岩石拉伸剪切破裂试验研究

岩石拉伸剪切破裂是一类特殊应力状态条件下的破裂形式,属于同时受垂直于破裂面的法向拉应力和平行于破裂面的剪应力作用的复合破裂模式。在研制的DSC-800电液伺服测控岩石拉伸剪切试验仪的基础上,进行了大量花岗闪长岩和砂岩的拉伸剪切试验,开展了配套的破裂断口三维激光扫描、扫描电子显微镜（SEM）、岩石物理力学性质试验、颗粒流离散元（PFC）数值模拟等相关试验,利用分形理论研究了岩石拉剪破裂面特征,研究了岩石拉剪-压剪全区破裂准则、剪切速率对岩石拉剪破裂强度的影响,采用颗粒流离散元研究了岩石拉剪破裂过程。研究结论如下:（1）岩石拉剪破裂面的宏观与微观分形维数即粗糙度随着拉应力的增加而增大;（2）岩石的微观断裂形式是拉伸破坏和剪切破坏的结合。当拉应力较小时,岩石的微观断裂形式主要表现为剪切破坏,并且随着拉应力的增加,岩石的拉伸破坏形式表现得更加明显;（3）岩石在拉伸剪切区的破裂拉应力与剪应力成线性负相关关系,在拉伸剪切应力区的岩石破裂线斜率比压缩剪切区大,岩石在拉伸剪切应力条件下比压缩剪切应力条件下容易破裂;（4）在岩石拉伸剪切条件下,剪切速率与剪切强度成非线性反相关关系,随着剪切速率的增加,岩石拉剪破裂面粗糙度增加;（5）建立了岩石拉伸剪切PFC数值试验模型,模拟了岩石拉伸剪切破裂过程中的力链演化以及剪切速率对拉剪破裂面粗糙度的影响,获得了与实验室试验一致的结果。     

分散性土动剪切模量影响因素的试验研究

分散性土耐冲蚀性低、抗渗性能差,在纯水中具有很高的分散性,严重威胁水利工程的安全。在分散性土的鉴别和改性方面已有很多成果,但分散性土动力特性的研究见诸报端的还很少。利用日本诚研社生产的DTC-199型电液伺服加荷往复扭剪三轴仪,对取自宁夏某碾压均质土坝的分散性土的动剪切模量进行了探索。通过改变试样的含水率、干密度和围压等初始条件,研究分散性土在不同试验条件下的动力特性及剪切模量的变化规律,并进行对比分析。得出：分散性土的动剪应力-应变关系符合Hardin-Drnevich双曲线模型;控制初始条件,当其他条件相同时,含水率越低,动剪切模量越大;干密度越大,试样动剪切模量越大;围压越高,其动剪切模量越大;初始剪切模量及最大动剪应力的变化规律与之相似。动剪切模量随动剪切应变的增大普遍呈衰减趋势。     

单轴压缩黏性土剪切带相互作用及损伤试验研究

剪切带损伤研究对于理解材料破坏机制和建立剪切带本构模型具有重要意义。为了研究单轴压缩黏性土样的剪切带损伤演化规律,根据纵向应变较高时清晰剪切带位置布置切向测线,对数字图像相关方法获得的结果进行双三次样条插值,从而获得光滑性较好的各种应变场。将土样整体的损伤变量-纵向应变曲线与各条剪切带的损伤演化曲线进行了对比。研究发现：（1）总体上,土样整体的损伤变量演化曲线呈线性,而各条剪切带的损伤变量演化曲线均上凹,这表明随着纵向应变的增加,各条剪切带的损伤发展越来越快;（2）各条剪切带的损伤变量演化曲线的轮廓线呈马尾形,这说明随着剪切带的逐渐发育,各条剪切带的相互影响和作用规律变强;（3）对于含水率较低的土样,平行或共线剪切带的损伤变量变化基本同步,特别是在剪切带充分发育之后,但两条剪切带的距离应较小;在一定时期,共轭或交叉剪切带中剪切带的损伤占优,这与剪切带的相互竞争有关,但若两条剪切带达到独立发展的程度,则二者的损伤变量变化可以同步;对于含水率较高的土样,各条平行或共轭剪切带的损伤变量变化基本同步,剪切带的相互作用不明显。     

剪切速率对重塑饱和黏土强度影响试验

对不同干密度的重塑饱和黏性土进行直剪试验,探讨了剪切速率对重塑饱和黏性土剪应力-剪位移曲线的影响,分析了内摩擦角随剪切速率的变化关系。试验结果表明,干密度越小的重塑土,剪切速率对其内摩擦角的影响越明显。剪切速率主要影响剪切面附近的孔隙水压力,进而影响土体抗剪强度。剪切速率越大,剪切面周围超孔隙水压力越大,使土体总强度降低。在相同的法向应力下,不同剪切速率引起的剪切面周围孔隙水压力增量与抗剪强度差值成正比关系。当剪位移为7 mm时,剪切速率越大,土颗粒位移比较平直,剪切破坏面越平整。      

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。     

内蒙武川—固阳—大佘太韧性剪切带与金矿

内蒙中部武川—固阳—大余太东西向韧性剪切带内发育明显的糜核岩显微组构。据剪切带内糜棱岩形成温压条件(t=300～400℃,P=0.25～0.5GPa),表明它是绿片岩相变质—变形环境。剪切应变值γ=5.77～3.47。变形是以简单剪切为主,兼有压扁作用。剪切带南侧是早元古宙强烈线性构造活动带,北侧是晚太古宙花岗岩—绿岩带。剪切带形成在早元古宇,早期表现为自北向南的推覆韧性剪切作用。岩金矿(化)床沿着剪切带分布。尤其在后期脆性破裂叠加及中酸性岩浆岩所在部位,金矿进一步富集,说明本区岩金矿的形成是多阶段成矿作用的结果。     

Undrained Shear Strength in Cohesive Soils Estimated by Directional Modes of In-Situ Shear Wave Velocity

The estimated undrained shear strength (s_u) is often not a unique value because it can be evaluated by various test types and/or procedures, such as different failure modes, shear strain rates, and boundary conditions. This study explores (1) the relationship between reference undrained shear strength and in situ shear wave velocity in terms of the effective overburden stress, and (2) the independent relationships to evaluate the undrained shear strength with special consideration of different directional and polarization modes (VH, HV, HH shear waves), which has not been reported. This evaluation is done via a worldwide database compiled from 43 well-documented geotechnical test sites associated with soft ground. Finally, new correlation models are proposed to estimate the undrained shear strength based on the in situ shear wave velocity as well as the plasticity index or the overconsolidation ratio. The application of the shear wave velocity–undrained shear strength relation is illustrated through two independent case studies. The proposed relationships are expected to contribute to reasonable estimates of undrained shear strength as well as offer practical guidance on even extrapolation beyond the data that is available to geotechnical engineers.     

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。     

Pipe-soil shear interaction stiffness in horizontal directional drilling and pipe bursting

During horizontal directional drilling and pipe bursting installations, the shear forces between the pipe and the surrounding soil play a major role in the tensile loads and stresses experienced by the pipe. The magnitudes and variations in the shear forces are controlled by the pipe-soil interaction characteristics. This paper discusses the shear interaction between the pipe and the soil during those trenchless installations. A pipe-soil interaction mechanism is described that quantifies the relationship between the shear force and shear displacement, as well as the shear force at which sliding takes place. A simple analytical approach, as well as a finite element procedure, is employed to provide guidelines on practical values of the pipe-soil interaction stiffness and to investigate the effect of some soil and geometric parameters on the interaction stiffness magnitude.     

Fault-valve behaviour in optimally oriented shear zones: an example at the Revenge gold mine, Kambalda, Western Australia

Quartz vein systems developed in and adjacent to shear zones host major gold deposits in the Kambalda region of the Norseman–Wiluna greenstone belt. At the Revenge Mine, two groups of mineralised reverse shear zones formed as conjugate, near-optimally oriented sets during ESE subhorizontal shortening adjacent to a major transpressional shear system. The shear zones developed at temperatures of about 400°C in a transitional brittle–ductile regime. Deformation was associated with high fluid fluxes and involved fault-valve behaviour at transiently near-lithostatic fluid pressures. During progressive evolution of the shear system, early brittle and ductile deformation was overprinted by predominantly brittle deformation. Brittle shear failure was associated with fault dilation and the formation of fault-fill veins, particularly at fault bends and jogs. A transition from predominantly brittle shear failure to combined shear along faults and extension failure adjacent to faults occurred late during shear zone evolution and is interpreted as a response to a progressive decrease in maximum shear stress and a decrease in effective stresses. The formation of subhorizontal stylolites, locally subvertical extension veins and minor normal faults in association with thrust faulting, indicates episodic or transient reorientation of the near-field maximum principal stress from a subhorizontal to a near-vertical attitude during some fault-valve cycles. Local stress re-orientation is interpreted as resulting from near-total shear stress release and overshoot during some rupture events. Previously described fault-valve systems have formed predominantly in severely misoriented faults. The shear systems at Revenge Mine indicate that fault-valve action, and associated fluctuations in shear stress and fluid pressure, can influence the mechanical behaviour of optimally-oriented faults.     

含金剪切带的类型划分及成矿机理

含金剪切带型金矿床是一种重要的新型矿床类型。本文系统地总结了含金剪切带的特征,提出了含金剪切带的几何学和运动学分类方案,并以成矿源,成矿场、成矿期和成矿相等方面论述了含金剪切带型金矿床的剪切动力成矿机制,建立了过渡型和叠加型两类动力成矿模式。     

超固结粉质黏土快速大剪切力学特性

本文借助于先进的多功能大型高速高压环剪试验机,通过进行不同应力历史、剪切速度和正应力等条件下的系列试验,对吉林长春地区广泛分布的超固结粉质黏土在快速大剪切位移条件下的力学响应特性进行了试验研究。试验结果显示,前期固结历史和剪切速度不仅对超固结粉质黏土的抗剪强度变化具有显著的影响作用,并且对于其峰后应变软化亦产生明显的影响。在相同剪切速率和正应力条件下,前期固结压力越大,其峰值强度和残余强度值越大。不同剪切速度下的试验结果表明,在具有相同应力历史的条件下,峰值强度和峰后应力降低随着剪切速度的增大而增大。剪切速度越快越有利于土应变软化的产生以及剪切面的形成。在快速大剪切条件下对长春地区超固结粉质黏土抗剪强度变化起主要作用的是剪切过程中土体结构的变化和剪切面的生成,而剪切过程中孔隙水的作用并不显著。     

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。      

Simple-Shear Rheological Properties of Shallow Clay Layer in Shanghai

This paper presets the results of simple-shear rheological tests for the shallow clay layer in Shanghai and the rheological parameters of this clay layer, such as shear parameter, viscosity and long-term strength etc. , by using the obtained relationship among stress, strain and time. The test results show that with certain density and water content of the clay and shear stress less than the yield value, the relationship between shear stress and shear strain for the same shear duration can be obtained by superposition theorem. Because of its linearity, likewise, the relationship between long-term shear flow rate and shear stress also hold true thus, from the linear portion of the curves mentioned above the shear modulus G and viscosity η can be obtained . however , when shear stress is beyond a certain yield value, the curve becomes non-linear. This yield value can be regarded as long-term strength of the soil . In rheological experiments these parameters are all functions of time.     

剪切带运动学：重点评述三斜模式和区分韧性滑动擦痕与拉伸线理的重要性

详细评述了剪切带运动学和内部几何学研究的新进展。剪切带内的递进变形一般为三斜对称,单斜剪切带(包括简单剪切带)是特例情形。理论模拟表明,如同许多天然剪切带中所见到的,在三斜剪切带中,拉伸线理的方位可从近水平到平行于倾向连续变化。过去一般将拉伸线理的方向当作剪切运动方向的做法是以简单剪切模式为基础的,不适合于一般剪切带。在三斜剪切带中,拉伸线理和剪切方向之间不存在简单关系。然而,C面上的韧性滑动擦痕平行于剪切方向发育,是剪切方向的可靠标志。因此,在剪切带运动学解释中区分韧性滑动擦痕与拉伸线理非常重要。     

自反力双剪面大型剪切仪研发及应用研究

原位直剪是测定土石混合料强度参数最为普遍也是最可靠的试验方法之一,但是现有原位直剪仪在试验过程中存在法向加压系统不合理、无法预留剪切缝等多方面的缺陷,影响试验结果的精度。本文对传统原位剪切仪进行有针对性的改造,研制出自反力双剪面大型剪切仪,该大型原位直剪仪有以下特点:（1）设备自身提供水平反力;（2）剪切过程中垂向加压系统固定,无需滚轴排;（3）剪切盒之间可预留可调节宽度的剪切缝,适用性更广;（4）装置模块化程度高,便于搬运、组装和拆卸。通过与单环剪切仪进行现场对比试验发现,与单环剪切仪得到的试验结果相比,自反力双剪面大型剪切仪得到的剪应力-剪切位移曲线为标准双曲线,并且可得到大剪切位移情况下的剪切曲线,通过大剪切位移曲线读取的最大剪应力更贴合实际。与单环剪切仪得到的抗剪强度值相比,内摩擦角低4.6°,而黏聚力高41.14 kPa。同时通过对两种剪切仪得到的剪切破坏面进行图像对照,可明显发现自反力双剪面大型剪切仪得到的剪切破坏面较为平整,未出现单环剪切仪对的剪切破坏面下凹现象。     

减围压平面应变压缩试验条件下丰浦砂中剪切带特性研究

不同于常规土体单元试验中恒定围压的应力路径,进行了减围压（卸载）应力路径下丰浦砂的平面应变压缩试验,研究了初始围压和初始相对密度对砂土的剪切强度和剪切带特性的影响。结合二维数字图像（DIC）相关方法,分析剪切带的形成过程,对剪切带的厚度和倾角及其影响因素进行定量地分析。研究结果表明,剪切带形成于峰值剪切强度之前;对于密实丰浦砂试样,随着围压的增加,其剪切强度(最大有效主应力比)减小且峰值强度出现越晚,剪切带厚度减小而剪切带倾角变化不大;丰浦砂试样的相对密度越高,剪切强度越大且峰值强度出现越早,剪切带厚度越小而剪切带倾角越高。此外,基于峰值内摩擦角的Coulomb公式可以较好地预测平面应变试验条件下丰浦砂的最大剪切带倾角。     

小浪底水库1#滑坡体非饱和土强度特性试验研究

在改进的非饱和土三轴仪上运用3级持续加荷固结排水试验法,对小浪底水库1#滑坡体非饱和土的强度特性进行了三轴试验,研究了目前在非饱和土的试验研究中极少关注的试样轴向变形过大（即剪破）和剪胀对非饱和土基质吸力、抗剪强度及各特征关系的影响。结果表明：高密实度试样通过升高负孔隙水压力数值这样的内部应力调整来抵消受剪时的剪胀趋势,这个过程将增大试样的基质吸力,并对试样强度有增强作用;剪胀对抗剪强度的影响类似于饱和土,总体上对之产生负影响;多级试验中试样的提前剪破将降低后续围压下试验测得的抗剪强度,并在最终计算中得到比真实值更大的黏聚力和更小的内摩擦角,剪破后的后续围压试验测得的抗剪强度接近残余抗剪强度。     

非贯通节理岩体直剪试验研究进展

基于典型的直剪试验,国内外学者提出了非贯通节理岩体贯通破坏机理,并建立了相应的强度准则,如Jennings方法,即加权平均强度理论和强度准则、Lajtai岩桥破坏理论和强度准则、断裂力学的II型破坏理论和强度准则,拉剪复合破坏和强度准则。然而,非贯通节理岩体破坏机理目前还没有完全弄清楚,已建立的强度准则所包含的重要参数还需深入研究,如：如节理面的传压系数、传剪系数、弱化了的岩桥内摩擦力和内摩擦角等;非贯通节理岩体节理闭合和剪切的本构关系有待建立;不共面非贯通节理岩体全过程最大抗剪强度需进一步研究。伺服直剪试验机、静态应变测试仪、声发射仪、X射线测量等无损检测技术能够为进一步研究非贯通节理岩体的破坏机理,提出新的理论和建立新的强度准则提供强有力的技术支持。     

基于多尺度直剪试验的岩石模型结构面抗剪强度特征研究

开展岩石模型结构面抗剪强度特征的多尺度（尤其大尺寸）直剪试验研究对于理解岩石结构面力学特性具有重要的理论价值和实践意义。首先,基于多尺度直剪试验仪(MSJ-DST),对20 cm×20 cm、40 cm×40 cm、60 cm×60 cm、80 cm×80 cm和100 cm×100 cm的岩石模型结构面试样采用法向应力分别为200～1 000 kPa进行直接剪切试验;然后,研究不同尺寸岩石模型结构面抗剪强度的特征。结果表明：不同法向荷载作用下模型的受力变形特点相近,峰值剪切位移总体上随着某一数值附近上下浮动;在同一法向应力作用下,不同尺寸结构面试样的峰值抗剪强度表现出在某一数值附近上下浮动的特征,残余抗剪强度则表现出随尺寸的增加有小幅度增加;5级法向应力作用下,不同尺寸的峰值抗剪强度和残余抗剪强度随着法向应力的变化规律均近似相同,抗剪强度残余值与峰值的比值随着法向应力的增大逐渐增大并趋于稳定。