灌水泥浆硬性结构面压剪强度特性与蠕变特性研究

针对灌浆节理的剪切强度特性与蠕变特性开展研究。利用数值试验、室内试验方法对于灌浆节理进行压剪破坏试验和蠕变破坏试验，对其变形特点、破坏特点和破坏机制进行了深入研究分析。利用激光扫描仪，对劈裂张开型节理面进行扫描，在此基础上将节理表面离散成三角网，提出了一种新的基于三维均方根抵抗角的节理面粗糙度分形描述方法，用于描述节理粗糙度的各向异性特性；以Barton提出的十条标准节理剖面线为研究对象，建立一种新的JRC计算公式，从而使JRC的估算公式不再依赖于离散间距。引入节理三维形貌参数，建立了节理峰值剪切强度准则，比Barton准则更好地反映节理面强度；建立了考虑三维形貌特征的充填水泥浆岩石节理峰值剪切强度模型，能比较好地反映灌浆节理峰值强度随形貌参数、灌浆充填度、法向应力以及灌浆强度与岩壁强度比等的影响。研究建立了客观推断岩块或节理的长期强度的新方法，用于灌浆节理长期强度的变化研究。提出流变瞬时强度概念，建立了描述岩块和节理面的非线性粘弹塑性流变破坏模型；针对灌浆节理，研究并提出了灌浆节理的非线性粘弹塑性流变破坏模型。 2100433B

以灌水泥浆的节理裂隙等灌浆硬性结构面为研究对象，利用三轴室等设备对灌浆节理裂隙进行压剪破坏试验和压剪蠕变破坏试验；分析灌浆节理裂隙的破坏机制和强度特性，建立压剪条件下灌浆节理裂隙的屈服准则；分析其蠕变特点，研究快速试验、客观推断灌浆节理裂隙长期强度的新方法，并由压剪蠕变试验结果推断灌浆节理裂隙的长期压剪强度；建立引入强度时效性的灌浆节理裂隙非线性粘弹塑性蠕变模型。研究成果具有创新性，将拓展和完善岩体的强度理论和流变理论体系，推动岩石力学理论向深度和广度发展，为有限元等数值方法计算分析灌浆岩体的破坏机制、稳定性和长期变形奠定基础，具有重要的理论价值；将促进合理利用固结灌浆或注浆在强度、蠕变方面的加固作用，有助于经济合理地解决工程设计难题，保障国家重大工程项目的安全，并推动固结灌浆或注浆加固技术的发展应用，具有重要的工程意义和经济意义。

本课题通过对岩体结构面剪切试验的研究，利用剪切位移曲线及扩容曲线，深入系统地认识结构面的瞬时力学特性和变形破坏规律；通过对不同角度、不同粗糙度结构面剪切流变试验的研究，分析归纳应力水平、结构面的粗糙度等因素对结构面蠕变特性的影响及其变化规律，并得到了合理确定结构面长期强度的试验方法和理论依据；通过含绿片岩软弱结构面的大理岩试件的剪切蠕变室内试验，建立了非线性剪切流变本构模型，并对结构面的长期强度特性进行了研究；利用FLAC3D软件建立不同结构面角度的三维规则齿形结构面模型，进行不同应力水平条件下的结构面常规剪切试验和剪切蠕变试验，分析了不同结构面角度和应力水平对结构面强度和变形特性的影响。 2100433B

由于岩体中存在着结构面，使得岩体成为一种极为复杂的介质，加大了岩体稳定性研究的难度。因此，系统地研究结构面在瞬时荷载和长期荷载作用下的力学特性，是从本质上解决这一难题的必经之路。本课题以Barton提出的评价结构面粗糙度的方式为基础，通过规则齿型结构面及天然岩体结构面的瞬时加载剪切试验和剪切流变试验，利用结构面的剪切位移曲线和剪切扩容曲线，建立一套定量评价结构面粗糙度对力学特性影响的方法；综合考虑各种不同的影响因素，探讨结构面的非线性变形机理，建立引入结构面粗糙度参数且考虑结构面非线性特性的剪切本构方程和流变本构方程；分析对比结构面在瞬时荷载及长期荷载作用下的强度特性的异同，建立考虑结构面粗糙度特性的强度公式；寻找一种合适的结构面长期强度的评价方法，提出描述结构面长期强度的经验公式，建立结构面长期强度评价体系；应用上述的研究成果及数值计算软件，对边坡工程和地下工程围岩进行稳定性评价。

由于氧化使蠕变断裂寿命显著降低的部分数据排除在外。耐热钢的蠕变强度在100MPa以上的应力区，根据钢的不同而有很大差异，如换算成断裂寿命则分散在4位数或4位以上宽的范围内。但断裂强度的分散程度随着应力的下降而减少，在低应力的高温长时间方面，认为所有种类钢的断裂强度换算成断裂寿命，都有收敛在1位数很窄范围内的倾向。根据这个结果，在前面报导中推测的结果是铁素体系耐热钢的基体蠕变强度不论钢种是否不同都是同等程度，另一方面，碳钢蠕变强度特性与耐热钢有很大的不同，认为有以下特征。

1.碳钢的蠕变强度比耐热钢的断裂强度小，其裂寿命短1-2位数。

2.碳钢蠕变断裂强度对应力的依赖性、数据段的梯度，在200MPa以下很宽的范围内几乎是一定的，与耐热钢在低应力、长时间方面表示出的共同断裂强度对应力的依赖性为同等程度。

3.碳钢的蠕变断裂强度，换算成破断裂寿命，分散在一位数范围内。化学成分差别很大的10种耐热钢蠕变断裂强度，与在低应力方面收敛在相同程度范围内相比较，碳钢蠕变裂裂强度分散程度相当大 。