和变形模量的各向异性程度为0.61和0.63。研究成果为柱状节理岩体的各向异性力学特性研究提供参考。     

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。