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恒定法向刚度边界条件下三维粗糙节理面循环剪切力学特性

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岩石力学与工程学报 2021年第6期40卷 1092-1109页

作者：刘日成尹乾杨瀚清靖洪文蒋宇静蔚立元中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 长崎大学工学部工学研究科日本长崎852-8521

通过开展恒定法向刚度边界条件下三维粗糙节理面循环剪切试验,揭示法向刚度(0~7GPa/m)和循环剪切次数(1~10次)对节理面剪切应力、法向变形、法向应力、剪切应力路径、表面阻力指数、声发射响应和表面磨损特征的影响。试验结果表明:剪切... 详细信息

通过开展恒定法向刚度边界条件下三维粗糙节理面循环剪切试验,揭示法向刚度(0~7GPa/m)和循环剪切次数(1~10次)对节理面剪切应力、法向变形、法向应力、剪切应力路径、表面阻力指数、声发射响应和表面磨损特征的影响。试验结果表明:剪切应力-剪切位移路径具有典型的刚度依赖特征,当法向刚度较小时,剪切应力在初始峰值之后逐渐减小,呈现应力软化行为;随着法向刚度的增加,法向位移增加幅度逐渐减小,而由剪切引起的剪切应力与法向应力增加幅度均逐渐变大,呈现应力硬化特征。当循环次数=1时,随着法向刚度由3GPa/m增加至7GPa/m,节理面表观黏聚力和表观内摩擦角分别增加了22.40%和26.84%,而表面阻力指数基本保持稳定。随着循环次数的增加,初始剪切应力峰值逐渐降低,且降低幅度逐渐变缓并最终趋于稳定,其中在循环次数从1增加到2时,初始剪切应力峰值降低幅度最大(24.93%~60.91%);循环剪切过程中,由于节理表面凸起被磨损剪断并趋于光滑,剪胀变形及法向应力增加幅度均逐渐降低;当剪切位移较大时,与法向应力相比,剪切应力增加幅度衰减更为敏感,表面阻力指数逐渐增加。累积声发射能量随着循环次数的增加逐渐减小,而随着法向刚度从0.5 GPa/m增加至7 GPa/m,稳定阶段累积声发射能量增加了229.8%,剪切磨损面积占比增加了72.02%~97.11%。

关键词：岩石力学恒定法向刚度循环剪切节理面剪胀变形声发射二值化

恒定法向刚度条件下三维粗糙裂隙面剪切力学特性

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岩石力学与工程学报 2020年第11期39卷 2213-2225页

作者：尹乾靖洪文孟波刘日成吴应杰中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059

通过恒定法向刚度边界条件下真实三维粗糙裂隙面剪切试验,研究初始法向应力(0.02~8 MPa)和粗糙度系数JRC(12~18)对裂隙面剪切应力、法向位移、法向应力和表面剪切磨损特征的影响。结果表明:整个剪切过程中,裂隙面法向位移–法向应力拟... 详细信息

通过恒定法向刚度边界条件下真实三维粗糙裂隙面剪切试验,研究初始法向应力(0.02~8 MPa)和粗糙度系数JRC(12~18)对裂隙面剪切应力、法向位移、法向应力和表面剪切磨损特征的影响。结果表明:整个剪切过程中,裂隙面法向位移–法向应力拟合关系为一组平行直线,法向边界刚度保持在10.8 GPa/m。随着初始法向应力和粗糙度系数的增加,裂隙面法向应力均逐渐增大,初始剪应力峰值分别增加了6.201~9.974倍和22.70%~55.76%;裂隙面法向位移随初始法向应力的增加逐渐减小,而随JRC的增加,由于剪切过程中沿凸起体的"爬坡效应"趋于显著,剪胀变形逐渐加剧。峰值表面阻力指数随初始法向应力的增加线性减小,而随JRC的变化增加了10.82%~36.46%。随着粗糙度系数的增加,初始剪应力峰值强度包络线变得陡峭;剪切磨损阶段,法向应力–剪切应力路径可通过线性函数较好地拟合,且随着初始法向应力的增加,拟合曲线趋于平缓。二值化计算结果表明试验后裂隙面剪切面积占比随初始法向应力和粗糙度系数分别增加了1.032~1.799倍和8.63%~71.81%,剪切磨损特征趋于显著。

关键词：岩石力学恒定法向刚度裂隙面粗糙度系数法向应力二值化

恒定法向刚度边界下含陶粒砂砂岩裂隙剪切力学特性研究

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岩土工程学报 2023年第9期45卷 1790-1800页

作者：王刚王鹏举王长盛蒋宇静栾恒杰黄娜山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室山东青岛266590 福建工程学院土木工程学院福建福州350118 长崎大学工学研究科长崎852-8521 山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590

含支撑剂砂岩裂隙的剪切行为对致密气开采具有重要影响。通过开展不同边界条件下两种粗糙砂岩剪切试验,探究法向应力(1~6 MPa),法向刚度(0~5 GPa/m),初始法向应力(2~6 MPa),支撑剂尺寸(16/30目,20/40目,30/50目)对含陶粒砂砂岩裂隙剪切... 详细信息

含支撑剂砂岩裂隙的剪切行为对致密气开采具有重要影响。通过开展不同边界条件下两种粗糙砂岩剪切试验,探究法向应力(1~6 MPa),法向刚度(0~5 GPa/m),初始法向应力(2~6 MPa),支撑剂尺寸(16/30目,20/40目,30/50目)对含陶粒砂砂岩裂隙剪切特性的影响。结果表明:加入陶粒砂后,裂隙面的峰值摩擦角减小,剪切刚度及峰值剪应力降低,并且剪缩量增加,剪胀量减小;随着法向应力的增加,剪切强度提高。在恒定法向刚度(CNS)边界下,随着法向刚度的增加,残余剪应力提高,但峰值剪应力、最终剪胀量和表观摩擦角降低。随着初始法向应力增加,峰值剪应力、残余剪应力及剪切刚度均提高,且变化幅度高于法向刚度的影响;初始法向应力的增加抑制了裂隙面的剪胀,提高了裂隙面的表观摩擦角。随着陶粒砂尺寸的减小,剪切强度提高,剪胀位移增加。

关键词：恒定法向荷载恒定法向刚度支撑剂砂岩裂隙剪切特性

恒定法向刚度边界条件下锚固节理岩体剪切特性试验研究

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岩石力学与工程学报 2021年第4期40卷 663-675页

作者：蒋宇静张孙豪栾恒杰王长盛文志杰王冬韩伟山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地山东青岛266590 长崎大学工学研究科日本长崎852-8521

锚固节理岩体的剪切特性对于岩体工程稳定性控制设计至关重要。开展一系列不同恒定法向刚度(CNS)边界条件下锚固和无锚固类岩石材料粗糙节理剪切试验,研究CNS边界条件对锚固节理剪切力学特性以及节理面剪切破坏、锚杆剪切变形破断和锚... 详细信息

锚固节理岩体的剪切特性对于岩体工程稳定性控制设计至关重要。开展一系列不同恒定法向刚度(CNS)边界条件下锚固和无锚固类岩石材料粗糙节理剪切试验,研究CNS边界条件对锚固节理剪切力学特性以及节理面剪切破坏、锚杆剪切变形破断和锚杆破断剪切位移特征的影响。结果表明:峰前阶段法向刚度对剪切应力第一峰值Tp的影响不明显;峰后阶段剪切应力–剪切位移曲线在法向刚度小于3 GPa/m时呈位移软化特征、等于3 GPa/m时趋近于水平、等于5GPa/m时呈位移硬化特征,随着法向刚度的增加锚杆破断剪切应力Tf会显著提高;锚杆破断后阶段剪切应力–剪切位移曲线呈台阶式下沉。锚固节理的Tp和Tf都高于无锚固节理,法向刚度超过3GPa/m后锚固作用可抵消因节理面磨损导致的剪切强度损失。剪切应力第一峰值提升的剪切强度T1随法向刚度和JRC的增大呈增大趋势,而锚杆破断提升剪切强度T2随法向刚度增大呈减小趋势、随JRC增大呈增大趋势。节理面的破坏范围随法向刚度增大而增大,锚杆孔壁椭圆形破坏范围随法向刚度增大而减小。锚杆剪切后呈现"Z"字型变形特征,随法向刚度增加锚杆破断形式由拉伸破坏到弯曲破坏再到剪切破坏转换。锚杆破断剪切位移在法向刚度为0~1 GPa/m阶段呈增大趋势,1~5 GPa/m阶段呈持续减小趋势。

关键词：岩石力学锚固节理剪切特性节理粗糙度恒定法向刚度边界条件

恒定法向刚度边界条件下平行多粗糙节理剪切特性数值模拟研究

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恒定法向刚度边界条件下平行多粗糙节理剪切特性数值模拟研究

作者：吴家红绍兴文理学院

学位级别：硕士

岩石节理的剪切滑移是工程岩体中常见的破坏模式,因此节理的剪切特性一直是岩石力学领域的一个重要研究课题。对于大多数地下工程,岩体节理剪切破坏受围岩约束,法向应力随法向位移的增大而增大。因此,恒定法向应力(CNL)边界条件不再适用... 详细信息

岩石节理的剪切滑移是工程岩体中常见的破坏模式,因此节理的剪切特性一直是岩石力学领域的一个重要研究课题。对于大多数地下工程,岩体节理剪切破坏受围岩约束,法向应力随法向位移的增大而增大。因此,恒定法向应力(CNL)边界条件不再适用,应采用恒定法向刚度(CNS)边界条件。目前,对单节理剪切特性的研究已经非常成熟。然而,天然岩体中的节理往往不能单独存在,多个节理之间的相互作用对岩体的力学性质有重要影响。因此,本文利用离散元软件UDEC,系统地开展了岩石单节理、双节理、多节理剪切特性的数值模拟试验研究。取得的研究成果如下:(1)利用UDEC软件,选用连续屈服(CY)节理模型作为本构模型,构建CNL及CNS边界条件下的平直单节理直剪模型,开展节理各参数对剪切特性的影响,揭示两种边界条件下节理剪切力学特性的差异,并对该数值模拟方法进行了室内实验验证。(2)采用Hurst指数独立分割法构建5种不同粗糙度的随机形貌岩石节理。以生成的粗糙节理面为研究对象,基于正交试验方法,选取粗糙度系数(JRC)、初始法向应力、法向刚度3个因素,每个因素分别设立5个水平,确立25种试验方案,开展一系列CNS边界条件下岩石单粗糙节理剪切特性的数值模拟研究,得到各因素对岩石节理初始剪应力峰值、岩石节理法向位移、峰值表面阻力指数和法向应力的影响程度,建立峰值表面阻力指数与节理粗糙度系数和初始法向应力之间的经验关系式。(3)开展了CNS边界条件下岩石双粗糙节理剪切效应的数值模拟研究,探究了JRC及节理间距对剪切效应的影响。对于相同的JRC,随着节理间距的增大,初始剪切应力峰值、法向位移、法向应力与峰值表面阻力指数呈逐渐增大趋势。对于相同的节理间距,随着JRC的增大,初始剪切应力峰值、法向位移、法向应力与峰值表面阻力指数呈线性增大趋势。(4)在上述研究的基础上,进一步开展了岩石平行多粗糙节理在5种不同JRC和5种不同节理数量下的剪切数值试验,对于相同的JRC,随着节理数量的增大,初始剪切应力峰值、法向位移、法向应力与峰值表面阻力指数呈逐渐减小趋势。对于相同的节理数量,随着JRC的增大,初始剪切应力峰值、法向位移、法向应力与峰值表面阻力指数呈线性增大趋势。

关键词：恒定法向刚度粗糙度节理间距节理数量剪切特性

恒定法向刚度边界条件下岩石节理剪胀特性数值模拟

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采矿与岩层控制工程学报 2022年第2期4卷 67-77页

作者：吴家红刘杰宋彦彬绍兴文理学院土木工程学院浙江绍兴312000 浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室浙江绍兴312000 浙江省山体地质灾害防治协同创新中心浙江绍兴312000

恒定法向刚度边界条件下的节理剪胀特性对于深部地下工程岩体稳定性至关重要。利用UDEC软件,基于连续屈服微段节理模型,构建恒定法向刚度边界条件下岩石节理剪切离散元计算模型,探讨恒定法向刚度边界条件下岩石节理的剪胀效应。结果表明... 详细信息

恒定法向刚度边界条件下的节理剪胀特性对于深部地下工程岩体稳定性至关重要。利用UDEC软件,基于连续屈服微段节理模型,构建恒定法向刚度边界条件下岩石节理剪切离散元计算模型,探讨恒定法向刚度边界条件下岩石节理的剪胀效应。结果表明:岩石节理剪胀段的剪胀位移呈负指数增长;岩石节理的最大剪胀位移与最大起伏高度呈正相关关系,与初始法向应力和法向刚度呈负相关关系;岩石节理剪胀收敛速率随着初始法向应力和法向刚度的增大而增大;通过对岩石节理的宏观剪胀数值曲线的分析,提出适用于恒定法向刚度边界条件的考虑节理的最大起伏高度、凸起体倾角、法向刚度和初始法向应力的岩石节理非线性剪胀模型,通过剪胀理论曲线和数值试验曲线的对比,表明该模型具有较好的普适性。

关键词：恒定法向刚度岩石节理剪切剪胀模型数值模拟

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渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响试验研究

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岩土力学 2013年第9期34卷 2563-2568页

作者：尹立明陈军涛山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室(培育) 山东青岛266590

为研究渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响,通过对6组人造节理试件恒定法向载荷和恒定法向刚度的压剪渗流试验,分析了应力和位移、节理水力开度以及透过率随剪切位移的变化趋势,获得了渗透水压对节理岩石应力-渗流耦合特性的影响规... 详细信息

为研究渗透水压对节理应力-渗流耦合特性的影响,通过对6组人造节理试件恒定法向载荷和恒定法向刚度的压剪渗流试验,分析了应力和位移、节理水力开度以及透过率随剪切位移的变化趋势,获得了渗透水压对节理岩石应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明:节理试件的剪切应力和位移、水力开度以及透过率都与渗透水压密切相关。剪切应力随渗透水压的增大而减小,法向变形、水力开度和透过率却随渗透水压的增大而增大。在压剪渗流试验过程中,不同渗透压力的节理试件都发生了剪胀效应。研究可为深部岩体工程围岩遇水作用稳定性及渗流灾害控制技术提供科学的理论依据。

关键词：应力-渗流耦合恒定法向刚度水力开度透过率渗透水压

基于颗粒离散元法的岩石节理面剪切破坏细观机理

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中南大学学报（自然科学版） 2015年第4期46卷 1442-1453页

作者：王刚张学朋蒋宇静李博吴学震黄娜山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590 山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室山东青岛266590 长崎大学工学部日本长崎852-8521

基于颗粒流理论,以含不同粗糙度系数的岩石节理面为研究对象,利用PFC2D程序在恒定法向荷载(CNL)和恒定法向刚度(CNS)边界条件下进行直接剪切试验模拟,分别从宏观和细观角度探讨节理在不同边界条件下剪切过程中的力学演化规律和破坏机制... 详细信息

基于颗粒流理论,以含不同粗糙度系数的岩石节理面为研究对象,利用PFC2D程序在恒定法向荷载(CNL)和恒定法向刚度(CNS)边界条件下进行直接剪切试验模拟,分别从宏观和细观角度探讨节理在不同边界条件下剪切过程中的力学演化规律和破坏机制。模拟值与JRC-JCS模型的预测值具有良好的一致性。研究结果表明:岩石节理面的抗剪强度及其对应的剪切位移以及残余强度随法向应力的增加而增大。CNL边界条件下的抗剪强度和残余强度比CNS边界条件的低,而法向位移比CNS边界条件的高;在整个剪切过程中,粒间接触力的分布和残余阶段最大接触力的变化趋势在2种边界条件下存在不同。节理面凸起位置容易发生接触压力集中现象,细观裂纹也主要聚集在凸起的位置且张拉裂纹占绝对优势。不论在CNL边界条件下还是在CNS边界条件下,试件在剪切过程中主要经历弹性阶段、稳定破裂传播阶段、非稳定破裂传播阶段以及残余阶段的稳定破裂传播阶段。

关键词：岩石节理粗糙度直剪试验颗粒流理论恒定法向刚度

新型数控岩石节理剪切渗流试验台的设计与应用

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岩土力学 2009年第10期30卷 3200-3208页

作者：王刚蒋宇静王渭明李廷春山东科技大学土木建筑学院青岛266510 山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室青岛266510 日本长崎大学工学部

岩石节理的应力渗流耦合性质对工程结构稳定性的影响普遍存在于各种岩体工程中,而进行岩石节理的室内剪切-渗流耦合试验,是一种有效的研究手段。采用新型数控岩体节理剪切渗流耦合试验台,应用全数字伺服控制系统,实现了对试验进程的平... 详细信息

岩石节理的应力渗流耦合性质对工程结构稳定性的影响普遍存在于各种岩体工程中,而进行岩石节理的室内剪切-渗流耦合试验,是一种有效的研究手段。采用新型数控岩体节理剪切渗流耦合试验台,应用全数字伺服控制系统,实现了对试验进程的平稳控制以及试验数据的多路同步实时采集和处理;通过剪切盒的精细设计,提高了剪切盒可承受的渗透压力值,并保证试验过程密封性能良好的同时实现了柔性边界条件。在恒定渗透压力作用下,分别进行了不同边界条件下的剪切渗流耦合试验,试验结果验证了该试验装置的可靠性和实用性,将能为岩体工程的合理设计提供有效数据依据。该试验台可以应用于地下核废料储存、水利水电地下洞室、水下隧道、采矿等工程有关问题的研究中。

关键词：岩石节理剪切盒高渗透压力恒定法向刚度全数字伺服控制