蒙特卡罗模拟在节理岩体抗剪强度研究中的应用

首先介绍了蒙特卡罗模拟的理论基础,然后,以具体工程为例分析了利用该方法模拟节理岩体抗剪强度的具体方法和步骤。将模拟结果与利用其他方法获强度的可行性与可靠性。     

组合节理面抗剪力学特性的模型试验研究

本文研究了处于同一平面上的两组性能各异、交替出现的子节理面所组成的组合节理面的抗剪力学性质。通过对脆—脆、脆—塑、塑—塑三种类型的组合节理面的模型抗剪试验,得出了组合节理面的抗剪强度与各单体(又称子节理面)材料在组合节理面上所占的面积、单体交替出现的次数及抗剪方向等之间的关系。这些结论在实际工程应用方面有着非常重要的意义。     

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。     

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。     

能量原理在确定岩石节理抗剪强度方面的应用

为了确定剪胀节理的剪切强度，人们已开始运用能量原理研究岩体结构面（Ｌａｄａｎｙｉ和Ａｒｃｈａｍｂａｕｌｔ，１９７０）。本项工作基于分析规则的粗糙起伏面，并且假定其是不可变形的。自然条件下的复杂岩体结构面中，很难辩认出要测量的有代表性的起伏角。Ｌａｄａｎｙｉ和Ａｒｃｈａｍｂａｕｌｔ通过假定等价结构面的张开度和结构面的有效起伏将其成果推广到天然节理。显然，这种等量假设不是普遍适用的，而且可能导致结构面     

锚固节理直剪力学行为的颗粒流数值分析

为探究锚固节理在直剪加载作用下的细观力学响应,利用颗粒流数值计算方法建立不同锚固角度下的锚固节理数值模型,并进行不同法向荷载下的直剪试验。之后,通过分析和对比剪切-位移曲线和峰值剪切强度来对锚固节理宏观力学性质进行研究。与此同时,基于微裂纹分布规律,从细观角度揭示了剪切荷载下不同锚固角度的岩石节理面的破坏特征;研究结果显示。（1）不同于非锚固节理,锚固节理的剪切-位移曲线在剪切后期呈现出一定的增长趋势,且粗糙度不同曲线变化特征存在一定的差异。（2）不同锚固角度下,锚固节理的破坏模式存在着较为明显的差异。当锚固角为90°时,锚固节理模型的破坏主要集中于锚杆与上下节理面接触位置,且破坏主要为挤压式破坏。随着锚固角度的减小,接触位置的破碎区域不断减小,节理破坏主要表现为沿着锚杆的轴向拉伸变形破坏及内部的拉伸破坏。（3）锚固角度的变化对锚固节理的抗强度的影响程度与节理面的粗糙度存在一定关联。具体而言,较为平直节理抗剪强度随着锚固角度的增大,增长趋势明显,而粗糙节理面随着锚固角度的增大峰值抗剪强度的变化趋势相对较为平缓。     

不同充填度岩石分形节理抗剪强度的数值模拟

在对岩石节理进行分形模拟的基础上,建立了岩石分形充填节理直剪试验数值分析模型,采用数值模拟方法,研究了充填度与岩石分形充填节理抗剪强度之间的关系。结果表明,随着充填度的增大,分形节理抗剪强度总体上呈非线性减小。当充填度小于1时,随着充填度的增大,分形节理抗剪强度迅速减小,节理抗剪强度受节理表面形态、充填物力学性质以及壁岩力学性质的共同影响;当充填度大于1时,节理抗剪强度主要受充填物力学性质的控制,强度参数接近于节理充填物的强度参数。     

节理粗糙度系数的分形估算

节量剖面粗糙度可以被认为是具有有限生长的分形结构。为了模拟节理粗糙度，基于传统的科契曲线，本文建立了节理剖面的广义分形模型。根据节理凸起体的平均基底长度L^*和平均高度h^*两参数，可直接得到节理剖面的分维数，即：D=log4/log[2(1 cos tan^-1(2h/L)]，此分维数D与节理粗糙度系数具有密切关系。其经验关系是：JRC＝85．2671（D－1）^0.5679。因此，可以说本文所提出的分形分析技术为估算JRC值提供了一种新的方法。     

节理裂隙边坡锚注加固机制及特性研究

本文通过对节理裂隙边坡锚注加固模型的力学推导,得出锚注加固工法可以提高岩石边坡弱面抗剪强度和抗剪刚度的结论;指出锚注结构可以充分发挥锚杆和注浆体各自的材料潜能,从而避免锚杆单独作用所存在的弊端;结合某高速公路边坡加固工程,阐述了锚注加固工法的技术特点及工艺流程,指明压力注浆可以针对边坡岩体的薄弱环节,直接进行有效的处理,使边坡的稳定性得以提高,并就边坡锚注加固施工中存在的技术问题,提出相应的处理措施.     

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。     

自然与饱水条件下异性结构面的剪切特性研究

利用室内剪切试验装置,开展不同正应力、自然与饱水条件下岩体异性结构面的剪切试验,分析异性结构面的剪切变形和强度特性,利用JRC-JCS抗剪强度力学模型将试验结果与计算结果进行对比分析。结果表明,（1）异性结构面的剪切变形曲线属于弹塑性残余变形类型。相比自然状态试件,饱水试件的弹性区减小,较早进入峰值区或塑性区;（2）异性结构面的剪切刚度均随法向力的增大而增大,但同一正应力下饱水试件的剪切刚度要小于自然状态的剪切刚度,在低法向力下尤为显著;（3）水对岩体异性结构面剪切强度参数有不同程度的弱化,尤其对内摩擦角 的劣化明显;（4）只要计算参数选取得当,并考虑实际岩体的受力及水等情况,JRC-JCS计算模型可以为实际工程岩体的结构面强度提供较为准确的参数。     

不同因素影响下层间错动带颗粒破碎和剪切强度特性试验研究

为了获得不同初始颗粒粒径分布和含水率对层间错动带颗粒破碎和剪切强度特性的影响,通过对比泥夹碎屑、泥夹粉砂、全泥型3种不同层间错动带类型与现场3种不同含水率（10%、7%和3%）试样在法向压力2～10 MPa作用下的反复直剪试验和剪切面颗粒粒径分析试验结果,可得出以下结论：①粗颗粒越多（d60越大）,采用相对颗粒破碎势Br量化的颗粒破碎程度越大;②较干颗粒（低含水率）由于磨损产生了更多的细小颗粒,而较湿颗粒（高含水率）由于破裂和摩擦产生了较大颗粒;③粗颗粒仅对峰值抗剪强度产生一定的影响,且粗颗粒越多,残余强度包线非线性越强;④黏聚力和内摩擦角随含水率线性减小,且低含水率试样残余强度包线非线性最强;⑤残余内摩擦角随颗粒破碎后的黏粒含量（<2 μm）线性减小。提出的残余内摩擦角初步预测公式可供实际工程参考。     

携剪实验和JRC-JCS模型在结构面抗剪强度取值中的应用

以某工程边坡中的岩体结构面为研究对象,为得到较合理的抗剪强度参数,分别使用携剪试验和JRC-JCS模型得到两种参数,然后在对比分析各实验结果的基础上综合取值.结果表明,携剪试验受取样制约,所得抗剪强度值大于实际,而JRC-JCS模型利用现场回弹仪试验和结构面实际粗糙值,所得强度值更接近实际.     

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。     

基于3D打印技术的岩体结构面各向异性剪切力学行为

结构面形貌特征是影响结构面剪切行为的重要因素,而且结构面形貌特征的各向异性与其剪切力学行为的各向异性之间存在一定的联系。利用三维激光扫描和3D打印技术模拟了天然结构面,并以水泥砂浆为材料浇筑了尺寸为100 mm×100 mm×150 mm的含结构面试样,开展了不同法向应力下沿不同方向的剪切试验。结果表明,结构面的剪切行为具有明显的各向异性,这种特性可以体现在峰值剪切强度及相应的剪切位移和抗剪强度参数上;在低法向应力条件下,峰值剪切强度各向异性的强弱程度与法向应力之间并非呈现简单的单调变化关系;抗剪强度参数c（黏聚力）、f（内摩擦角）值沿不同剪切方向的变化趋势总体上较相似;通过分析不同剪切方向上c、f值相对于0°方向的差异程度,可以发现剪切方向对c值的影响更为强烈。移动阅读     

Comparison between Empirical Estimation by JRC-JCS Model and Direct Shear Test for Joint Shear Strength

In order to study the reliability of the empirical estimation of joint shear strength by the JRC(joint roughness coefficient)-JCS(joint compressive strength) model,natural rock joints of dif-ferent lithologic characteristics and different sizes were selected as samples,and their shear strengths under dry and saturated conditions were measured by direct shear test and compared to those esti-mated by the JRC-JCS model.Comparison results show that for natural rock joints with joint surfaces closely matched,the...     

结构面剪切强度参数三维分形估算

现有结构面剪切强度参数经验估算公式多建立在结构面形态二维描述基础上,对结构面形态的三维特征考虑不够。作者自行研制了结构面形态三维量测设备,对结构面表面形态进行三维量测,将量测结果与分形理论相结合,采用分形维数表征结构面三维形态特征。在对大量硬性结构面剪切试验结果及表面形态描述结果进行统计分析的基础上,提出将JRC-JCS估算公式中的JRC用分形维数的表达式替换,进而建立了基于结构面表面形态三维分形表述的剪切强度估算公式:τ=σntg[(6.12D-13.53)lg ((JCS)/σ_n)+φb]。实际应用结果表明,改进后的估算方法能得到令人满意的结构面剪切强度参数。     

高压力下层间错动带残余强度特性和颗粒破碎试验研究

针对某水电站层间错动带的原状样与重塑样,模拟现场地应力条件,在试验法向应力高达10 MPa条件下开展了反复直剪试验。试验结果表明：原状样峰值强度高于重塑样,但强度下降较快,二者残余强度趋于一致;此外,试样发生了大规模的颗粒破碎,采用颗粒相对破碎势Br量化重塑样剪切面附近区域与非剪切面附近区域颗粒破碎程度,对比发现,前者颗粒破碎程度高于后者,且破碎机制不同;剪切面颗粒破碎是高压力下残余强度包线非线性的根本原因：剪切强度的下降（残余强度与峰值强度的比值）与Br和S2（试验前后小于粒径< 2 µm 颗粒含量的比值）呈线性关系,颗粒破碎导致的能量释放和不断产生的黏粒（< 2 µm）降低了剪切强度。     

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