不同风化程度下灰岩抗剪强度特性及估算模型研究

工程上常见的灰岩在不同风化程度下的抗剪强度特性鲜有研究,也没有快速评估灰岩抗剪强度的数学模型,不能满足大量灰岩工程灾害防治的需要。为探究风化程度对灰岩抗剪强度特性的影响规律,试验选取现场新鲜灰岩试样,通过开展室内风化模拟试验制备不同风化程度的岩样,进行室内岩石强度剪切试验,探究灰岩剪切应力-剪切位移关系曲线的变化规律和...     

岩体完整性系数确定及应用中的几个问题探讨

岩体完整性系数是一个与岩体质量和强度有关的地质参数,用于岩体完整程度划分、工程岩体质量分级等方面。然而不同的规范在岩体完整性系数的确定和应用等方面存在分歧。本文分析了岩体波速测试方法、岩体风化状态对岩体完整性系数的影响以及岩体体积节理数与岩体完整性系数的关系,并对岩体完整性系数应用中存在的问题进行了探讨。确定岩体完整性系数时,若岩块与岩体弹性波速的测试方法不同,应进行修正。所测试的岩块与岩体应处于相同的风化状态。采用岩体体积节理数确定岩体完整性系数时应考虑岩体中结构面的张开宽度和充填情况。应注意区分规范中围岩工程地质分类与岩爆判别中的围岩强度应力比的不同地质含义。     

门楼水库溢流坝段岩石与混凝土抗剪参数的确定

通过对门楼水库溢流坝段不同位置、不同深度、不同岩石风化程度在不同混凝土强度和不同含水率情况下近百块试块的室内直剪试验,研究了岩石和混凝土胶结面的抗剪强度与混凝土强度、岩石的风化破碎程度和含水率的关系。结果表明,混凝土的强度对胶结面的抗剪强度具有明显的影响;对于块状及次块状结构类型岩体,胶结面抗剪强度参数基本相同,但裂隙块体强度降低很多,部分块体破坏形态已不在是沿胶结面破坏,而是部分迁就胶合面,部分追随岩体内的结构面,并形成较大的起伏;随着含水率的增加,凝聚力和内摩擦角都明显降低。试块的抗剪强度只代表试验点的强度,为了得到建基面的抗剪强度,将岩石和混凝土的抗剪强度看作随机变量,引入区域化内变量和变异函数反映抗剪强度的随机性和结构性,通过克里格方程求得各个样本的权值,进而求出不同建基面的抗剪参数。     

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。     

JRC-JCS模型抗剪强度估算的平均斜率法

结构面对工程岩体的稳定性有着决定性的影响,结构面的抗剪强度参数是分析岩体稳定的关键的参数。本文回顾了结构面抗剪强度估算的JRC-JCS模型及其估算方法,提出了可快速估算结构面抗剪强度参数的平均斜率法,并通过对比分析阐明平均斜率法的优越性。     

基于Hoek-Brown准则的非等比强度折减方法

针对节理岩质边坡稳定性分析问题,开展了基于Hoek-Brown破坏准则的强度折减法研究。边坡的失稳过程是一个渐进累积破坏过程,破坏过程中各强度参数的衰减程度不同,在强度折减法中对应的折减系数也不同,不同折减系数间关系的确定及其综合安全系数的定义值得深入探讨。首先从岩体材料软化（硬化）特性出发,根据岩体强度参数从峰值强度到残余强度的变化规律,推导了Hoek-Brown破坏准则中3个强度参数折减系数间的数学关系式,然后以折减前后滑面上抗滑力之比定义综合安全系数来评价边坡的稳定性,最后结合算例验证了该方法的合理性,可有效应用于节理岩体边坡的稳定性分析。     

土石混合料与岩石接触面强度特性模拟试验研究

本文以土-岩接触面滑坡为工程背景，釆用中砂、硅粉、水泥等不同配合比材料，制成不同表面形状、不同抗压强度试件模拟岩石的表面凸起形状及风化程度，进行室内大型叠环单剪试验研究土石混合料与岩石接触面强度特性。结果表明:表面形状不同，土-岩接触面抗剪强度相差很大。表面起伏越大，抗剪强度越高，越接近土石混合料的抗剪强度。锯齿状(h=20 mm)＞锯齿状(h=10 mm)＞平直面(h=0)；同一起伏高度下，土-岩接触面抗剪强度表现为水波状＞阶梯状≈锯齿状＞单点凸起，但较起伏高度影响小。模拟岩石抗压强度不同反映岩石的风化程度不同，剪切过程中发生破损的程度就不同，破损使得土-岩接触面强度发生变化，岩石的风化程度是影响土-岩接触面抗剪强度的重要因素。综合分析岩石表面形状和风化程度对土-岩接触面抗剪强度特性的影响，引入结构面表面形状参数和损伤参数，给出土石混合料与岩石接触面的抗剪强度估算公式，为土-岩混合边坡的稳定性分析提供理论依据。     

基于参数劣化的软硬相间顺层边坡稳定性研究

三峡库区侏罗系地层具有独特的软硬相间的岩性组合和结构特征,侏罗系砂泥岩软硬相间地层是该地区典型的易滑地层,是滑坡集中发育的地层之一,也是三峡库区滑坡防治工作中的重点区域。为深入研究软硬相间层状岩质边坡的稳定性,通过对理论概化模型的分析,构建了软硬相间顺层岩质边坡的参数劣化计算模型。考虑风化作用对岩体结构面抗剪强度参数劣化的影响,引入空间变异函数,提出软硬相间层状岩质边坡结构面抗剪强度参数劣化模型,导出软硬相间层状岩质边坡沿层面方向抗剪强度参数劣化的函数表达式,表征了分析点的风化影响厚度与其强度参数的一一对应关系,有利于边坡稳定性的定量分析。利用该函数表达式对沿层面方向岩体的强度参数进行劣化,利用劣化后的强度参数进行稳定性评价,得到分析点至坡面距离与该点稳定系数的对应关系曲线,并结合三峡库区边坡实例进行了验证分析,指出软硬相间层状岩质边坡岩体抗剪强度参数的劣化对其稳定性评价具有较大影响,单平面滑动的稳定分析中抗剪强度参数沿层面恒定分布的假定具有一定的局限性;若不考虑结构面抗剪强度参数的劣化,可能导致稳定性计算结果偏于不安全。     

原位岩体强度与初始应力状态的关系

阐述了岩体强度与应力状态的关系,明确指出岩体强度是空间位置的函数,应作为随机函数考虑,探讨了岩体抗剪强度参数与应力状态的相关性,给出了两者间的函数关系,并且以岩体稳定性分析为例,说明在工程实践中如何考虑应力状态对岩体剪强度参数的影响。     

灌溉溶滤对西北地区红层风化泥岩不排水抗剪强度的影响

西北地区灌溉引发大量黄土-红层泥岩滑坡,其中快速滑坡的活动机理与灌溉溶滤后泥岩中易溶盐含量降低及其不排水抗剪强度密切相关。本文以兰州及其附近两处白垩系红层风化泥岩为例,探讨了溶滤后风化泥岩不排水抗剪强度的变化特征。结果显示,溶滤后风化泥岩不排水强度显著降低。其内在机理涉及两方面的水-土综合作用,其一,易溶盐流失,风化泥岩颗粒间胶结弱化,粗颗粒分散,粘粒增多;再之,粘粒增多后,泥岩内产生较高的孔隙水压力,有效应力随之降低。     

鄂西恩施地区岩石物理力学参数的相关性

岩石物理力学性质指标是反映岩体工程特性的重要参数。通过对鄂西恩施地区典型滑坡区白垩系砂岩、三叠系粉砂岩、三叠系薄层泥灰岩、三叠系粉砂质泥岩、泥盆系石英砂岩和三叠系、二叠系、奥陶系灰岩等岩石单轴抗压强度σ_c、弹性模量E、泊松比μ、岩块的块体密度ρ和纵波速度V_p等试验数据的聚类和相关分析,表明白垩系砂岩和三叠系粉砂岩、三叠系粉砂质泥岩和二叠系灰岩参数间关联模式完全一致,其中岩块密度和纵波速度的关系最密切,将两者的乘积作为组合参数进行参数关联式拟合可提高拟合精度。分别对各地层岩石拟合出考虑多种因素且形式简明的参数关联式,并对拟合残差进行正态性检验,结果表明拟合出的参数关联式比较合理。      

碳酸盐岩的声波特性研究及其应用

基于岩溶地区碳酸盐岩试样室内声波测试分析发现: ( 1)泥质灰岩和角砾状灰岩的波速比普通灰岩、灰质白云岩比一般白云岩和角砾白云岩的高。( 2)灰岩的声波、密度略大于白云岩的声波、密度,灰岩的动弹性模量、剪切模量和体积模量也比白云岩大。( 3)溶蚀程度和微小结构面对碳酸盐岩中波的传播速度影响较大,灰岩波速随风化程度的提高而降低。( 4)纵、横波速与岩石的密度具有线性关系,利用密度、波速、纵横波速比或泊松比可初步判断碳酸盐岩在岩性上的差别。( 5)声波测试和单轴抗压强度试验求得的岩石的弹性模量具有一定的相关性,利用声波测试结果可以推求实际工程中计算、设计所需的力学参数。      

Stress‐dependent elastic wave velocity of microfractured sandstone

A model for the stress‐dependent elastic wave velocity response of fractured rock mass is proposed based on experimental evidence of stress‐dependent fracture normal and shear stiffness. Previously proposed models and previous experimental studies on stress‐dependent fracture stiffness have been reviewed to provide a basis for the new model. Most of the existing stress‐dependent elastic wave velocity models are empirical, with model parameters that do not have clear physical meanings. To propose the new model, the rock mass is assumed to have randomly oriented microscopic fractures. In addition, the characteristic length of microfractures is assumed to be sufficiently short compared to the rock mass dimensions. The macroscopic stress‐dependent elastic wave velocity response is assumed to be attributed to the stress dependency of fracture stiffness. The stress‐dependent fracture normal stiffness is defined as a generalized power law function of effective normal stress, which is a modification of the Goodman's model. On the other hand, the stress dependency of fracture shear stiffness is modeled as a linear function of normal stress based on experimental data. Ultrasonic wave velocity responses of a dry core sample of Berea sandstone were tested at effective stresses ranging from 2 to 55 MPa. Visual observation of thin sections obtained from the Berea sandstone confirms that the assumptions made for microstructure of rock mass model are appropriate. It is shown that the model can describe the stress‐dependent ultrasonic wave velocity responses of dry Berea sandstone with a set of reasonable material parameter values. Published 2013. This article is a U.S. Government work and is in the public domain in the USA.     

层厚比对水平砂泥岩互层岩体抗剪强度参数的影响

现有标准规定砂泥岩互层岩体的抗剪强度参数,当层厚在5 m以下时按泥岩取值,对不同工程场景、不同的层厚比例关系未做进一步区分。引入泥岩层厚与砂岩层厚之比,即层厚比,利用FLAC3D建立不同层厚比的水平砂泥岩互层岩体三轴数值试验模型,探索了层厚比对水平砂泥岩互层岩体的抗剪强度参数和变形特征的影响规律。结果表明:当岩层总厚度不变,层厚比以0.75为界,当层厚比小于0.75时,层厚比越小岩体黏聚力越大,反应砂岩对岩体黏聚力有增大效应,在此区间内水平砂泥岩互层岩体黏聚力可按1～4倍的泥岩黏聚力取值;同样,岩体内摩擦角仅按泥岩取值也不客观,但其随层厚比的变化规律不明显。当层厚比大于0.75时,水平砂泥岩互层岩体抗剪强度参数按泥岩取值是可行的。当层厚比不变,层厚对水平砂泥岩互层岩体的抗剪强度参数有明显影响,层厚比小于0.2时,互层岩体的黏聚力随层厚变化较大;层厚比大于0.2时,互层岩体的黏聚力随层厚的变化较小,可按泥岩取值。层厚比小于0.75时,互层岩体的内摩擦角随层厚变化较大;层厚比大于0.75时,岩体内摩擦角随层厚的变化较小,可按泥岩取值。水平砂泥岩互层岩体的变形特征也同岩体层厚比和层厚有关。层厚比较小时,岩体变形发生在砂岩层,破坏范围较大;随着层厚比的增大,其变形破坏发生在软岩部分,硬岩部分基本不出现变形或出现少量变形;若岩体层厚比不变,层厚减小,岩体的变形范围变大。     

巴东组典型红层软岩单轴压缩试验细观组构特征

红色粉砂质泥岩和泥质粉砂岩是巴东组特殊性岩土的代表,具有遇水易崩解特性。根据岩样单轴压缩试验,基于PFC_2D程序,建立中硬岩、软岩单轴压缩试验数值模型;模型选用平行黏结颗粒接触模型。根据应力-应变曲线特征,采用分段定量参数标定法对软岩试样的细观参数进行标定;且通过调整法向和切向黏结强度比值σ_c/τ_c,控制试样单轴压缩破坏模式;分别对不同风化程度的粉砂质泥岩和泥质粉砂岩在饱和、天然状态下单轴压缩试验过程进行模拟;并分析了试验过程中颗粒法向接触力、切向接触力、配位数、孔隙度等细观组构参数的分布特征和演化规律。研究结果表明:该数值方法能够很好地模拟中硬岩、软岩的单轴压缩试验过程,除中风化粉砂质泥岩外,风化程度和浸水条件仅能影响试样颗粒接触力在统计角度范围的大小,不能影响其分布形式;同时,风化程度和浸水条件延长了配位数显著下降的加载时间,配位数随裂缝数量的增加而减小;浸水条件和风化程度对泥质粉砂岩的孔隙度演化影响较大;风化程度对粉砂质泥岩孔隙度演化影响较大,而浸水条件影响较小。      

Long-Wavelength Elastic Wave Propagation Across Naturally Fractured Rock Masses

Geophysical site investigation techniques based on elastic waves have been widely used to characterize rock masses. However, characterizing jointed rock masses by using such techniques remains challenging because of a lack of knowledge about elastic wave propagation in multi-jointed rock masses. In this paper, the roughness of naturally fractured rock joint surfaces is estimated by using a three-dimensional (3D) image-processing technique. The classification of the joint roughness coefficient (JRC) is enhanced by introducing the scan line technique. The peak-to-valley height is selected as a key indicator for JRC classification. Long-wavelength P-wave and torsional S-wave propagation across rock masses containing naturally fractured joints are simulated through the quasi-static resonant column (QSRC) test. In general, as the JRC increases, the S-wave velocity increases within the range of stress levels considered in this paper, whereas the P-wave velocity and the damping ratio of the shear wave decrease. In particular, the two-dimensional joint specimen underestimates the S-wave velocity while overestimating the P-wave velocity. This suggests that 3D joint surfaces should be implicated to obtain the reliable elastic wave velocity in jointed rock masses. The contact characteristic and degree of roughness and waviness of the joint surface are identified as a factor influencing P-wave and S-wave propagation in multi-jointed rock masses. The results indicate a need for a better understanding of the sensitivity of contact area alterations to the elastic wave velocity induced by changes in normal stress. This paper’s framework can be a reference for future research on elastic wave propagation in naturally multi-jointed rock masses.     

注采参数对松辽盆地干热岩物理力学及波动特征的影响

为探究注采参数对松辽盆地干热岩物理力学及波动特征的影响,对不同注采参数下高温遇水冷却后花岗岩进行纵、横波波速测试试验和抗压强度试验。分别考虑注采参数（岩样温度、水温、高温遇水循环次数） 与岩样物理力学特征（外观形态、峰值强度、弹性模量、泊松比）、波动特征（纵、横波波速） 的关联性,建立不同注采参数下力学特征与波动特征拟合曲线,并研究搁置过程中不同岩样温度、不同水温条件下岩体物理力学及波动特征变化规律。研究发现：（1） 搁置初期,岩样温度越高,质量、纵、横波波速、弹性模量降幅越大;水温升高,质量、纵、横波波速、弹性模量降幅先增大后减小。（2） 对采热过程中岩体物理力学及波动特征影响由大到小的注采参数依次为靶区温度、注水循环次数、注水温度。提升岩样温度、增加注水循环次数,岩样力学与波动特征均逐渐下降,提高注水温度变化规律与其相反;经历600℃高温,岩样纵波波速、横波波速、峰值强度、弹性模量降幅分别达到53.44%、58.02%、66.56%、79.84%,高温遇水循环5 次 后降幅依次达到33.61%、33.63%、34.22%、56%。（3） 影响岩样力学与波动特征关联性的注采参数由大到小依次为岩样温度、高温遇水循环次数、水温。此研究能够为松辽盆地热采注采参数的选取提供一定参考。     

古建筑风化石质构件力学参数的确定方法

针对目前常规确定岩石力学参数的方法只能得出岩块的整体强度,不能反映古建筑石质构件风化层内力学参数逐渐变化,无法很好地满足石质古建筑稳定性、耐久性研究的不足,提出了综合运用现场穿透波CT测试、表面回弹测试和室内试验确定风化石质构件力学参数的方法。方法的实施主要包括：通过现场穿透波CT测试,获得纵波波速在石质构件深度剖面上的分布;现场选取与欲研究的石质构件类似的岩石做室内力学试验和波速测试,得出力学参数与波速的统计关系;上述两者结合得出力学参数在石质构件深度剖面上的分布,在此基础上分析风化层内力学参数随深度的变化关系;对不同风化分区代表性石构件进行风化深度研究和表面回弹测试,得出构件表面强度比与风化深度的关系。以义乌宋代古月桥为例,对其方法进行了系统的介绍,并对古月桥承载条石风化层内力学参数随深度的变化关系以及表面强度与风化深度的关系进行了研究。研究表明：义乌宋代古月桥承载条石风化层内的抗压强度比、弹性模量比随深度呈负指数关系变化;表面强度比与风化深度呈2次多项式关系。