土石混合体是非均匀、非连续的,在外力作用下,其内部应力分布是不均匀的,其真正的边界条件是等应力边界条件。现有的土力学实验机都是刚性边界加载,即按等位移边界条件加载,不适用于研究非均匀材料。基于此自行研制了等应力边界加载实验机,通过采用柔性压头和柔性底座施加等应力边界条件,研究两种边界条件下土石混合体抗剪强度参数的差异,同时采用课题组自行研发的CDEM(Continuum-based Discrete Element Method)计算软件,开展了相应的数值计算,结果表明,传统的等位移边界条件所得不均匀地质体参数明显大于同等条件下等应力边界条件所得参数(约20%),是偏不安全的。
岩体的稳定性分析关系到采矿工程、地下隧道工程和边坡工程等重要基础工业的设计、施工、运行的安全和效益等方面。而岩体沿着弱面发生剪切破坏是导致大部分岩石工程失稳的主要原因之一。例如对于非锚固的边坡工程而言,作用在岩体上的法向荷载主要来自于岩体的自重,因而在剪切过程中法向荷载保持不变,这属于恒定法向力（Constant Normal Stress,CNL）边界条件。但是对于深部地下工程而言,岩体的膨胀受到围岩的限制不能自由变形,而这种限制作用又会反过来使得作用于岩体的法向荷载不断演变,这属于恒定法向刚度（Constant Normal Stiffness,CNS）边界条件。因此,研究不同边界条件下岩石的直剪破坏机理对于岩石工程的稳定性控制有着重要意义。本文在国家重点研发计划项目（2017YFC0603001）的资助下,采用自主研发的恒定法向刚度装置,通过不同边界条件下对45块不同节理面粗糙度和30块黄砂岩试样开展室内直剪试验并结合数值模拟系统研究了边界条件对岩石剪切效应的影响,主要研究成果如下:（1）采用室内直剪试验的方法研究了恒定法向刚度边界条件下不同节理面粗糙度和不同初始法向力对节理岩体剪切效应的影响。结果表明:随着节理面粗糙度和初始法向力的增大,试样的抗剪性能得到明显提高,并且在低初始法向力下表现出应变硬化现象,在高初始法向力下表现出应变软化现象。此外,节理面粗糙度越大,岩石的剪胀效应越明显,而随着初始法向力的提高会限制岩石节理的剪胀。（2）试验研究揭示了不同边界条件下砂岩试样的剪切效应,深入分析了边界条件和初始法向力对岩石剪应力、法向力、法向位移以及声发射信号等参数的影响规律。结果表明:CNL和CNS边界条件下砂岩的剪切行为存在明显差异,这种差异主要体现在CNS边界条件下岩石抗剪强度、法向力均明显高于CNL边界条件,而剪胀变形却低于CNL边界条件;试样在CNS边界条件下早于CNL边界条件进入塑性破坏阶段;通过三轴压缩与不同边界条件下的直剪试验得到抗剪强度参数之间存在黏结弱化-摩擦强化的关系,即cTriaxial>cCNS>cCNL,φTriaxial<φCNS<φCNL。（3）依据上述实验结果,通过自主编写的颗粒流程序,实现了恒定法向力和恒定法向刚度边界条件,并开展了不同边界条件下,岩性和剪切速率对岩石剪切效应影响的数值模拟研究。结果表明:不同边界条件下,煤岩、粗粒黄砂岩和砂质泥岩的剪应力、法向力和法向位移的变化规律总体均为:煤岩<粗粒黄砂岩<砂质泥岩;CNL边界条件下,试样内部裂纹和剪切破裂带主要集中于最大峰值强度处产生,而CNS边界条件下,试样内部的剪切破裂带产生于初始峰值强度处,裂纹增加则集中于初始峰值强度、最大峰值强度和剪切滑移三个阶段;不同边界条件下,随着剪切速率的增加,砂岩峰值剪切强度呈现指数型减小趋势,且CNS边界条件下试样剪切速率效应更为显著。该论文有图63幅,表7个,参考文献148篇。
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