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。     

基于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。     

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。     

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。     

软-硬自然节理的改进JRC-JCS剪切强度公式

借助三维白光扫描技术和3D打印技术,浇筑了若干块含相同自然节理面、上下盘壁面强度不同的吻合软-硬节理混凝土试块,并对其进行了不同常法向应力下的剪切试验。试验表明,试件的剪胀程度随着节理壁面强度系数λ_(σc)值的增大而增大,剪切强度随着λ_(σc)值的增大而减小。同时,研究表明,对于软-硬节理,在剪切过程中,软-硬节理两侧都发生了破坏,节理的等效壁面强度JCS_(等效)受壁面强度系数λ_(σc)的影响,相对于硬节理侧,较软节理侧对等效壁面强度JCS_(等效)的贡献更大,并且这种趋势随壁面强度系数λ_(σc)的增大而增强,这也是JRC-JCS(节理粗糙系数-节理壁面强度)强度公式预测软-硬节理强度时具有一定局限性的原因。根据以上分析,以较软节理侧的壁面强度JCS软为基准,建立了关于壁面强度系数λ_(σc)的修正关系函数f(λ_(σc))来确定软-硬节理的等效壁面强度JCS_(等效),进而提出了考虑软-硬节理不同壁面强度组合类型的修正JRC-JCS剪切强度公式,该新公式是对现有的JRC-JCS强度公式的完善。     

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。     

甘肃北山地质处置库围岩节理抗剪强度经验估算

节理抗剪强度参数是地质处置库预选地段工程地质对比和围岩稳定性分析的重要指标。本文在旧井地段英云闪长岩节理分组的基础上,运用定向统计测量方法估测节理粗糙度系数,通过评价节理粗糙度系数的尺寸效应,确定节理抗剪强度经验估算有效长度,由JRC-JCS模型求得各组节理4个方向的抗剪强度参数,并评价了地质处置库围岩节理抗剪强度的各向异性特征。     

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。     

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。     

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。     

混凝土喷层支护节理岩体等效力学模型及其应用

考虑喷层在节理面局部的限剪和限裂作用,提出喷层支护节理岩体流变模型,在此基础上推导出喷层支护节理岩体的本构关系,建立了一种喷层支护节理岩体等效力学模型。采用该模型进行结构有限元计算,喷层、节理均不需要离散网格,进行等效模拟;当实际节理裂隙的数量与方向或喷层的厚度变化时,也不需要变化计算网格,从而可降低前处理工作量,为大型复杂结构的计算分析提供较大便利。最后,通过算例和实际工程验证了该模型的有效性--不仅具有离散模型便于模拟喷层真实作用机制的优点,而且具有等效模拟简单易行的优点,具有较好的工程应用前景。     

岩石结构面粗糙度系数尺寸效应的推拉试验研究

粗糙度系数是结构面抗剪强度的主要影响因素,然而由于结构面表面形态的复杂性,粗糙度系数尺寸效应研究并未获得较大进展。总结了结构面粗糙度系数的3种获取手段：标准剖面对比法、理论公式法、试验反分析法。在此基础上分析了3种方法在研究粗糙度系数尺寸效应方面存在的问题和困难。为了研究结构面粗糙度系数与试样尺寸的相关度,对中砂、硅粉、水泥、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行了研究,获得了与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作了8组共176对具有不同尺寸和表面起伏粗糙程度的结构面,并利用改进的高精度岩石结构面推拉仪对结构面粗糙度系数进行了推拉试验研究和数据统计分析,结果表明：模型结构面粗糙度系数的统计均值随试样尺寸的增加而降低,但特定结构面粗糙度系数的尺寸效应规律需要根据结构面的具体表面形貌进行测试;Barton理论公式计算的结构面粗糙度系数尺寸效应变化规律与推拉试验测试规律总体上一致,但试验值与理论值有差异,且结构面试样尺寸越小,二者的差异就越大;具有特定表面形貌的模型结构面粗糙度系数也有差异,工程大尺寸岩体结构面粗糙度系数需要根据表面形貌和分布特征进行综合判定。     

岩体结构面剪切流变试验及模型参数反演分析

针对锦屏二级水电站地下洞室群围岩富含节理的实际情况,采用弱面直剪流变仪对组成隧洞围岩的主要岩样（板岩、大理岩）进行了含软弱夹层岩石的剪切流变试验,得出岩石夹层的剪应力-剪切位移时程曲线。通过对岩石夹层试验结果的分析,得出了岩石的长期强度参数,与快剪试验获得抗剪强度参数相比较发现长期抗剪强度参数有所降低,且凝聚力对剪切流变特性的影响略高于内摩擦系数。最后通过对6种模型的拟合分析,得出了适合岩石夹层的标准线性体流变模型,在此基础上通过反演分析得到了岩石夹层标准线性体黏弹-塑性剪切流变模型,并反演了该模型的参数。     

柱状节理玄武岩体抗剪强度参数尺寸效应研究

结合柱状节理玄武岩块室内直剪试验和现场大尺度直剪试验所取得不同尺度岩块的抗剪参数试验成果,进行异计拟合回归分析得到柱状节理玄武岩体抗剪强度参数内聚力c和内摩擦系数f的尺寸效应经验表达式,认为抗剪强度参数与试样尺寸间近似呈幂函数形式。抗剪强度参数的表征单元体积研究表明,内聚力对试样的尺寸更为敏感。     

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。     

饱和土中桩水平振动引起土层复阻抗分析研究

基于Biot动力固结方程,研究了饱和土中端承桩在水平振动时产生的土层复阻抗特性。对动力固结方程进行变型,采用算子分解及分离变量法得到简谐稳态水平振动下土层复阻抗动力响应的解析解。将该解与等效单相解以及单相解进行了对比,并阐明各解之间的关系,指出可等效成等效单相解的条件。通过参数分析,剖析了渗透系数、桩土模量比和桩长径比对土层阻抗的影响。     

干湿循环条件下红砂岩软弱夹层微结构与剪切强度的关联性

极旱极涝频繁交替的极端气候事件会加剧岩土风化,降低强度,影响岩土工程结构稳定。采用直剪试验和扫描电镜技术,研究了对顺层红砂岩边坡稳定性起控制作用的软弱夹层在常温状态、干湿循环条件下（60℃风干）的力学特性及微观结构变化规律,通过相关分析、逐步回归方法得到了影响强度的微结构显著变量,构建了反映二者关联性的回归方程。研究表明：红砂岩软弱夹层剪切强度及黏聚力在1～5次循环过程中急剧降低,5次后变化趋缓,循环次数对内摩擦角变化影响微小;干湿循环次数增加,平均面积、平均直径、平均周长、定向概率熵等4个微结构参数减小,并与黏聚力呈现正相关关系;颗粒个数、平均形状系数、形态分布分形维数3个微观参数与黏聚力呈现负相关关系;分析认为,干湿循环过程中宏观力学特性蜕化及微观结构参数变化之间显著相关,干湿循环造成的岩土颗粒胀缩、碎裂、结构破坏是导致红砂岩软弱夹层剪切强度蜕化的主要原因。     

节理倾角对黄土力学特性影响试验研究

黄土节理种类多样、角度多变,是影响黄土力学性质的重要因素。为研究节理对黄土力学性质影响,开展含预制节理黄土试样单轴与三轴压缩强度试验,分析了非贯通节理对试样剪切破坏模式影响,探讨了节理倾角对黄土强度与变形特性影响规律。结果表明:节理试样剪切破坏均为压剪破坏,破坏模式可分为节理面与破裂面贯通型和节理面与破裂面斜交型,压力作用下非贯通节理尖端翼裂纹和次生裂纹不断萌生,易劣化扩展形成剪切破裂面;节理存在弱化了试样抗变形能力,单轴压缩条件下试样应力-应变曲线均呈应变软化型,预制节理降低屈服阶段变形模量,减小试样剪切破坏位移,加速试样剪切破坏;节理存在显著降低黄土强度,峰值强度与残余强度均随节理倾角呈现先减小后增大变化趋势,但变化幅度随围压增大而降低,黏聚力随节理倾角变化最为敏感,节理倾角60°时试样强度指标最低;预制节理倾角与黄土试样剪切破裂角越接近,节理面越易劣化贯通为剪切破裂面,试样抗变形能力越差,强度性质劣化越显著,试样越容易剪切破坏。研究成果为揭示黄土节理界面劣化对黄土边坡促滑机制提供参考。     

基于细观力学脆性岩石剪切特性演化模型研究

压缩作用下岩石内部细观裂纹扩展导致岩石产生损伤,其对岩石变形、强度等力学特性有着重要影响;然而,岩石内部裂纹扩展与剪切特性（黏聚力、内摩擦角及剪切应力）动态演化关系很少被研究。基于裂纹扩展机制推出的岩石应力-应变本构模型,并结合摩尔-库仑失效准则,推出了在岩石应力-应变关系峰值应力（对应岩石压缩强度）状态时,本构模型细观力学参数与岩石黏聚力、内摩擦角及剪切强度之间的状态关系。然后,引入岩石应力-应变本构关系塑性变形阶段服从摩尔-库仑屈服准则的力学流动规律,进而将已推出的应力-应变关系峰值状态点所满足的细观力学参数与黏聚力、内摩擦角关系,推广到岩石进入塑性变形后,岩石内部裂纹扩展（或应变）与黏聚力、内摩擦角及剪切应力动态演化的理论关系。随着裂纹扩展或应变增加,黏聚力、内摩擦角及剪切应力先增大,达到一个峰值点后减小,该结果与应力-应变本构曲线变化趋势相对应。通过试验结果验证了所提出理论结果的合理性。并讨论了初始裂纹之间摩擦系数对黏聚力、内摩擦角及剪切应力随裂纹扩展或应变演化规律的影响。     

地下结构抗震设计的改进等效反应加速度法

对地下结构横向抗震分析中的等效反应加速度法进行综合分析。结合算例,以动力时程法为基准,全面评价了等效反应加速度法的适用性;进而深入分析其误差来源,并做针对性改进优化,通过引入动力响应调整系数β,提出了一种改进等效反应加速度法;结合算例分析,评价了改进等效反应加速度法对不同工况的适用性。结果表明：等效反应加速度法计算所得结构内力及变形均偏小;且计算精度随地层剪切波速的增大整体呈上升趋势,但几乎不受结构埋深的影响;同时,明确了等效反应加速度法的误差源自于其忽略了地下结构对其周围土体动力响应的干扰作用,改进优化后提出了改进等效反应加速度法;相比现有等效反应加速度法,改进等效反应加速度法具有更广泛的适用性及更优的计算精度,可为地下结构抗震设计和分析提供新的计算方法。