含横向节理的柱状节理岩体力学特性试验研究

针对柱状节理岩体的构造特性,采用水泥砂浆等材料制作出具有不同柱体倾角且含有横向节理分布的柱状节理岩体模型,并通过单轴压缩试验,研究柱体倾角和横向节理对岩体各向异性力学特性及破坏机制的影响。结果表明：试样峰值强度和变形模量随柱体倾角变化曲线均近似为U形,并体现出典型的各向异性特征;随着柱体倾角的变化,试样单轴压缩破坏模式可分为垂直于柱体轴向的劈裂破坏、沿纵向节理面的剪切滑移破坏、滑移破坏与劈裂破坏同时发生的复合破坏和平行于柱体轴向的劈裂破坏4类;横向节理的存在降低了柱状节理岩体沿柱轴方向的完整性,并影响了劈裂破坏裂纹的分布与扩展,因此,横向节理切割柱体是影响柱状节理岩体承载能力的重要因素。     

不规则柱状节理岩体力学特性模型试验研究

结合Voronoi图随机模拟和3D打印技术制备不规则柱状节理网络模型,采用白水泥浆类岩石相似模型材料浇筑模型并拆模,然后分别采用白乳胶和502胶水作为黏结剂黏结柱体得到两组不规则柱状节理岩体试件,通过对其进行室内单轴压缩试验研究不规则柱状节理岩体强度特性和破坏模式。试验结果表明：不规则柱状节理岩体试件单轴抗压强度随柱体倾角的变化曲线呈现近似“J”型,表现出显著各向异性特征;不规则柱状节理岩体试件典型破坏模式包括沿柱状节理面的劈裂破坏、沿柱状节理面的剪切破坏和沿柱体的压裂破坏等3种,其部分破坏形态有异于规则柱状节理岩体试件。同时,通过与采用净水泥浆作为黏结剂的柱状节理岩体试验结果进行比较,结果表明：采用白乳胶和502胶水作为黏结剂时柱体间黏结强度更低,能够较好反映柱状节理面的弱化效应,试件力学响应与真实柱状节理岩体更为一致。     

基于RJM断续节理岩体强度与破坏特征的数值模拟研究

裂隙结构的存在对于工程岩体的强度和稳定性具有重要影响,岩石宏观裂隙的产生源自于微破裂的积累。针对岩体裂隙的粗糙特性,通过Matlab建立考虑粗糙度的节理模型（Roughness Joint Model）,采用简化的正弦曲线来表示粗糙节理,并将其导入到颗粒流试验模型中进行单轴压缩试验。对比完整岩体、直线型裂隙岩体、RJM岩体三者破坏的应力-应变曲线,改变裂隙倾角（与水平方向夹角）α,岩桥倾角β,裂隙密度γ,建立不同裂隙分布的断续节理岩体数值试样,开展一系列数值模拟试验。研究结果发现:（1）裂隙的存在明显降低了岩体的抗压强度,RJM模型峰值强度和峰值应变均高于直线型裂隙岩体;（2）岩体抗压强度总体上随裂隙倾角增大而增加,随裂隙密度增加而减小,但随岩桥倾角的改变呈非线性变化,岩桥倾角45°时峰值强度最低,峰值应变最小;（3）裂隙分布会影响岩体的破裂模式,微裂隙的扩展反映了岩体力学性质的各向异性;（4）不同倾角下增加裂隙密度,岩体强度下降程度不同,倾角75°时密度对强度影响最小,30°和60°时影响最大。     

考虑截面规则性的柱状节理岩体变形及强度特性研究

柱状节理岩体的复杂结构使其现场力学参数的确定存在困难,可靠地估计柱状节理岩体强度及变形特性对工程安全至关重要。结合Voronoi图形及3D打印技术制作不规则柱状节理岩体光敏树脂模具,并制备了具有不同倾角的规则及不规则柱状节理岩体试样。基于开展的单轴压缩试验结果,分析不同截面柱状节理岩体的变形及强度特性差异。根据试样最终破坏形态,揭示柱状节理岩体破坏模式及机制。结合已有研究结果,描述节理面材料对柱状节理岩体破坏形态及强度的影响。基于传统节理系数方法,提出了更能反映柱状节理岩体柱体结构特征的修正节理系数方法。采用修正节理系数法建立规则及不规则柱状节理岩体试验结果与现场变形及强度参数间的经验关系,将所提出计算公式应用于白鹤滩水电站工程,预测结果与现场实测值及RMR法（RMR为岩石质量评分指标）、Q法（Q为岩体质量指标）的预测值进行比较。结果表明,对于现场变形和强度参数,所提出的修正节理系数法的预测结果与现场实测结果较为吻合。     

含预制节理岩体卸荷条件下力学特性试验研究

节理对卸荷条件下岩体的力学性质有重要影响。通过含2条不同间距预制断续节理岩体的三轴卸荷破坏试验,研究了节理岩体在卸荷应力条件下的应力-应变特征、强度、变形特征、破坏规律及节理间距对岩体力学性质的影响。研究表明：相比于完整岩体,节理岩体卸荷破坏时从峰值强度跌落至残余强度过程中轴向应变较大,为完整岩体的3～4倍,岩体破坏时极限强度明显低于完整岩体,脆性特征不如完整岩体明显;节理岩体卸荷破坏时,变形模量有较大幅度的降低,其降低程度是同条件下完整岩体的6～7倍,节理间距越大,变形模量降低程度越大;与含预制节理岩样三轴加载试验结果相比,节理岩体卸荷条件下破坏程度更为强烈,除剪切破裂面外,沿最大主应力方向分布的不同级别的张性裂隙非常发育,预制节理的间距对岩体破坏形态影响不大。     

基于节理网络有限元的柱状节理岩体等效变形模量结构效应研究

因其特殊的地质成因,柱状节理成为一种具有强烈非连续性及各向异性的特殊岩体结构。以白鹤滩水电工程设计、建设中所遇到的柱状节理玄武岩体为背景,针对柱状节理岩体的等效变形模量问题,在探讨了其结构效应表征参数的基础上,利用节理网络有限元为工具,研究各结构效应表征参数对柱状节理岩体等效变形模量的影响。研究结果表明：在柱轴线横向平面上,对于柱体不规则程度,当柱体完全不规则相对于完全规则情况,等效模量提高大约10%左右;在其他条件不变情况下,当柱体平均边长从0.1 m增加至0.5 m时,等效模量从5.36 GPa增加至23.4 GPa;对不同加载方向的研究结果表明,柱状节理在柱轴横向平面上可以视作各向同性;当节理刚度线性递增时,相应的岩体等效模量也基本符合线性递增的规律。在平行柱体轴线平面,节理组2间距越大,柱状节理岩体的等效变形模量越大;随着错距比的增加,柱状节理岩体的等效变形模量呈现先增加后减少的趋势,当错距比为50%时,节理岩体的等效变形模量取最大值;对于节理刚度的影响,与柱轴横向平面类似的,随柱体轴线平面上节理刚度的线性增加,相应的岩体模量也基本符合线性递增的规律。该研究成果与已有的现场研究成果及三维数值模型成果相比,吻合良好。说明了文中提供的研究结论具有较好的可信度及参考价值。     

遍布节理试样压剪加载下的力学特性及声发射特征研究

节理岩体的力学性质对指导工程设计、施工具有重要的意义。为研究组合节理参数对遍布节理试样的力学性质影响,采用类岩材料预制不同节理倾角、间距的遍布节理试样并进行压剪试验。根据高清相机记录的不同节理试样的破坏特征,试样的破坏模式可分为平面剪切破坏、类完整性剪切破坏和斜剪切破坏,节理间距会改变试样的破坏模式而节理倾角对试样的破坏模式有关键性影响。分析不同节理参数试样的峰值剪切强度,遍布节理对试样的弱化程度达到15.95% ~56.62%,节理试样的峰值剪切强度随着节理间距的增大逐渐增强而随着节理倾角的增加先增后减。此外,采用声发射设备实时监测试样加载过程以分析不同节理参数试样的声发射特征。在压密阶段,节理试样的声发射最大撞击数随节理间距减小而增大。声发射峰值能量随节理间距减小而减小,但均值能量随节理间距减小而增大;试样的峰值能量和均值能量随节理倾角增大均呈现先增大后减小的规律。     

基于DIC的含不同角度3D打印粗糙交叉节理试样破裂机制研究

粗糙交叉节理广泛存在于实际岩体中,含不同角度粗糙交叉节理试样的力学破裂演化特性研究对岩体工程具有重要的指导意义。基于Barton节理轮廓曲线,通过3D打印技术制作不同角度粗糙交叉节理模型,浇筑成试样后进行单轴压缩试验,并采用DIC技术对试样表面的变形特征进行了处理与分析。结果表明:主节理倾角较大试样的单轴强度基本小于主节理倾角较小试样,主次节理夹角γ在45°～60°之间时对试样的单轴抗压强度和弹性模量影响最大;通过对DIC应变云图、节理尖端全程应变和应变率激增点分析可知,起裂主要发生在主节理上下端和次节理上端,起裂应力在峰值应力的90%至峰值阶段,屈服阶段裂隙扩展速度缓慢,快速扩展主要发生在峰后阶段;粗糙交叉节理试样的起裂方向与平直节理试样不同,节理尖端裂隙多以剪切形式存在,远端在最大主应力的作用下多演化为张拉裂隙;主节理下端的应力强度因子基本大于次节理上端,说明主节理对试样的破裂起主要作用,节理尖端的K_Ⅱ多大于K_Ⅰ,说明起裂扩展受剪切作用大于张拉作用。     

单轴压缩荷载下非贯通闭合节理岩体损伤本构模型

目前损伤力学已被认为是研究节理岩体力学行为的有效工具,但是在目前的节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理几何特征而未考虑节理内摩擦角等力学参数,这显然不能很好地反映节理岩体的力学特征。为此,拟推导出一个能够综合考虑节理几何及力学参数的损伤变量（张量）,并由此建立单轴压缩荷载下岩体损伤本构模型。首先,基于断裂力学的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了含非贯通节理岩体的损伤变量计算公式;其次,根据断裂力学理论对单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K_Ⅰ、K_Ⅱ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多排非贯通节理应力强度因子计算公式。最后,利用该模型对含单条非贯通节理的岩体在单轴压缩荷载作用下的峰值强度及损伤变量进行了分析计算。结果表明,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为零,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。      

人工单节理砂岩的三轴试验研究

采用云石胶黏结岩块的方法制备人工节理面,通过直剪试验获得人工节理面的抗剪强度特性,基于完整和单节理砂岩的常规三轴试验,分析不同倾角（0°,30°,60°,90°）对单节理岩体试样力学响应的影响。结果表明:人工节理面在直剪试验中呈现脆性破坏,其抗剪强度符合M-C准则;不同围压下（2.5,5 0和7.5 MPa）完整砂岩的破坏形态和弹性模量基本相同,峰值强度随围压增大;相同围压下（2.5 MPa）不同倾角单节理岩体的破坏形态、弹性模量、峰值强度均不相同,单节理岩体试样的峰值强度-倾角曲线呈反对号“”形,节理倾角对岩体力学性质的影响明显,其中60°节理岩体试样的强度最低,仅为完整岩石强度的19.7%。推导了过圆柱体试样中心任意斜截面内力的三维计算公式,根据其理论预测所得完整岩石的破裂面角度和60°节理试样的破坏方式均与试验结果相符,其吻合度较传统的二维分析更高。     

节理连通率对岩体力学特性影响的细观研究

采用等效岩体（ERM）技术,将节理和岩块分别用光滑节理模型及颗粒体模型表征,构建含不同节理倾角、连通率的等效岩体模型。结合试验结果,从细观力学角度开展单轴压缩条件下节理连通率对岩体强度、破裂机制、能量演化等力学特征影响的定量研究。研究发现,当节理方向与加载轴向呈一定夹角时,岩体表现出沿岩桥连线方向的贯通破坏趋势,尤其当节理倾角? = 30°,连通率L = 0.8时,岩体破坏表现出岩桥复合贯通破坏模式。在该类节理倾角(? = 30°)条件下,随节理连通率增大,岩体表现出的主要力学特征为：（1）峰值抗压强度呈不断降低趋势;（2）微破裂总数不断下降,但张拉型微破裂所占比例逐渐提高。微裂纹进一步集中在不同层间节理尖端岩桥连线上产生;（3）声发射（AE）事件产生时间在整个加载阶段逐渐分散,声发射事件总数及破裂强度分布范围、均值、标准差等均不断减小;（4）峰值应变能及峰后应变能、动能变化率降低,峰后摩擦能增速放缓,试样破坏所需的外界做功逐渐降低。     

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     

含充填节理岩体相似材料试件单轴压缩试验及断裂损伤研究

研究了单轴压缩条件下裂隙含充填与否对节理岩体力学性能的影响。以相似材料模拟脆性岩石材料制作含预置裂隙试件,在刚性试验机上对试件进行单轴压缩试验,研究了裂隙充填与否对节理岩体强度峰值及峰后塑性变形能力的影响;用有限元软件ABAQUS对试件进行断裂及损伤分析,研究了裂隙充填与否对节理岩体应力强度因子及损伤因子的影响。研究表明,在单轴压缩情况下,裂隙中含充填与不含充填相比,裂隙含充填岩体峰值强度提高、峰后塑性变形能力增强、总应变能释放率Gc降低,增大了节理岩体抵抗开裂的能力;裂隙含充填岩体环向拉应力场从分布区域及峰值都小于无充填裂隙试件;在同样外荷载作用下,裂隙含充填岩体损伤度小于无充填岩体。     

节理岩体超声测试及单轴压缩试验研究

为了获取节理岩体各向异性力学特性和声波传播规律的相互关系,通过制作圆柱形单一预制贯通节理试件,开展了7种不同倾角节理试件的超声波波速测试和单轴压缩试验。试验结果表明：（1）节理试件波速测试值离散性较大,但总体服从正态分布,波速平均值介于石膏试件和完整试件之间,波速随节理倾角增大呈线性递减;（2）不同倾角的节理面对节理试件力学特性的影响很大,在应力-应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式上均表现出显著的各向异性特征;（3）节理试件的力学性质和超声波传播特性变化规律区别很大,采用超声波波速确定节理试件的力学参数会存在很大误差。     

单一预制节理试件各向异性力学特性试验研究

节理岩体具有特殊的不连续结构,从而展现出复杂的各向异性力学特性。为了掌握这一复杂力学特性,从理论上分析了单一节理面的力学效应,并通过常规三轴压缩试验研究了单一预制贯通节理试件的各向异性力学特性。结果表明,节理试件的力学特性分为受节理面控制和岩块控制;与完整试件相比,节理试件的力学参数均有不同程度降低,其中弹性模量、抗压强度、黏聚力随节理倾角呈U型分布,最小值均出现在60°倾角节理试件,而内摩擦角与节理倾角呈线性增大关系;随着围压等级升高,不同倾角节理试件弹性模量和抗压强度的最大值与最小值的比值降低,力学性能差异减小。     

基于摩尔-库仑准则的断续节理岩体复合损伤本构模型

针对工程实际中断续节理裂隙岩体的损伤本构模型,假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,以摩尔-库仑破坏准则作为描述微元强度的表示方法,推导出细观损伤变量。利用能量和断裂力学理论,综合考虑节理几何特征及力学特性,推导宏观损伤变量计算公式。基于Lemaitre应变等效假设,考虑宏细观缺陷耦合作用,推导出复合损伤变量,建立了基于摩尔-库仑准则的宏细观缺陷耦合作用的断续裂隙岩体损伤本构模型。研究结果表明：（1）采用摩尔-库仑准则作为描述微元强度的统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,该模型真实地反映岩石微元强度受应力状态的影响。（2）该模型建立的理论曲线与断续节理岩体的试验曲线吻合较好。（3）节理裂隙岩体宏观损伤变量及峰值强度随节理倾角的变化规律与综合考虑宏细观耦合作用下的损伤变量及裂隙岩体峰值强度随节理倾角的变化规律基本一致。（4）宏细观耦合作用下的等效弹性模量与节理贯通率呈非线性负相关;在节理倾角一定的情况下,损伤变量与节理长度呈非线性正相关;在贯通率较小时,岩体的宏观损伤变量与内摩擦角的关系呈线性负相关变化,贯通率达到一定程度,线性关系变成非线性关系。     

柱状节理坝基岩体三维各向异性数值分析

在分析柱状节理不连续性和各向异性的工程特性基础上,对某拱坝及坝基的柱状节理岩体进行三维数值模拟分析。考虑河谷初始地应力场和岩体各向异性力学性质,采用各向同性本构和各向异性弹塑性本构进行对比分析。计算表明,坝基柱状节理岩体各向异性特性对工程整体应力、变形的影响比较明显,采用各向异性弹塑性模型计算更能反映柱状节理的特殊性。其结果为该坝区岩体工程各向异性力学分析提供了示例。     

基于Mohr-Coulomb准则的断续节理岩体复合损伤本构模型

针对工程实际中断续节理裂隙岩体的损伤本构模型,假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,以摩尔–库仑破坏准则作为描述微元强度的表示方法,推导出细观损伤变量。利用能量和断裂力学理论,综合考虑节理几何特征及力学特性,推导宏观损伤变量计算公式。基于Lemaitre应变等效假设,考虑宏细观缺陷耦合作用,推导出复合损伤变量,建立了基于摩尔–库仑准则的宏细观缺陷耦合作用的断续裂隙岩体损伤本构模型。研究结果表明:(1)采用摩尔–库仑准则作为描述微元强度的统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,该模型真实地反映岩石微元强度受应力状态的影响。(2)该模型建立的理论曲线与断续节理岩体的试验曲线吻合较好。(3)节理裂隙岩体宏观损伤变量及峰值强度随节理倾角的变化规律与综合考虑宏细观耦合作用下的损伤变量及裂隙岩体峰值强度随节理倾角的变化规律基本一致。(4)宏细观耦合作用下的等效弹性模量与节理贯通率呈非线性负相关;在节理倾角一定的情况下,损伤变量随节理长度呈非线性正相关;在贯通率较小时,岩体的宏观损伤变量与内摩擦角的关系呈线性负相关变化,贯通率达到一定程度,线性关系变成非线性关系。     

白鹤滩柱状节理岩体真三轴模型试验研究

在柱状节理玄武岩工程地质调查、现场精细结构描述等工作基础上,开展了柱状节理玄武岩体的脆性材料模型真三轴物理模拟试验。研究了复合柱状岩体在不同卸荷-加载应力途径下的破裂、破坏机制及不同方向三轴主应力作用下的应力-应变关系及其强度特性;开展的8种不同应力比和6种不同受力方向下各向异性试验结果表明,柱状节理玄武岩体强度、变形特征受三向不等围压和柱状节理特性影响明显,强度变形的各向异性特征显著。试验结果表明,应力比 对试样的强度、变形和破坏模式具有控制作用,随着应力比的变化,试样的极限强度呈现分段特性;较小应力比下试样的变形和破坏模式受应力比和原生节理的共同影响;较大的应力比对试样的变形和破坏模式的影响比原生节理的影响显著;随着应力比的增大,中主应力由约束侧向变形变为主动加载,这一作用的变化影响了极限荷载和破坏模式。     

柱状节理开挖模拟洞数值原位试验

在西南水电大开发中,柱状节理岩体的工程力学性质逐渐受到水利工程的重视。白鹤滩水电站坝基揭露的柱状节理玄武岩体,RQD值普遍较低,完整性较差,其变形模量等力学指标相对较低,表现出显著的各向异性特征,对拱坝变形、坝肩稳定、边坡稳定、地下洞室群围岩稳定有重要影响,已成为该水电工程的关键技术问题之一。针对国内外对柱状节理岩体的研究及相关工程的经验甚少,白鹤滩水电站拟开展的大尺度柱状节理玄武岩试验洞,目的是获得反映柱状节理玄武岩力学特性的第一手观测资料。介绍了白鹤滩柱状节理的地质成因和工程特性及柱状节理试验洞的设计布置,探讨了原位试验和数值试验结合的分析方法,并采用各向异性本构模拟了试验洞开挖和原位试验,对不同位置试验点的代表性进行了评价。