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剪切破坏过程中岩体单裂隙力学及非线性渗流特性试验研究

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应用力学学报 2024年

作者：曹成许增光柴军瑞张志华西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室

裂隙岩体在复杂应力和渗流环境下的物理力学特性对库坝系统岩体稳定极为重要。为了厘清剪切-渗流耦合作用下的岩体裂隙力学及渗流特性，本文通过制作类岩试件开展了岩体单裂隙剪切-渗流耦合试验，分析了剪切过程中裂隙剪切强度、法向位... 详细信息

裂隙岩体在复杂应力和渗流环境下的物理力学特性对库坝系统岩体稳定极为重要。为了厘清剪切-渗流耦合作用下的岩体裂隙力学及渗流特性，本文通过制作类岩试件开展了岩体单裂隙剪切-渗流耦合试验，分析了剪切过程中裂隙剪切强度、法向位移增量、剪胀角、Forchheimer定律系数等参数的演化过程，以峰值剪切位移为分界点，基于Patton强度公式以及峰后剪胀公式构建了全剪切强度计算公式。以Forchheimer定律为基础阐明了高水压和剪切破坏共同作用下裂隙非线性渗流特性的演化过程，揭示了Forchheimer定律线性项及非线性项系数的演化过程，建立了用于判断渗流流态的临界雷诺数计算公式。结果表明剪切破坏产生的碎屑充填物对裂隙峰后剪切强度、剪胀角和渗流特性影响显著，构建的剪胀公式和剪切强度计算公式可确定任意时刻的裂隙剪切强度值和隙宽变化值；由于水流惯性力的影响高渗压作用下裂隙非线性渗流特性显著，剪切过程中Forchheimer定律线性项及非线性项系数不断减小并趋于稳定，并且临界雷诺数在剪切过程中不断增大。

关键词：单裂隙剪切-渗流耦合剪切强度剪切破坏非线性渗流

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立贮固体发动机黏接界面剪切破坏风险研究

装备环境工程 2024年第4期21卷 17-23页

作者：周坤林陈家兴樊自建申志彬国防科技大学空天科学学院长沙410073 空天任务智能规划与仿真湖南省重点实验室长沙410073 内蒙动力机械研究所呼和浩特010010

目的评估长期立贮固体发动机黏接界面因剪切变形导致破坏的风险。方法对固体发动机黏接界面剪切试件进行高温加速老化,而后对老化剪切试样进行定速拉伸剪切试验,依据剪切试验结果,总结固体发动机黏接界面力学性能的老化规律。基于Arrhen... 详细信息

目的评估长期立贮固体发动机黏接界面因剪切变形导致破坏的风险。方法对固体发动机黏接界面剪切试件进行高温加速老化,而后对老化剪切试样进行定速拉伸剪切试验,依据剪切试验结果,总结固体发动机黏接界面力学性能的老化规律。基于Arrhenius方程外推得到固体发动机黏接界面考虑老化的剪切变形破坏判据,采用该破坏判据对立式贮存15 a的某型固体发动机黏接界面因剪切变形发生破坏的风险进行评估。结果黏接界面在经过15 a的老化后,其最大剪切变形为0.7926 rad,比初始性能下降5.31%。选定某型固体发动机进行长期立贮工况计算,仿真计算结果显示,该固体发动机立贮15 s时,黏接界面危险点处的切向应变值0.4633 rad。该值小于老化15 a后黏接界面剪切变形破坏起始点,即该发动机在立式贮存15 a后,界面剪切变形程度未达到破坏阈值。结论该破坏判据能够较为直观地对长期立式贮存固体发动机黏接界面因剪切变形发生破坏的风险进行评估,可为长期贮存固体发动机黏接界面结构完整性评估提供借鉴参考。

关键词：固体发动机长期贮存高温加速界面老化剪切破坏结构完整性评估

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不同结构面贯通度花岗岩剪切破坏的微震演化特征

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工程勘察 2024年

作者：覃子秀黄日仙黄修贤苏子祥黄京华广西新发展交通集团有限公司广西交建工程建设集团有限公司广西大学土木建筑工程学院

为探究不同结构面贯通度花岗岩剪切破坏的微震演化特征，利用真三轴岩爆试验系统，对花岗岩开展真三轴加载条件下的直剪试验，试验结果如下：结构面贯通度越大，波形高幅值首次出现越早；信号活跃指数首次快速上升的时间提前；微震累积... 详细信息

为探究不同结构面贯通度花岗岩剪切破坏的微震演化特征，利用真三轴岩爆试验系统，对花岗岩开展真三轴加载条件下的直剪试验，试验结果如下：结构面贯通度越大，波形高幅值首次出现越早；信号活跃指数首次快速上升的时间提前；微震累积活跃指数的最终值随着结构面贯通度的增大而减小；第一次出现低频高幅值点的时间随着结构面贯通度的增大而提前；b值先骤降到极低值，随后骤升到原水平的现象；高能量区域的时长与结构面贯通度呈负相关；宏观破坏前夕的分型维数的上升率随结构面贯通度的增大而减小；结构面贯通度的增加，使得花岗岩的力学性能发生显著变化，其抗剪强度降低。通过上述6种微震特征参数的研究及分析，总结出了含非贯通结构面花岗岩剪切破坏过程中的微震信号的前兆特征，为危岩崩塌预警提供科学依据，具有推广应用价值与广泛工程应用前景。

关键词：贯通度剪切破坏直剪试验微震特征

不同结构面贯通度花岗岩剪切破坏的声发射演化特征

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水力发电 2024年

作者：覃子秀彭晋戈苏子祥黄京华刘宗辉广西新发展交通集团有限公司广西大学土木建筑工程学院

为探究不同结构面贯通度花岗岩剪切破坏的声发射演化特征，利用真三轴岩爆试验系统，开展0、40%、80%等3种结构面贯通度花岗岩的直剪试验，采集花岗岩加载至破坏过程中的声发射信号，并对其演化特征进行研究。结果表明，结构面贯通度对... 详细信息

为探究不同结构面贯通度花岗岩剪切破坏的声发射演化特征，利用真三轴岩爆试验系统，开展0、40%、80%等3种结构面贯通度花岗岩的直剪试验，采集花岗岩加载至破坏过程中的声发射信号，并对其演化特征进行研究。结果表明，结构面贯通度对直剪试验花岗岩破裂过程中的声信号的演化特征具有显著影响，最大撞击数、剪切滑移破坏前累计振铃计数上升率、累积绝对能量曲线的“阶梯”高度、高幅值点的分频现象明显程度、RA值的均值等5个特征值均随结构面贯通度的增大而减小；声发射撞击数出现“相对平静期”现象，振铃计数达到30 000次以上，RA值、绝对能量持续一定时长处于较高值，高幅值点分布的频段范围较大。

关键词：花岗岩结构面贯通度剪切破坏声发射直剪试验

不同围压与水压下红砂岩三轴剪切–渗流试验研究

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岩石力学与工程学报 2024年第4期43卷 862-877页

作者：赵成业梁正召张培森唐世斌陈凡宋文成大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024 大连理工大学岩石破裂与失稳研究中心辽宁大连116024 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 山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心山东青岛266590

为研究红砂岩剪切开裂过程中及剪切破坏前后力学与渗流规律,基于Rock Top多场耦合试验仪及自制剪切导流组件,实现三轴应力环境下的标准圆柱形试件剪切试验条件,开展不同围压、渗透压差作用下红砂岩三轴剪切–渗流试验研究,并利用离散元... 详细信息

为研究红砂岩剪切开裂过程中及剪切破坏前后力学与渗流规律,基于Rock Top多场耦合试验仪及自制剪切导流组件,实现三轴应力环境下的标准圆柱形试件剪切试验条件,开展不同围压、渗透压差作用下红砂岩三轴剪切–渗流试验研究,并利用离散元颗粒方法研究不同尺寸、形状模型的剪切开裂过程。研究表明:(1)峰前剪应力随剪切变形整体呈线性上升趋势,峰后剪切及环向变形速率加快,剪应力出现1~3次应力降;围压越大,峰前变形曲线斜率越大,剪切变形终值递增,环向变形–剪切位移曲线则越趋于平缓;峰值环向变形较为集中。(2)剪切–渗流过程可分为渗流中断阶段、渗流状态转变阶段、渗流速度逐增阶段,剪应力特征值与围压具有良好的线性关系。(3)岩样表现为宏观单一剪切面破坏,围压越大,断口边缘破碎越严重,端部剪切裂缝越大。(4)剪切破坏前后渗流量与围压服从幂函数递减规律;渗流量均随渗透压差升高而呈现极好的线性关系,且流量–渗透压差拟合曲线斜率随着围压的增大而减小;剪应力卸荷后的渗流量相比于卸荷前降低一个数量级,且随着围压增大,两者之间的差值逐渐减小。(5)模拟结果与试验相似,显示围压约束和法向约束条件下均出现斜向剪切裂纹,斜剪裂纹发育角度及密度受长径比、体积影响,三维尺寸比例为1时其影响程度最小,等尺寸比时三轴剪切强度弱于直剪强度。以上研究结果表明此次三轴剪切试验无论在方法、结果方面均具有一定的可靠性。

关键词：岩石力学剪切–渗流围压渗透压差剪切破坏

无黏性松散土石混合体剪切特性的结构效应及强度模型构建

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岩石力学与工程学报 2024年第7期 1707-1721页

作者：任明辉赵光思浦海尹乾王涛中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室深地科学与工程云龙湖实验室中国矿业大学力学与土木工程学院

综合室内直剪试验、DEM模拟和理论解析等手段，从多尺度角度揭示和表征了中低体积含石量下土石混合体的剪切破坏机制。试验结果表明，无黏性土石混合体的剪胀规律受控于基质密实度，块石体积含量(VBP)和外部法压的共同作用，其内摩擦角... 详细信息

综合室内直剪试验、DEM模拟和理论解析等手段，从多尺度角度揭示和表征了中低体积含石量下土石混合体的剪切破坏机制。试验结果表明，无黏性土石混合体的剪胀规律受控于基质密实度，块石体积含量(VBP)和外部法压的共同作用，其内摩擦角演化具有显著的非线性特征(VBP剪切带的不规则度是土石混合体与砂土剪切行为的关键差异。最后，基于中低含石量下土石混合体的工程地质特征与强度发挥机制的讨论，提出表征块石结构力学含义的新公式，通过理论分析发现Lindquist的修正强度模型是剪切应力传递的简化描述。初步构建物理意义明确的土石混合体新强度模型(等效粗糙度模型)，通过对黏性和无黏性两类土石混合体的试验结果对比，验证新模型可有效预测中低含石量下土石混合体的非线性强度包线。

关键词：土力学土石混合体结构效应剪切破坏强度准则应力传递

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常法向应力下非连续结构面剪切破坏特征研究

岩土力学 2023年第S1期44卷 173-185页

作者：刘畅江权阮航李超毅杜三林中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 华能西藏水电安全工程技术研究中心西藏林芝860061

为揭示不同倾角硬岩非连续结构面剪切破裂机制,开展了常法向应力下8种不同节理角度的非连续结构面剪切试验及同步声发射监测,并基于声发射信号主频实现了破坏过程中破裂程度的定量分析,结合剪切破坏强度、剪切破坏结构和破裂程度演化过... 详细信息

为揭示不同倾角硬岩非连续结构面剪切破裂机制,开展了常法向应力下8种不同节理角度的非连续结构面剪切试验及同步声发射监测,并基于声发射信号主频实现了破坏过程中破裂程度的定量分析,结合剪切破坏强度、剪切破坏结构和破裂程度演化过程,研究了硬岩非连续结构面剪切破坏特征。结果表明:非连续结构面破坏阶段Ⅰ的荷载峰值SR1整体变化趋势呈现水平横置S型,阶段Ⅱ的峰值荷载SR2呈现节理角度对称分布,当节理角度为正向小角度时,SR1>SR2,而负向角度和正向大角度时,均为SR2>SR1;其破坏结构可以分为平面破坏结构、锯齿型破坏结构和块体破坏结构3种,3种破坏结构实际由4种裂纹扩展方式决定;节理角度对非连续结构面剪切过程中大尺度破坏的出现具有控制作用,在节理角度较大下非连续结构面在破坏阶段Ⅰ和破坏阶段Ⅱ均发生较大尺度的破坏,而节理角度较小时非连续结构面仅在破坏阶段Ⅰ发生大尺度破坏;非连续结构面的破坏过程可以划分为4类,随着节理角度的增加,破坏过程由单峰−突发型发展为双峰平稳−平稳型,进而为双峰突发−平稳型,最终为双峰突发−突发型。

关键词：非连续结构面剪切破坏破坏结构信号主频破裂比例

BFRP筋混凝土深梁动态剪切破坏尺寸效应模拟

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振动工程学报 2023年第1期36卷 196-206页

作者：金浏雷宇霜杜修力北京工业大学城市减灾与防灾防护教育部重点实验室北京100124

为研究玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋混凝土深梁动态剪切破坏机制及其尺寸效应规律,考虑混凝土非均质性、混凝土/BFRP筋相互作用以及混凝土和BFRP筋在材料层面的应变率效应,建立了BFRP筋混凝土深梁细观尺度三维数值模型。利用已有的试... 详细信息

为研究玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋混凝土深梁动态剪切破坏机制及其尺寸效应规律,考虑混凝土非均质性、混凝土/BFRP筋相互作用以及混凝土和BFRP筋在材料层面的应变率效应,建立了BFRP筋混凝土深梁细观尺度三维数值模型。利用已有的试验数据验证了该数值模拟方法的合理性和准确性,采用该方法研究了不同尺寸但几何相似的BFRP筋混凝土深梁在不同应变率下的剪切破坏模式及失效机制。分析了截面尺寸、配箍率、应变率对BFRP筋混凝土深梁剪切破坏及相应尺寸效应规律的影响。结果表明:动载下梁的破坏模式与静载时存在较大差异,但均表现出尺寸效应;增大应变率及配箍率均能有效提高梁承载力且削弱剪切尺寸效应,但应变率的作用程度明显大于配箍率。

关键词： BFRP筋混凝土深梁应变率配箍率剪切破坏尺寸效应细观模拟

钢筋及BFRP筋混凝土深受弯构件受剪性能及尺寸效应对比分析:试验研究

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土木工程学报 2024年第4期57卷 1-11,22页

作者：金浏宋博张江兴杜修力北京工业大学城市减灾与防灾防护教育部重点实验室北京100124

文章旨在研究并对比钢筋及BFRP筋(玄武岩纤维增强筋)混凝土深受弯构件受剪性能及尺寸效应的异同,对4根钢筋混凝土深受弯构件及4根BFRP筋混凝土深受弯构件(梁高为300~1200mm)进行了剪切破坏试验。对比分析了荷载-位移曲线、斜裂缝宽度、... 详细信息

文章旨在研究并对比钢筋及BFRP筋(玄武岩纤维增强筋)混凝土深受弯构件受剪性能及尺寸效应的异同,对4根钢筋混凝土深受弯构件及4根BFRP筋混凝土深受弯构件(梁高为300~1200mm)进行了剪切破坏试验。对比分析了荷载-位移曲线、斜裂缝宽度、混凝土应变、纵筋应变及腹筋应变随结构尺寸变化的发展趋势。揭示了钢筋及BFRP筋混凝土深受弯构件抗剪强度尺寸效应规律,并分析了设计规范和计算方法的适用性。研究表明:(1)BFRP筋混凝土深受弯构件的极限荷载约为钢筋混凝土深受弯构件的0.3~0.5倍,而挠度约为钢筋混凝土深受弯构件的1.4~1.7倍;(2)梁高从300mm增至1200mm时(试验梁的水平及竖向腹筋率均为0.51%),钢筋混凝土深受弯构件的名义极限抗剪强度下降34.0%,而BFRP筋混凝土深受弯构件下降45.7%;(3)对于大尺寸构件的抗剪承载力,设计规范的计算结果安全储备不足,未能合理考虑尺寸效应;(4)提出的尺寸效应理论公式可以定量描述结构尺寸对钢筋及BFRP筋混凝土深受弯构件名义极限抗剪强度的影响。

关键词：深受弯构件 BFRP筋剪切破坏受剪性能尺寸效应