不同节理表面形貌下非贯通节理岩体强度特性直剪试验研究

通过直剪模型试验,研究节理表面形貌下非贯通节理岩体扩展贯通强度特性。非贯通节理岩体的扩展贯通过程分为4个阶段：初裂前阶段、稳定扩展阶段、非稳定扩展阶段和摩擦阶段。结合试验现象和切向变形曲线,研究了非贯通节理岩体的初裂强度、临界强度、贯通破坏强度、残余强度等特性。在相同的法向应力下,节理表面越粗糙,不仅非贯通节理岩体的贯通破坏强度越大,而且初裂强度、临界强度、残余强度也越大。在不同的节理表面形貌下,初裂强度与贯通破坏强度的比值约为70%;临界强度与贯通破坏强度的比值约为90%;不过,残余强度与贯通破坏强度的比值变化较大,约为50%～90%。试验为进一步研究非贯通节理岩体破坏理论提供试验验证。     

岩石节理在固定法向压力刚度条件下的剪切理论研究

节理在固定法向压力刚度（CNS）条件下的剪切过程比较复杂,剪切中由于剪胀的存在使得法向压力增大,而法向压力的增加又限制了剪胀的发生。根据CNS剪切过程中某一瞬时状态下法向压应力大小,以节理在该法向压应力下法向剪胀位移与剪切位移的关系为基础,建立一个楔形物理模型。通过循环迭代求得CNS剪切过程中每一步的法向压应力值,进而得到整个过程的剪切应力值。通过该模型,讨论了节理各参数对CNS剪切过程的影响,结果表明,其剪切应力值受法向压应力刚度与节理法向变形参数共同协调控制（包括单轴压缩变形及剪胀角的磨损）,节理在剪切过程中越不易发生压缩变形,其剪切应力值越大。     

Analytical modelling of the shear behaviour of rock joints with progressive degradation of two-order roughness

We present an analytical model for the shear behaviour of rock joints with progressive degradation of two-order asperities including waviness and unevenness. Critical waviness and critical unevenness are used to respectively represent the mechanical involvements of waviness and unevenness during shear. The degradation process of two-order asperities are predicted by considering the stepwise relationship among dilation angle, sheared and unsheared asperity areas, and plastic tangential work. The dilation angle of each asperity decreases as plastic tangential work accumulates. The progressive degradation transiting from critical unevenness to critical waviness is realised through examining the dilation angle and the unsheared area of critical unevenness. The model's predictions are compared with the experimental data from direct shear tests on both regular- and irregular-shaped joints. Good agreement between analytical and experimental curves demonstrate the credence of the proposed model. Therefore, the model, after implemented in finite and discrete element codes, is practicable for the stability assessment of rock-engineering structures.     

岩石节理分级剪切加载-蠕变-卸载的能量与变形特征

为分析岩石节理在剪切加载-蠕变-卸载下的能量演化与变形特征,利用GCTS（RDS?200型）岩石剪切测试系统对人工劈裂岩石节理进行分级剪切加载-蠕变-卸载试验。结果表明：在法向应力小于6.5 MPa和大于7.8 MPa时,滞回环面积与循环级数分别符合线性和指数关系;总变形能和弹性变形能与法向应力呈正相关,与循环级数呈指数关系;塑性变形能与循环级数和法向载荷呈正相关。各级剪切应力加载终止时的剪切位移外包络线与直剪应力-位移曲线变化趋势相同,具有加速上升段、匀速上升段和匀速下降段;累积剪切塑性变形随循环级数增加而增大,但增大速率逐渐变慢;各级剪切加、卸载曲线均能以剪切滑移点为界分为两个阶段;剪切失稳前,加、卸载阶段的法向位移-剪切应力曲线出现在上一循环前方,循环剪切加载和（或）蠕变结束时的累积法向变形出现从增加到减小的现象。     

一种新型粗糙节理面随机强度模型及其应用

天然岩体在长期地质作用下会生成各种节理裂隙等不连续面,而地下工程结构的稳定性一般取决于这些不连续面的强度。在众多因素中,表面形态对岩石节理面剪切强度具有决定性影响。为了系统研究岩石节理面剪切强度的确定方法,把岩石节理面概化为一系列高度不同的微长方体凸起组成的粗糙表面结构,且微长方体凸起有剪胀破坏和非剪胀破坏两种模式。综合微长方体凸起破坏规律,应用概率密度函数描述节理面表面起伏分布的影响,建立了粗糙节理面随机强度模型,推导了节理面剪切强度理论公式,提出了节理面强度的随机评价方法。基于随机强度模型和评价方法编制Matlab计算程序计算自然粗糙节理面的剪切强度,并将计算结果与试验结果进行比较分析。研究表明:粗糙节理面随机强度模型综合了粗糙节理面表面形态和法向应力对节理剪切强度的影响机制,理论计算值与试验数据吻合良好,可以较好的评价粗糙节理的峰值剪切强度和残余剪切强度。该随机模型可作为进一步深入研究的重要基础,分析结构面的连续剪切过程,建立更完善的节理面强度模型。     

循环剪切荷载作用下含二阶起伏体模拟岩石节理力学特性研究

利用人工材料浇注含二阶起伏体的模拟岩石节理试样,进行常法向荷载循环剪切试验,研究节理剪切力学特性在循环剪切过程中的劣化规律。试验结果表明：二阶起伏体对节理循环剪切力学特性有重要影响,剪切强度、剪切刚度、剪胀角随剪切循环次数增大而衰减,衰减趋势随着二阶起伏度的增大而加快;法向应力、二阶起伏度较大时,二阶起伏体对剪切力学特性的影响主要体现在第1轮剪切循环中,在随后的剪切循环中影响不明显;法向应力、二阶起伏度较小时,二阶起伏体的影响在前几轮循环剪切过程中均有较清晰的体现。基于Hertz接触力学理论,提出了节理面微凸体球面接触细观模型,揭示了节理循环剪切宏观试验现象的力学机制     

Some recent advances in the modelling of soft rock joints in direct shear

This paper presents a review of recent developments made by the authors into the modelling of rock joints in direct shear. Careful observation of laboratory direct shear testing on concrete/rock joints containing two-dimensional roughness has allowed theoretical models of behaviour to be developed. The processes modelled include asperity sliding, asperity shearing, post-peak behaviour, asperity deformation and distribution of stresses on the joint interface. Model predictions compare extremely well with laboratory test results. These models were then applied to direct shear tests on rock/rock joints, and although behaviour in general was well predicted, the strength of rock/rock joints was over-predicted. Direct shear tests have also been carried out on samples containing both two- and three-dimensional roughness to test the accuracy of the two-dimensional approximation to roughness adopted in the theoretical models.     

含坡度均方根的节理峰值剪切强度经验公式

节理的剪切强度涉及到岩体工程的安全。通过CSS–342岩体剪切试验机对3组具有不同形貌特征的节理进行直剪试验,研究形貌对剪切强度的影响。试验结果表明：峰值剪切强度随法向应力和粗糙程度的增加而增加;但就相同的形貌而言,剪切应力与法向应力的比值减小,即由形貌产生的剪胀角随法向应力的增加而减小。通过分析剪胀角存在的边界条件,提出双曲线形式的剪胀角演化模型,并采用抗拉强度体现岩石的性质对节理剪切强度的影响。采用坡度均方根表征节理的三维形貌特征并提出相应的峰值剪切强度公式,与经典的Barton公式进行了比较,总体上新公式的计算值更为接近试验值。     

循环剪切荷载作用下岩石节理变形特性试验研究

以水泥砂浆为相似材料,制备3种岩壁强度、5种起伏角度的锯齿型节理试样;利用试验设备,进行了在4种法向应力下的循环剪切试验。根据试验结果,结合循环剪切试验特点,定义剪胀角来表征节理循环剪切的法向变形特性,以及剪切刚度来表征节理循环剪切的切向变形特性。基于不同起伏角、不同强度等级和不同法向应力下的节理试样循环剪切试验结果,分析了循环剪切过程中剪胀角和剪切刚度的变化规律;并利用不同条件下的试验结果,对比分析初始起伏角度、法向应力、岩壁强度对节理循环剪切变形特性的影响规律。研究发现：剪胀角、剪切刚度均随着剪切循环次数的增加而呈现先快、后慢的降低趋势,并且中低起伏角度节理的剪胀角、剪切刚度的降低趋势随着初始起伏角度、法向应力的增加而加快,随着岩壁强度增加而变慢,高起伏角度节理的剪胀角、剪切刚度的降低趋势基本保持不变。     

节理峰值剪切位移及其影响因素分析

根据Barton-Bandis节理峰值剪切强度准则,分析了节理峰值剪切位移与法向应力之间的变化关系,并以此为基础总结了Barton峰值剪切位移公式的不足。通过室内直剪试验验证了节理粗糙度与法向应力是影响结构面峰值剪切位移的两个主要因素。试验结果表明,峰值剪切位移与节理粗糙度成反变化关系,与法向应力成正变化关系。建立了考虑节理粗糙度与法向应力的节理峰值剪切位移计算新公式。克服了Barton经验公式只考虑节理粗糙度,而不考虑法向应力作用的局限。新公式能很好地拟合试验数据,表明其合理性。     

含二阶起伏体的模拟岩体节理试样剪切特性试验研究

利用规则的小尺寸锯齿构造二阶起伏体,对不同二阶起伏体高度的人工节理进行常法向应力下的直剪试验,研究了节理剪切力学特性。对节理的剪切强度、变形特征进行了分析,并对破坏特征做出解释。试验结果表明：二阶起伏体对节理剪切力学特性有重要影响,含二阶起伏体节理的剪切力学特性与只含有一阶起伏体节理的剪切力学特性不同,只含一阶起伏体的节理剪应力只有一个峰值,含二阶起伏体的节理会出现波浪状的剪胀曲线和多峰值剪应力,且峰值剪应力随剪切位移增大依次出现并逐个减小;随着二阶起伏体高度增大,节理峰值剪切强度增大,节理依次出现磨损破坏、多次性剪断破坏、一次性剪断破坏。     

结构面在剪切状态下的力学特性研究

文章通过规则齿形结构面在不同法向应力下的剪切试验,对其力学特性进行了基础性研究,阐述了规则齿形结构面在剪切条件下力学特性的主要特征及其力学特性的主要规律。通过对试验数据的分析,对结构面在剪切力作用下的强度特性以及结构面在剪切条件下的粗糙度特性进行了研究,在此基础上提出了结构面剪切刚度计算模型以及结构面爬坡角与粗糙度系数之间的经验关系,同时对结构面的剪切位移曲线特征进行了描述,并对现象做出了解释。     

节理峰值后归一化位移软化模型

切向荷载作用下贯通节理岩体峰值强度后的剪切应力、位移变形规律一般呈双曲线形式发展,即峰值后强度衰减速率逐步变小而趋于0,到达残余强度。直剪试验表明,非贯通节理岩体峰值后剪切应力、位移呈“S”型趋势发展,即强度衰减速率先是逐步增大,到达一定程度后逐步减少,最后趋于稳定达到残余强度值。贯通节理岩体峰值强度后的本构关系并不适合于描述该特征。提出一个新的非线性归一化位移软化本构模型,通过归一化剪切应力R与归一化剪切位移D的指数函数关系体现峰值后剪切应力、位移的发展趋势,即模型采用无量纲表达式。归一化剪切应力R是峰值后强度降? p-? 与峰值强度、残余强度差值? p-? r的比值;归一化位移D是峰值后剪切位移、峰值位移差值? -? p与残余位移、峰值位移差值? r -? p的比值。对含不同起伏角的非贯通节理岩体在常法向荷载条件下的直剪试验数据进行拟合分析,模型预测结果与实测值具有相当高的吻合度,验证了模型的正确性     

基于3D打印技术的岩体结构面各向异性剪切力学行为

结构面形貌特征是影响结构面剪切行为的重要因素,而且结构面形貌特征的各向异性与其剪切力学行为的各向异性之间存在一定的联系。利用三维激光扫描和3D打印技术模拟了天然结构面,并以水泥砂浆为材料浇筑了尺寸为100 mm×100 mm×150 mm的含结构面试样,开展了不同法向应力下沿不同方向的剪切试验。结果表明,结构面的剪切行为具有明显的各向异性,这种特性可以体现在峰值剪切强度及相应的剪切位移和抗剪强度参数上;在低法向应力条件下,峰值剪切强度各向异性的强弱程度与法向应力之间并非呈现简单的单调变化关系;抗剪强度参数c（黏聚力）、f（内摩擦角）值沿不同剪切方向的变化趋势总体上较相似;通过分析不同剪切方向上c、f值相对于0°方向的差异程度,可以发现剪切方向对c值的影响更为强烈。移动阅读     

A constitutive model for a laboratory rock joint with multi-scale asperity degradation

This paper presents a joint constitutive model that considers separately the mechanical contribution of waviness and unevenness of a joint to shear behaviour. The critical asperities for waviness and unevenness are determined from geometric properties in a lab-scale joint. The wear process is employed to model the degradation in dilation and strength during shear. From dimensional analysis, asperity degradation constants are developed using geometric parameters including asperity angle, wavelength, and amplitude as well as rock strength and stress. The applicability of the proposed model was assessed by performing direct shear tests on three joint roughness coefficient (JRC) profiles and providing its correlation with experimental results. Additionally, experimental data taken from literature were used to validate the model’s performance.     

改进的Maksimovic峰值剪切强度准则的试验验证

Maksimovic峰值剪切强度准则形式简洁,参数的物理含义明确,但由于反映节理粗糙程度的特征量“粗糙度角 ”须由试验值确定,因此不可用于估算岩石节理的峰值剪切强度。改进的Maksimovic峰值剪切强度准则在继承原准则优点的基础上,采用定量化的三维形貌参数表示节理的“粗糙度角 ”。采用岩石节理的直剪切试验数据对改进的Maksimovic峰值剪切强度准则进行了试验验证,计算值与试验值具有很好的相关性,表明可以采用该准则估算岩石节理的峰值剪切强度。     

经历剪切变形历史的岩石节理表面粗糙特性分析

基于两类岩石节理剪切试验，采用非接触式激光测距仪，实测了剪切前后节理表面粗糙数据，统计分析了岩石节理表面粗糙特性的三维粗糙参数的物理含义，并将这些参数与相应的二维参数进行了充分比较。结果表明，三维参数与二维参数间存在的近似线性关系，而多个三维参数相对比单一的二维参数更全面有效地描述了节理表面粗糙特性。     

盐岩压剪条件下的损伤特性研究

为了解盐岩在压剪受力状态下的损伤特性,设计了不同放置角度的盐岩压剪试验和声发射信号采集试验,研究了盐岩试件在不同剪切角度下的损伤力学特性和声发射信号特征。针对压剪受力状态,从一般力学模型入手,讨论建立了关于剪应力和正应变的剪切损伤模型。试验结果表明,随放置角度的增大,盐岩的力学特性由塑性为主要特征逐渐转为脆性为主要特征;试验中放置角度越大,盐岩试件峰值剪应力越小,试件整体承载能力也呈下降趋势,试件的变形能力减弱,抗变形能力则随放置角度增大而先增大后减小,45°时达到最大。声发射信号表明,盐岩由于其自身的结构和损伤破坏特征,盐岩在压剪受力状态下的声发射信号比较明显;试件的放置角度为55°、65°时,在屈服阶段AE计数波动相对越剧烈,试件破坏的也越快;试件的放置角度小于45°时,AE计数呈递增式增长,峰值一般出现峰值应力附近。     

基于多重分形特征的岩体结构面剪切强度研究

Barton剪切强度模型是目前工程实践中普遍采用的强度公式,而实践应用时,该模型中结构面粗糙性系数（JRC）的评估存在主观性和片面性的缺点。鉴于此,应用多重分形理论,提出了采用多重分形参数准确量化JRC的方法。首先应用数字图像处理技术获取了结构面三维形貌数据信息;然后采用投影覆盖法进行了结构面的分形维数计算,重点对结构面的多重分形特征进行了分析,通过对比分析了构造的15个结构面的多重分形特征值。结果表明：结构面越粗糙,多重分形特征参数 和 值越大, 或 能够很好地描述结构面的形貌特征。最后对9组石膏试件进行了剪切试验,通过不同正应力下对应的剪应力数据分析,结合结构面形貌多重分形参数 或 ,以Barton剪切强度公式为基础,应用最小二乘法原理,给出了JRC与 及JRC与 关系。这样在工程实际中,可以用参数 或 对JRC进行估算,克服了JRC人为估值主观性及采用二维标准轮廓线评估片面性的缺点,为准确评估结构面粗糙度提供了一条新的途径。在此基础上,应用Barton模型可准确估算岩体结构面的剪切强度。     

岩石结构面粗糙度系数尺寸效应的推拉试验研究

粗糙度系数是结构面抗剪强度的主要影响因素,然而由于结构面表面形态的复杂性,粗糙度系数尺寸效应研究并未获得较大进展。总结了结构面粗糙度系数的3种获取手段：标准剖面对比法、理论公式法、试验反分析法。在此基础上分析了3种方法在研究粗糙度系数尺寸效应方面存在的问题和困难。为了研究结构面粗糙度系数与试样尺寸的相关度,对中砂、硅粉、水泥、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行了研究,获得了与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作了8组共176对具有不同尺寸和表面起伏粗糙程度的结构面,并利用改进的高精度岩石结构面推拉仪对结构面粗糙度系数进行了推拉试验研究和数据统计分析,结果表明：模型结构面粗糙度系数的统计均值随试样尺寸的增加而降低,但特定结构面粗糙度系数的尺寸效应规律需要根据结构面的具体表面形貌进行测试;Barton理论公式计算的结构面粗糙度系数尺寸效应变化规律与推拉试验测试规律总体上一致,但试验值与理论值有差异,且结构面试样尺寸越小,二者的差异就越大;具有特定表面形貌的模型结构面粗糙度系数也有差异,工程大尺寸岩体结构面粗糙度系数需要根据表面形貌和分布特征进行综合判定。