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。     

基于三维扫描与打印的岩体自然结构面试样制作方法与剪切试验验证

无法大量制作表面形态完全一致的含自然结构面的剪切试样一直是困扰岩石结构面力学试验深入研究的难题之一。借助最新发展的3D打印和表面快速扫描技术,提出了岩石自然结构面试样制作新方法。该方法采用三维扫描仪获得岩石自然结构面表面形态的高精度点云数据,然后通过逆向工程软件重构自然结构面的表面形态和含自然结构面的虚拟剪切模型,进而通过3D打印技术制作含自然结构面的PLA（绿色环保材料聚乳酸）塑材模具,最后借助PLA结构面模具在制样盒内通过相似材料浇筑成型出剪切试样,从而实现批量制作结构面形貌完全一致的相似材料结构面剪切试样,满足多种组合试样方案下岩石自然结构面的深入分析。采用这一方法针对3种岩石自然结构面进行了批量制作和剪切试验测试表明：（1）浇筑制作成试样的结构面表面高程与原始结构面高程之间的误差分析显示,岩石自然结构面可以高精度地复制到剪切试样中;（2）相同剪切试验条件下多个剪切试样的剪切位移-剪切力曲线的重合度非常高,表明制作的结构面剪切样的一致性好且试验结果离散性小;（3）通过剪切结构面试样在剪切前后的表面形态扫描分析发现,相同试验条件下自然结构面的剪切破坏形态具有非均匀性。     

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。     

基于3D雕刻技术的岩体结构面剪切各向异性研究

相同形貌结构面重复性剪切试验和各向异性剪切试验一直是岩体结构面剪切力学特性试验研究中的难点,而该问题对于工程岩体的开挖力学响应和稳定性分析、评价与控制至关重要,问题的关键在于同一种岩石的结构面形貌的再现。为此,基于3D扫描和3D雕刻技术,重复制备了3种不同粗糙度的大理岩结构面试样,开展了不同法向应力下相同形貌结构面的各向异性剪切试验。试验结果发现：（1）同一法向应力、不同剪切方向下,相同形貌结构面的剪切强度、剪胀和剪切破坏特征均呈现明显各向异性;（2）结构面粗糙度各向异性很大程度上决定了剪切强度的各向异性,两者具有较好的正相关性;（3）随着法向应力的升高,结构面剪切特征的各向异性有逐渐弱化的趋势。同时,研究还充分表明,3D雕刻技术是系统开展结构面剪切力学特征各向异性研究的可靠手段,可在将来研究中发挥更为重要的作用。     

由结构面和岩桥组成的剪切面强度特性研究

通过直剪模型试验和非线性有限元分析,研究了由结构面和岩桥组成的剪切面在不同法向应力、不同岩桥面积及不同岩桥分布型式等条件下的综合抗剪强度,较客观地评价了岩桥对剪切面抗剪强度指标的影响,初步探讨了岩桥的破坏机理。     

结构面抗剪强度参数线性拟合方法适用性研究

针对岩体结构面力学参数的重要性,开展最小二乘法、点群中心法、随机-模糊法、可靠度分析法4种结构面抗剪强度参数线性回归方法的理论对比与分析。在传统点群中心法的基础上,提出求解过程严密、计算精度较高的改进优化算法。为保证可靠度分析法中验算点法参数初始赋值的准确性,提出基于可靠度理论的结构面抗剪强度参数c, 的均值、标准差优化赋值方法。以武隆县鸡尾山滑坡为例,比较不同岩体结构面数据条件下上述4种方法的适用性。结果表明,各方法的适用性与试验数据的离散性及数据量有关;当数据线性理想时,4种方法均可直接用于结构面抗剪强度参数的线性回归分析;当试验数据较离散时,点群中心法已不再适用,可根据工程要求、异常值情况和计算收敛情况选取合适的数据处理方法。     

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     

基于透明土和三维重构技术的空间变形可视化测量系统的研究

常规的可视化模型试验中,能够观察到二维观测视窗中的位移变形,但是却无法获取三维问题的离面位移以及三维空间变形场。为此,基于透明土模型试验,自主开发了一套自动层析扫描测试装置,通过高精度电动线性平台控制着相机和激光器同步运动,获取一系列二维图片。利用改进的图像变形测量方法进行图像后处理。在此基础上,自主编写了相应的三维重构的体绘制程序,用于构建变形后的三维位移场。为了验证空间变形可视化测量系统的可行性,开展了方形基础和圆形基础透明土静压试验。试验结果表明:重构后的三维竖向位移和水平位移等值面云图的变化规律和理论预测结果以及前人文献中所提到的规律一致,三维矢量位移场可以直观地显示不同位置的土体运动规律,能弥补二维观测技术不能反映离面位移的局限性。该研究不仅可以进一步地揭示静压试验中的三维空间变形问题,同时还证明该方法对于实现物理模型试验中观测三维空间变形问题是可行的。     

基于直剪试验的岩体结构面表面温度与粗糙度关系研究

大型岩质滑坡往往伴随热效应, 热效应引起的摩擦系数降低可以用来解释高速远程现象。为了研究岩体结构面剪切破坏后表面热量产生特征, 首先, 分别利用红外热成像仪和三维激光扫描仪对直剪试验破坏后的结构面表面进行拍摄与扫描, 得到其表面温度分布与精细几何信息。然后, 利用数学统计方法获取剪切破坏后结构面表面温度分布情况; 利用改进的2D divider方法获得结构面表面三维模型的分形维数, 进行粗糙度评价。最后, 结合直剪试验正向应力数据, 分析岩体结构面剪切破坏后表面平均温度与其所受正应力以及粗糙程度两参数之间的拟合关系。结果显示:滑坡启程阶段(低速剪切)破坏中(1)岩体结构面表面粗糙程度影响剪切过程中热量的产生, 表面越粗糙, 产生的热量越多, 并且热量主要集中在结构面表面凸起部位; (2)岩体结构面所承受的正压力影响剪切过程中热量的产生, 正应力越大, 产生的热量越多; (3)岩体结构面表面粗糙度对剪切破坏热量产生的影响较所受正应力略大。研究成果为大型岩质滑坡破坏过程中的能量研究提供了技术参数与理论支持。     

3D打印交叉节理试件力学破裂特性研究

交叉节理普遍存在于实际岩体中,但其对岩体力学破裂特性的影响至今未有全面深入的研究。制作了含3D打印交叉节理试样,采用声发射、CT扫描技术和数字图像相关技术(DIC)分析手段对单轴条件下含交叉节理试样的力学及破裂特性进行了研究。研究结果表明:(1)主节理倾角较小时裂隙的分形维数DB与单轴强度、弹性模量和泊松比之间的变化关系比主节理倾角较大时的一致性更好,前者破裂模式的规律性好于后者。(2)主节理倾角较大时压密和弹性阶段节理和块体之间在张拉作用下会产生聚集性微破裂声发射事件,主节理倾角较小时不会产生这种现象。DIC应变云图中裂隙扩展路径上的微应变先于宏观破裂,可通过计算压缩条件下微应变最大区域预测破裂模式。(3)主节理对起裂角和裂隙扩展模式起主要作用,且声发射和分形特性具有统一性。次节理平行最大主应力时,总损伤主要由主节理扩展造成,累积声发射事件数量AAEE和DB均最大。AAEE和DB越大,破裂模式越复杂。(4)三维破裂模式以节理端部扩展产生的2~3个张拉翼裂隙面为主,内部三维宏观裂隙面上存在由不完全张拉破裂引起的非连续结构。