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基于Barton曲线结构面剪切特性试验研究

熊志强  
【摘要】:岩石结构面的剪切特性对岩土工程稳定性评价有着极其重要的作用。目前,学者们对岩石结构面剪切特性的研究大多集中在中低法向应力条件下,并取得了丰富成果。而在自然界中岩石结构面的应力状态复杂多样,对于在高法向应力状态下结构面剪切力学特性的研究较少,特别对大范围应力环境下(低法向应力σ_n/JCS0.3、中法向应力0.3σ_n/JCS0.7、高法向应力0.7σ_n/JCS)的结构面剪切特性研究更少。本文基于Barton经典曲线及3D打印技术,制作了3类粗糙度(JRC=1、JRC=11、JRC=19)下的3种尺寸(100mm×100mm、200mm×200mm、300mm×300mm)结构面试样共计93组,然后通过课题组研制的多功能岩土体接触破损测试系统进行不同尺寸下全应力范围内的结构面直剪试验,分析了结构面剪切特性与法向应力、尺寸以及粗糙度之间的关系,根据结构面破损面积修正了低法向应力下结构面经典的剪切强度准则,主要工作和结论如下:1.基于复杂结构面模板制作的3D打印技术,制得具有Barton经典曲线轮廓线表面形态的结构面试样,与传统结构面试样制作过程相比,不但模型结构面表面气泡较少,而且缩减了试样的制作周期,同时节省了材料及费用。2.根据像素统计方法(PSA)分析结构面剪损面积与法向应力、JRC之间的关系可得,结构面剪损面积随法向应力的增加逐渐增加,随着JRC的增加剪损面积逐渐增大,且得出下盘剪损面积大于上盘剪损面积。3.基于实时监测技术手段对剪切破坏后的结构面表面形态分析可知,当σ_n/JCS0.3时,结构面发生未完全剪损破坏;0.3_(9))/JCS0.7,结构面发生完全剪损破坏;_(9))/JCS大于0.7,结构面则是发生崩碎破坏。4.结构面尺寸为300mm×300mm的全应力直剪试验结果表明,结构面峰值剪切强度存在应力效应,即峰值剪切强度变化率与峰值/残余剪切强度均随法向应力的增加表现出先增加,后趋近平稳,最后减小。5.根据3种尺寸(100mm×100mm、200mm×200mm和300×300mm)的大粗糙度(JRC=19)结构面直剪试验结果可知,尺寸从100mm×100mm~300mm×300mm的结构面剪切强度的尺寸效应表现不明显。6.根据3种粗糙度结构面的全应力范围直剪切试验结果可知,在低法向应力下(_(9))/JCS0.3)结构面峰值剪切强度随粗糙度的增加逐渐增大。7.基于结构面剪损面积分别对Patton及Barton的剪切强度准则进行修正,并通过直剪试验对比验证,获取了考虑剪损面积的修正公式。


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