Coalescence of offset rock joints under biaxial loading

Crack coalescence in rock masses was studied by performing a series of biaxial compresion tests on specimens made of rock-like material. Specimens of size 63.5 × 27.9 × 20.3 cm, made of 72% silica sand, 16% cement (Type I) and 12% water by weight were tested. The joint inclination angle was maintained at 45°, while the offset angle i.e. angle between the plane of the joint and the line that connects the two inner tips of the joints, was changed from 0° to 90° with an increment of 15°. Three levels of lateral stress were used; 0.35 MPa, 0.7 MPa and 1.5 MPa on each sample. HP data acquisition system was used to record the data for each sample. In each sample, four LVDTs were fixed to measure the axial and lateral displacement along the sample. The failure mechanisms were monitored by eye inspection and a magnifier to detect crack initiation and propagation. For each test, the failure surfaces were investigated to determine the characteristics of each surface. Wing cracks initiated at the tip of the joint for the low confining stress applied, while at higher confining stresses wing cracks also initiated at the middle of the joint. Secondary cracks initiated at the tip of the joint due to shear stress. Three modes of failure took place due to coalescence of the secondary and wing cracks. The bridge inclination was the main variable that controlled the mode of failure. For bridge inclination of 0°, the coalescence occured due to shear failure and for bridge inclination of 90° the coalescence occurred due to tensile failure while for the other bridge inclinations coalescence occured due to mixed tensile and shear failure.     

一种适用于各向异性土体的破坏准则

自然界的土体通常具有各向异性的特点,而传统的破坏准则大多只适用于各向同性的土体。结合应力张量和反映材料各向异性状态的组构张量,定义了修正偏应力及其不变量,提出了适用于各向异性土体材料的破坏准则。给出了共轴条件下正交各向异性和横向各向异性材料在一般应力空间的破坏曲线以及不同应力区中主应力系数b与摩擦角的关系曲线,并分析了它们的特性以及与各向同性材料相应曲线的区别。通过与真三轴试验数据的比较,表明该准则能很好地描述各向异性土体材料的强度特点。     

基于微结构张量理论的柱状节理岩体各向异性强度分析

复杂的结构面是控制岩体力学性质的主要因素,由结构面引起的岩体各向异性一直是岩体力学研究的热点问题。柱状节理是一类特殊的岩体地质结构面,具有强烈的各向异性特性,微结构张量理论是目前国际岩石力学领域一种较有效地探讨结构面各向异性问题的新方法。材料的微结构张量和加载向量是微结构张量法描述的两个重要参量。采用多组节理面局部坐标系与整体坐标系的投影关系,定义了材料的微结构张量计算方法,引入各向异性参数ψ表述微结构张量在加载方向的投影,将其引入Jaeger针对岩体沿节理面滑动破裂提出的基于Mohr-Coulomb强度准则,得到了多组节理岩体的各向异性强度准则。同时,结合白鹤滩坝址区的柱状节理特性,分析柱状节理引起的各向异性对坝址区稳定性的影响     

双轴应力下非贯通节理岩体压缩损伤本构模型

针对目前节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理长度、倾角等几何性质,而未考虑节理抗剪强度等力学性质的不足,基于断裂力学中的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学中的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了在双轴应力下含单条非贯通闭合节理岩体的损伤变量计算公式,并根据断裂力学理论对双轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子KⅠ、KⅡ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用,给出了单组单排及单组多排非贯通节理尖端应力强度因子计算公式,由此建立了相应的节理岩体双轴压缩损伤本构模型,并利用该模型进行了相应的算例分析。结果表明：对含单条非贯通闭合节理的岩体而言,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为0,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小;对含单组单排非贯通闭合节理的岩体而言,当节理总长度一定时,随着单条节理长度的减小及节理条数的增加,岩体损伤则逐渐减小,但其减小幅度与节理条数并不呈线性关系。     

冲击荷载作用下岩石破坏机理预测

将岩石看作由彼此之间有内摩擦的颗粒团组成。利用力学模型分析了在冲击荷载作用下岩石破坏过程,阐述了岩石破坏后的力学行为。认为冲击荷载区域的变形近似为一维变形状态。冲击荷载作用在岩石中产生的应力波可以看作类似于冲击波的短波,在波阵面附近的某个狭窄区域内将发生参数的急剧变化。根据岩石介质中粒子运动速度的强弱应力状态发生由弹性状态向内摩擦状态的转变,最终达到流体力学状态。     

混凝土在动态双向压力作用下的强度和变形特性

在大型液压伺服混凝土静动三轴试验系统上对立方体试件进行不同应变速率下的压缩试验,系统研究了混凝土在双向压应力状态下的动态强度和变形性能,两轴向加载的比例为1 : 0,1: 0.25,1: 0.5,1: 0.75,1 : 1五个级别,加载速率分别为10-5,10-4,10-3,10-2/s四个量级。试验表明：随着应变速率提高,任一应力比例下混凝土的极限强度均有提高,应变速率每增加一个量级,混凝土剪切破坏面相对低应变速率下的破坏面提高2 %～10 %;弹性模量随着应变速率的增加也有增加的趋势;应力-应变曲线的线性段随着应变速率的增加明显扩展,非线性段的弯曲程度减弱;应变速率对双向应力状态下的双向破坏模式影响不大。     

Deformability characteristics of a rock mass under true-triaxial stress compression

In this paper an experimental study was planned on rock mass model with three joint sets under triaxial and true-triaxial stress states to assess the influence of joint geometry and stress ratios on deformational behaviour of rock mass. The physical models were composed of three continuous orthogonal joint sets in which joint set-I was inclined at angle θ=0°, 20°, 40°, 60°, 80° and 90° with x-axis, joint set-II was produced at staggering s=0.5 and joint set-III was kept always vertical. Thus, rock mass models with medium interlocked smooth joints (ϕ _j =36.8°) were simulated under true triaxial compression (σ₁>σ₂>σ₃). Modulus of rock mass shows anisotropy with joint inclination θ which diminishes with increase in σ₂/σ₃ ratio. The rock mass at θ=60° shows the highest modulus enhancement (599.9%) whereas it is minimum (32.3%) at θ=90°. Further two empirical expressions for estimation of deformation modulus were suggested based on experimental results, which were developed by incorporating two basic concepts, e.g. Janbu’s coefficients and joint factor, J _f.     

基于统计岩体力学的岩体强度特征分析

结构面的存在改变了岩体力学性质,影响了岩体强度特征。基于统计岩体力学强度判据,结合摩尔-库仑准则,得到了含单组结构面岩体破坏的4种不同方式和相应的结构面倾角范围,推导了岩体强度由结构面控制转化为应力控制的临界围压表达式。在此基础上,根据岩石和结构面参数之间的关系,将含单组结构面岩体分为4类,并探讨了可能破坏方式和发生破坏的条件。最后,举例分析了含单组结构面闪长岩的强度特征,结果表明,该岩体属于第I类岩体,在垂向受压时先沿结构面后沿岩块破坏,临界围压为9.12 MPa;从全空间分析,该岩体强度各向异性显著,围压增大可使岩体在一些方向上受力时强度由结构控制转化为应力控制。     

动载下节理岩体破坏过程的数值试验研究

节理岩体是工程中最常见的一类岩体,其在地震、爆炸等动载下的力学响应及破坏过程对相关工程安全性的影响至关重要。采用基于有限元应力分析和统计损伤理论开发的动态版RFPA2D数值模拟软件,对动载下节理岩体的动态破坏过程进行了模拟,重点讨论了节理条数、节理贯通度、节理倾角及应力波峰值对岩体动态破坏过程的影响规律。计算结果表明,断续节理岩体动态破坏过程及破坏强度与节理构造形态、应力波峰值密切相关。相同动载下,随着节理条数的增加,岩体破坏程度以及应力波能量损失增强,但当节理条数数超过一定值后,岩体破坏程度及应力波能量损失逐渐趋于稳定;节理贯通度较小时,岩体破坏程度较低且破坏单元自上而下均匀分布。随着节理贯通度的增加,岩体破坏增强,且破坏主要出现于节理上部岩体;节理倾角较小时,节理上部岩体破坏严重,易形成次生贯通裂纹。随着节理倾角增加,破坏范围逐渐变大,不易形成次生贯通裂纹;倾角为45°～60°时,岩体破坏效果最佳;动载荷的峰值越大,试样的破坏越严重。当峰值达到一定值时,节理附近发育出多条裂隙并向上下方不断发展而导致岩体完全破坏。在不同节理贯通度工况下与岩石霍布金森压杆（SHPB）试验结果进行比较,结论吻合,证明该数值模拟的合可行性和结论的可靠性。     

层状边坡岩体的屈曲和溃屈性态研究

在对层状边坡岩体结构进行稳定性分析的过程中,屈曲和溃屈是两个主要问题。针对边坡岩体结构的赋存特点和分岔特性,以及研究方法仅采用线性理论和已有研究成果只停留在结构屈曲层面上的状况,文章应用初始后屈曲理论和突变理论探讨了岩体结构的屈曲性态和溃屈性态,给出了边坡岩体上部滑动段滑动的条件,得出了边坡岩体的分岔方程和溃屈方程,指出了分岔方程的适用条件和溃屈方程的适用范围,确定了边坡岩体后屈曲状态下溃屈破坏的下限,建立了岩体结构溃屈破坏的判据,并以雅砻江下游的霸王山边坡为例进行研究。结果表明：边坡岩体的赋存状况决定了其势函数的分岔集,从边坡的分岔集可衍生出结构在分岔状态下的分岔载荷和分岔方程;分岔方程表达了边坡岩体结构的屈曲状态,也表达了结构出现屈曲的准则;边坡岩体的赋存状况还决定了岩体结构溃屈破坏时岩体材料屈服的取值范围,而岩体结构溃屈破坏的上限或下限则取决于岩体材料的屈服极限。     

复杂应力路径下杭州原状软黏土破坏标准研究

采用空心圆柱扭剪仪对主应力轴方向固定不变定向不排水剪切应力路径下杭州原状软黏土破坏标准进行试验研究,重点探讨了中主应力参数b、大主应力方向角?及孔压积累对剪切过程中黏土抗剪强度的影响,并提出原状软黏土剪切破坏的标准。试验结果表明,中主应力参数的变化没有对应力应变变化模式和试验应力路径产生影响,随着中主应力参数的增大,黏土抗剪强度的变化并没有呈现出一定的规律性;大主应力方向角对原状软黏土强度的影响反映出原生各向异性对黏土抗剪强度的控制作用;黏土样在剪切后期会产生显著的孔压积累,影响了黏土强度的发挥。考虑中主应力参数等影响因素,通过分析广义剪应力-应变曲线的变化情况,取广义剪应力qJ的峰值作为原状软黏土的剪切破坏标准。     

结构面三维网络模拟在岩体质量评价中的应用

岩石质量指标RQD是反映工程岩体完整程度的定量参数,广泛用于水利水电、矿山、地下工程、交通工程等岩体稳定性评价,但是传统的RQD定义不能满足实际工程岩体各相异性要求。针对贵州黔中水利枢纽工程拱坝坝基岩体结构面特征,利用Monte-Carlo法在计算机上生成岩体节理三维网络图,建立了模拟计算不同阀值t的岩石质量指标RQDt的计算机模拟方法。该方法能较真实客观地描述岩石质量。     

节理化岩体复合式滑移破坏的模型试验研究

针对节理化岩体的自身特点,提出沿岩体层面产生的应力集中以及层面与节理之间的残余完整岩桥破坏,将可能导致岩体产生复合式滑移破坏。并在室内利用岩石三轴刚性伺服机,通过模型试验对岩体的层面和一组与层面正交的节理的情况进行模拟研究,分析了结构面性状和围压对复合式滑移破坏的影响,给出了在贯通性结构面(层面)倾角、非贯通性结构面以及围压等因素共同作用下,节理化岩体发生复合式滑移破坏的条件以及破坏面特征。在与前人的试验资料进行对比分析的基础上得到可靠的结论,期望为在将来的实践工作中正确评估节理化岩体的破坏模式提供指导性意见。     

软岩洞室最优支护的广义SMP准则解与对比研究

现有洞室最优支护设计均基于Mohr-Coulomb（简称M-C）准则,不能真实反映岩石强度的中间主应力效应以及围岩的三向不等应力状态。基于广义SMP准则和稳定蠕变J3准则,考虑中间主应力对岩石强度的提高作用,建立了软岩洞室最优支护力与围岩允许最大位移的理论解答。洞室最优支护解答对M-C准则、外接圆Drucker-Prager（简称D-P）准则均具有很好的拓展性,且工程实例验证了其正确性。研究结果表明：3种强度准则结果间的差异实际反映的是对中间主应力效应的不同考虑,M-C准则和外接圆D-P准则对应的结果是两个极端情况,推荐选用广义SMP准则解答;岩石长期强度是洞室最优支护设计的关键参数,围岩凝聚力与内摩擦角的影响亦很显著,应合理测定岩石的强度参数并充分考虑变异性。     

极震区岩体地震动力破坏若干问题探讨

汶川地震时极震区产生了严重的地震地质灾害,其中强烈地震动造成的岩体动力破坏是造成灾害的根本原因。从极震区含义、地震动特征、岩体地震动力破坏概念、地震松动岩体和方法论等方面初步探讨了极震区岩体地震动力破坏问题。极震区是未来地震的潜在震源区,区内的地震属于直下型。极震区地震动具有不同于非极震区的地震动特征,岩体地震动力破坏的复合性特点就是地震动的不确定性造成的。对极震区岩体动力破坏概念的理解应考虑地震动的特点。地震松动岩体是极震区地震动造成的一种特殊破坏类型,是形成震害次生灾害的重要原因。岩体工程地质力学等学科的思想方法和技术手段为研究极震区岩体地震动力破坏这一命题提供了良好的基础,预测和评价极震区因岩体动力破坏造成的工程震害和地质灾害,减轻和预防未来地震时的灾害损失,是极震区岩体地震动力破坏研究的目标和方向。     

基于离散裂隙网络模型的节理岩体渗透张量及特性分析

节理岩体几何结构非常复杂,研究其渗流特性对于指导含水岩层稳定性分析具有重要价值。应用离散裂隙网络模型DFN方法,基于VC++6.0软件平台,建立了平面渗流分析方法,分析了节理岩体不同几何分布情况下的渗透率张量特征,通过定义渗流定向性系数对岩体渗流的定向性特征进行了定量分析。结果表明：单组节理岩体渗流具有明显的各向异性特征,渗流定向性随着节理角度变化显著;节理随着节理贯通性增加,节理渗透率呈现对数增加趋势;两组节理情况下,各向异性特征随着节理组间夹角变化;两组节理岩体渗流特征研究中,正交分布下,岩体仍存在各向异性,但渗流定向性系数较低;当节理倾角服从正态分布时,随着节理倾角标准差增大,渗透率增加;两组节理夹角不同时,节理渗透主方向倾角随着夹角增大而相应增大,基本沿两组节理夹角方向的角平分线方向。     

含交叉裂隙节理岩体单轴压缩破坏机制研究

对含交叉裂隙相似材料试件进行单轴压缩试验,用Abaqus对含交叉裂隙节理岩体进行应力分析,研究了含交叉裂隙节理岩体单轴压缩下的破坏机制。结果表明：交叉裂隙的主裂隙与加载方向呈30°、45°时,主裂隙是裂隙扩展及破坏的控制裂隙,此时含交叉裂隙岩体强度高于含单向裂隙岩体,是由于主裂隙裂尖最大环向应力σθmax低于单向裂隙;主裂隙与加载方向呈0°或90°时,次裂隙是控制裂隙;主裂隙与加载方向呈0°时,大部分次裂隙裂尖σθmax及裂尖最大应力强度因子KⅡmax高于单向裂隙,因此,此时大部分含交叉裂隙岩体强度低于含单向裂隙岩体;在主裂隙与加载方向呈90°工况组中,主、次裂隙夹角为45°时,次裂隙裂尖KⅡmax最大,所以此工况组中此时强度最低。     

层状岩体地下洞室破坏模式数值模型及验证

基于层面法向局部坐标系中的横观各向同性弹性本构模型,根据层面产状方位角,推导出整体坐标系中弹性应力的转换方法。针对层状岩体的各向异性特征,将岩体的破坏模式细分为5种,分别对每一种破坏模式建立各自的判别函数和屈服准则,根据塑性流动正交法则推导出相应的应力修正迭代计算方法。通过单轴、三轴压缩数值试验,对层状岩体的强度和变形性质进行研究,分析层面倾角和围压对层状岩体力学行为的影响。将所建模型与FLAC3D自带的横观各向同性弹性模型以及遍布节理模型进行对比,验证模型的正确性及精度。同时,将模型应用于三向等压理想圆形隧洞的开挖计算中,分析层状岩体破坏方式受层面方位角影响的变化规律,分析结果表明层面对围岩破坏模式和塑性区扩展方向起到了控制作用。     

中主应力对硬岩破裂机制的影响

采用数值方法模拟硬岩的三轴压缩试验,应用4个本构模型,即Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型、应变软化模型及考虑变形模量劣化的应变软化模型,研究中主应力对均质及非均质硬岩破裂机制的影响。结果表明：不论是均质还是非均质岩体,中主应力对采用Drucker-Prager模型的岩体强度影响较大,而对采用其他本构模型的岩体强度影响不大;当非均质岩体采用Mohr-Coulomb模型或Drucker-Prager模型时,中主应力对岩体破坏过程影响不大,但对其破坏模式有较大影响;当非均质岩体采用应变软化模型时,中主应力对岩体破坏过程及其模式均有较大影响。针对工程算例,采用不同的本构模型获得的均质或非均质岩体强度相差很大,除Drucker-Prager模型外,同一本构模型的均质岩体强度远大于非均质岩体。实际工程岩体对中主应力的响应是不同的,故在地下结构设计过程中应根据岩体特性选择合理的本构模型以保证工程安全。     

A new rock mass classification for Coal Measures Rocks

This paper examines a new rock mass classification system (RMCR) for Coal Measures Rocks which is based on extensive laboratory testing results. The new system has been developed using 12 parameters which consist of mineral content index, uniaxial compressive strength, uniaxial tensile strength, Young's modulus of elasticity, shear strength, cohesion of rocks, angle of internal friction, point load index, cone indenter index, Cerchar index, Shore schleroscope hardness and specific energy index. The RMCR value was obtained by a number of laboratory and in situ testing results which were obtained from the coal site. The objective of the RMCR is to estimate the rock mass properties for engineering purposes.