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。     

含二阶规则起伏体结构面的剪切试验研究

通过常法向应力直剪试验研究了含不同二阶规则起伏体高度结构面的剪切特性。试验结果表明:与只含一阶起伏体结构面不同,含二阶起伏体结构面会有多峰值剪应力和波浪状的变形曲线,会出现多次剪断破坏或一次剪断破坏的破坏特征,随着二阶起伏体高度的增大,结构面剪切强度增大。     

孔隙水压力对锯齿状结构面剪切蠕变特性的影响

为探究孔隙水压对岩体结构面剪切蠕变特性的影响,自主研制了结构面一体化制作模具和多功能剪切流变仪,开展了孔隙水压力下锯齿状结构面的剪切蠕变试验,分析了孔隙水压对结构面蠕变变形、蠕变速率和长期强度的影响。试验结果表明：不同孔隙水压力下的结构面先后经历了瞬时变形阶段、减速蠕变阶段和稳定蠕变阶段,并且孔隙水压力的增大促进了结构面非线性特征的发展;随着孔隙水压力的增大,结构面瞬时位移、蠕变位移和稳态蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低的趋势。根据试验结果,考虑孔隙水压力对模型参数的影响,将蠕变模型中的瞬时剪切模量、黏性剪切模量以及黏性系数替换为孔隙水压力的函数,构建了能够反映孔隙水压力影响的结构面蠕变模型,并对模型参数进行辨识,将试验曲线和理论模型曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。研究成果对富水区岩体长期稳定性分析提供一定的理论指导。     

顺层岩质边坡结构面抗剪强度特性试验研究

针对云南省普-宣（普立至宣威）高速公路某顺层岩质边坡现场工程地质特性,按形成将结构面划分为4种类型。通过自制的加载装置,对自然状态下的一类结构面进行压剪试验,利用最小二乘法线性拟合得到结构面抗剪强度指标值,同时与基于JRC-JCS等效摩尔-库仑抗剪强度法分析结果的对比,数据结果基本吻合,验证了该装置的可行性。根据边坡结构面不同类型分别考虑填充厚度、填充物含水率等因素进行了多次剪切试验研究获取抗剪强度参数,结果表明,结构面强度参数在饱和状态下比自然状态偏小,随填充厚度增加c逐渐增大, 减少。试验结果对正确评价结构面特性及在后阶段对顺层岩质边坡稳定性计算提供参考数据,研究成果为现场结构面强度参数取值提供了简便试验方法。     

基于三维扫描和三维雕刻技术的岩石结构面原状重构方法及其力学特性

为了客观重复制作与原岩结构面的岩性、表面形态和力学性质完全一致的试样,集成三维扫描和三维雕刻技术,提出了原岩结构面试样重构新方法。采用该方法制作了具有相同表面形态的大理岩结构面试样,开展了不同法向力下的直剪试验,并采用声发射技术对结构面剪切破坏过程进行了监测。结果表明：重构结构面试样与原始结构面试样具有高度相似性;结构面剪应力-剪切位移曲线可分为两类：剪胀滑移型和剪断跌落型;剪切破坏后结构面可明显地划分为两个区域：剪胀脱开区和剪断磨损区;提出了结构面剪切强度新公式,理论公式与试验结果更接近;结构面剪切过程中剪应力、能量率、计数、撞击率随时间的变化规律具有较好的一致性,声发射定位位置与剪切过程中结构面损伤破坏区域基本吻合。     

基于机器学习的岩体结构面剪切破坏区域预测研究

剪切破坏区域是岩体结构面上下盘相对运动的主要接触区域,对抗剪强度具有重要影响。鉴于结构面剪切破坏区域与形貌特征的高度非线性关系,本文在分析结构面表面形貌特征及剪切机制的基础上,以粗糙度参数倾向、倾角、曲率、高差和孔径分布来描述结构面表面形貌特征。对结构面试样开展法向应力为1.0MPa的直剪试验,通过图像分割技术提取剪切破坏区域,利用多种机器学习方法构建结构面剪切破坏区域预测模型,建立结构面粗糙度参数与破坏状态之间的非线性关系,并采用训练准确率和AUC（Area Under Curve）值等指标对模型预测性能进行评估。结果表明所建立的模型中集成装袋树预测性能最好,其次是K最近邻,其训练准确率最高分别可达98.02%和97.38%,AUC值最高分别可达0.78和0.74。通过敏感性分析发现孔径分布对剪切破坏区域的影响最大。本研究对有效分析结构面的剪切破坏机理和准确评价抗剪强度具有重要意义。     

岩石相似材料摩擦实验装置的改进

在岩石相似材料模型试验中,摩擦实验是必不可少的实验,它用来确定节理、裂隙、滑动面等软弱结构面相似材料的抗剪强度参数。本文介绍了一种改进的摩擦实验装置,实验表明采用该装置获得的实验数据更加准确、可靠,同时,还可以利用该装置确定岩石结构面的抗剪参数。     

中、高压下粗粒土-结构接触面特性受结构面形貌尺度影响的试验研究

采用改进的DRS-I型高压直剪仪进行了砂砾与不同形貌尺度的粗糙钢板结构面接触剪切试验,获得不同压力、形貌尺度条件下的剪切试验结果,分析了中、高压下的不同结构面形貌尺度与砂土颗粒平均粒径比值R（ ,相对形貌尺度）对接触面剪切特性的影响。结构面相对形貌尺度R直接影响接触面剪切过程中的力学与体变特性,中压与高压下分别呈现不同的影响规律且存在各自的峰值相对形貌尺度 与稳定相对形貌尺度 。达到峰值相对形貌尺度之前,R的增大使得接触面剪切耗能随之增加,而剪切体变在中压、高压下分别随之增加和降低;稳定相对形貌尺度之后,接触面剪切耗能与剪切体变达到稳定状态,随R的增大呈微小变化,变化幅值较小。上述规律与接触面附近一定区域的颗粒变位及破碎等机制密切相关,获得成果将为研究不同法向压力下受形貌尺度影响的结构面相对粗糙度问题提供新思路,对于研究不同法向压力下粗粒土与粗糙结构面的接触面力学与变形机制有一定借鉴意义。     

陕西安塞城区基岩崩塌主控构造因素分析

安塞区主城区范围内的基岩地层发育一以延河为枢纽线、走向约330°的背斜构造,在基岩地层中普遍发育走向与褶皱轴面平行（320°～340°）和垂直（40°～60°）两个方位的两组张性节理,还发育有两组与褶皱轴斜交的共轭剪切节理,第一组共轭剪切节理面走向为近南北（0°～10°）和近东西（80°～90°）,第二组共轭剪切节理面走向为100°～120°和200°～210°。上述基岩中发育的、不同走向的多组节理面对研究区内具相同走向分布特征的崩塌结构控制面的发育有较强控制作用。第一组共轭剪节理中走向近东西（80°～90°）的节理面控制着研究区内发育程度最高的崩塌结构控制面,它与区内岩质崩塌的发育相关程度最高;其次是两组张性节理面分别控制着走向相同且发育程度较高的两组岩质崩塌结构控制面,第二组共轭剪节理面则控制着区内发育程度相对较低的、走向与共轭节理面相同的两组崩塌结构控制面。     

重复剪切作用下充填物对结构面力学性质的影响

目前,对于结构面的研究主要包括对剪切曲线形态的描述及结构面粗糙度、组数、充填物等因素对结构面强度参数的影响,一般情况下,这类研究的基础是结构面经受静荷载的作用。实际上,结构面也很容易遭受地震、水位升降、爆破等动力荷载的反复剪切作用,但是,至今对反复剪切作用下结构面力学特性的研究较少或缺乏系统性。笔者在室内直剪试验的基础上,研究了重复剪切作用下充填物对结构面变形和强度的影响。采用钢制模具和混凝土材料预制4种起伏角度结构面,在1.56MPa法向应力和两种充填状态下进行多次直剪试验,分析每次剪切过程中的切向应力和法向位移随切向位移的变化。通过对切向应力和法向位移随切向位移变化曲线分析可知,初次剪切时,起伏角度越大,结构面剪切破坏方式容易从滑移破坏过渡为剪断破坏;第二次剪切开始,无论起伏角度如何,结构面的剪切破坏方式基本上都转变为滑移破坏;充填物的存在基本不会改变结构面的剪切破坏方式,但会使剪切过程中结构面的爬坡效应增强,使结构面被剪断或磨损的作用减弱,峰值法向位移增大。     

翡翠玉的扫描电子显微镜（SEM）图谱研究

本文应用扫描电子显微镜（SEM）技术，研究了翡翠玉样品阳绿色部分的矿物组成，矿物颗粒大小和矿物理解面的形态特征，在此基础上，对翡的宝石学特征进行了有意义的探讨。     

不同成因结构面各向异性特征及其剪切力学特性

岩体结构面具有明显的各向异性,其直接影响岩体的变形特性、力学特性与渗流特性,因此对结构面的各向异性特征开展量化分析尤为重要。针对不同成因(劈裂、剪切)结构面,利用结构面量化参数(节理粗糙度系数JRC、节理平均倾角θ、分形维数D_B)对其各向异性特征进行了分析,研究了各向异性特征对其剪切力学特性的影响。研究结果表明:(1)在劈裂断裂结构面中,平行劈裂方向的JRC与θ值普遍大于垂直方向,且随角度变化波动较小,D_B在对角线方向变化较大,其值与所取剖面线长度有关;而在剪切断裂结构面中,平行剪切方向的JRC和θ值与垂直方向无明显差别,但D_B同样在对角线方向变化较大;(2)在评价结构面各向异性时,采用θ、D_B等参数评价时,劈裂断裂结构面与剪切断裂结构面各向异性系数无明显差别,采用JRC作为评价参数时,其各向异性系数差异较大,能较好反映不同结构面之间的差异特征;(3)剪切断裂结构面的峰值剪切荷载和法向位移均高于劈裂断裂结构面,两种结构面的剪胀角达到峰值时的剪切位移相近,剪切断裂结构面的开度分布较为集中且普遍较大,劈裂断裂结构面开度分布则较为分散。     

A model for the development of crenulations in shear zones with applications from the southern appalachian piedmont

Two sets of crenulations are associated with a major, Alleghanian, dextral shear zone which deformed stratigraphic and structural boundaries in the eastern Piedmont of South Carolina. Both sets of crenulation planes are oblique to the boundaries of the shear zone. The morphologies and orientations of the crenulation sets and their spatial distributions indicate that they are related to slip along foliation planes, and that they serve to compensate for displacement components of foliation slip normal to the overall movement direction in the shear zone. The crenulations act to maintain the initial thickness of the shear zone. Our evaluation of the recent literature on shear zones suggests that crenulations related to foliation slip are abundant and constitute a reliable sense of shear indicator.     

采动影响下巷道围岩变形与破坏的弱结构面效应

岩体中弱结构面的产状要素和力学参数是影响深部巷道围岩变形和破坏的重要因素。通过对金川矿区地下开采过程中发生的与弱结构面效应有关的巷道变形特征、破坏模式与机理分析得出,在断层附近或穿过断层开挖时,往往会引起断层活化,引发巷道变形和破坏。当在节理岩体中开挖时会使围岩中低强度的节理裂隙等弱结构面正应力减小,抗剪强度降低,从而发生相对滑移、变形。此外,与巷道开挖相比,矿体开采的影响不仅在持续时间上,还是在影响以及程度上都是造成巷道变形和破坏的弱结构面效应更加显著的主要原因。     

某水电站坝基岩体结构面室内大型直剪试验研究

岩体结构面的抗剪强度是表征岩体强度的一项重要参数,但由于原位试验受场地等诸多因素影响,难以大规模的开展,本文提出在室内用结构面大型剪切试验开展结构面的剪切特性研究,以某水电站坝基砂岩岩体中的硬性结构面为研究对象,取得了较好的成果。试验表明:结构面的多组剪切变形曲线具有一定的应变硬化的特征;达到峰值剪切强度时的剪切位移普遍较大,在8.9mm～44.5mm之间;砂岩中硬性结构面光滑面的基本摩擦角为31.4,结构面平均起伏角为6.3。     

天福庙拱坝坝肩抗滑稳定性研究

本文介绍了天福庙拱坝坝肩岩体稳定性研究,并提出了相应加固措施的建议。即在详尽的工程地质水文地质调查的基础上分析出各种可能的失稳机制,并组合出各种滑移边界条件;通过现场和室内岩体力学试验,测出构成边界条件的各种地质结构面的抗剪强度和变形常数;通过三维有限元弹性分析计算,得到应力应变和破损区的分布,检验了失稳机制和边界条件的合理性;通过刚体极限平衡法,计算出各种荷载和边界条件组合情况下的抗滑稳定安全系数;尔后针对最不稳定边界条件及其控制稳定性的主要因素,提出有效的加固措施的建议。文中还讨论了岩体和各种软弱结构面抗剪强度的取值原则、试验值的使用原则以及非均质结构面和组合结构面的综合抗剪强度问题。     

蛇蟠岛清风洞古采石场中某组结构面长期抗剪强度的反分析

以位于浙江省三门县蛇蟠岛清风洞古代凝灰岩采石场中的某组结构面（编号分别为J1～J4）为研究对象,利用反分析方法得到了结构面的长期抗剪强度参数：凝聚力c =0.078 MPa,内摩擦角? =15.76°。反分析的具体步骤如下：①假设结构面J1～J4符合摩尔-库仑准则,且岩石为均质弹性和各向同性的;②根据结构面处于极限平衡状态（即稳定性系数k =1）,列出以参数c、? 为未知数的极限平衡方程;③利用FLAC3D进行三维数值计算,并从计算结果中提取求解极限平衡方程所需的数据,并将数据代入上述方程便可得到4个二元一次方程;④求解此矛盾方程组即可得结构面的长期抗剪强度参数c、? 值     

长江中下游地区新华夏构造体系的“米字型”结构特征

构造体系由强变形构造带和弱变形地域共同构成,这些构造带和变形带可以用结构面的形式表达。构造体系结构面的分布分析,更加适用于变形规律研究,便于追索构造应力场及其演化。以长江中下游地质结构与导矿-控矿要素研究为基础,总结了新华夏构造体系结构面的“米字型”分布特征。新华夏系“米字型”构造,由NNE 25°方向挤压断裂和褶皱带、NNW 345°方向(大义山式)张扭断裂、NEE 75°方向(泰山式)压扭构造和NWW 300°方向(长江式)的横张构造组成。其演化分先后三个阶段;NNW 345°方向—NEE 75°方向的共轭剪切构造阶段、NNE 25°方向挤压构造阶段和NWW 300°方向的张性剪切构造阶段。新华夏构造体系的“米字型”构造样式的识别,为研究构造体系的应力-应变成因、探讨构造体系的形成演化以及浅部构造和深部构造相关性研究提供了重要的地质构造基础。在其它类型的构造体系中,结构面也具有“米字型”分布特征。     

重复剪切作用下结构面起伏角度对其力学特性影响研究

在室内直剪试验的基础上,研究了重复剪切作用下起伏角对结构面变形和强度的影响。采用钢制模具和混凝土材料预制4种起伏角度结构面,分别在5级法向应力下进行6次直剪试验,记录每次剪切过程中的切向应力和法向位移随切向位移的变化。通过对切向应力和法向位移随切向位移变化曲线分析可知,首次剪切时,法向应力和起伏角度越大,结构面剪切破坏方式越容易从滑移破坏过渡为剪断破坏,对于同一种剪切破坏方式,法向应力越大,对结构面磨损或剪断的作用越强烈,峰值剪胀位移越小,起伏角度越大,锯齿被磨损或剪断的高度越大;第2次剪切开始,不论法向应力和起伏角度如何,结构面的剪切破坏方式基本上都转变为滑移破坏。     

西南某水电站拱坝建基岩体缓倾结构面的连通率分析方法

连通率是岩体内部结构面发育尺寸及贯通程度的重要指标,决定着岩体的工程力学特性,对边坡、坝基等工程岩体的整体强度和稳定性评价等发挥着至关重要的作用。以西南地区某水电站拱坝建基典型岩体缓倾结构面为研究对象,根据现场岩体实测数据,基于自行开发的裂隙网络模拟程序,采用蒙特卡洛(Monte-Carlo)随机模拟方法对水电站左、右岸岩体不同剪切方向下缓倾结构面的连通率和岩体强度参数开展研究。研究表明：该水电站左、右岸岩体在不同剪切方向上的连通率是不同的,通过不同方向的角度旋转,总体获得的裂隙连通率较低;水电站右岸平洞PD02处缓倾角结构面的裂隙连通率约在27.35%左右,摩擦系数为1.04,黏聚力为0.89 MPa。研究成果可为水电工程建设提供理论参考和借鉴。