煤炭学报

作者：刘新荣, 许彬, 周小涵, 易立, 曾夕, 王继文,

关键词：软硬互层岩体结构面, 直剪试验, PFC2D细观模拟, 剪切特性, 剪切强度公式,

针对“软+硬”和“硬+软+硬”组合形式下的2类典型软硬互层岩体结构面，通过开展恒定法向压力下的室内直剪试验和PFC2D细观模拟，研究了不同含水率、法向压力及一阶起伏角下结构面的宏细观剪切力学特性，据此提出了其剪切强度估算公式并进行了算例验证分析。研究表明:① 结构面剪切应力(法向位移)随剪切位移的变化具有显著阶段性发展特征，即第1类结构面历经初始非线性压剪变形、应力稳定增长压剪变形和应力陡升-脆落塑性压剪变形3个阶段，第2类结构面历经初始非线性压剪变形、应力陡-缓升压剪变形和应力恒定塑性压剪变形3个阶段;② 2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切位移均随含水率增加而减小(最大法向位移则增大);2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切(最大法向)位移均随法向压力增加而增大;第1类结构面的峰值剪切强度随一阶起伏角增加而增大(残余剪切强度则先增大后减小)，第2类结构面的峰值(残余)剪切强度随一阶起伏角增加而增大，且2类结构面的峰值剪切位移总体上均随一阶起伏角增加而减小(最大法向位移则增大);③ 2类结构面的细观损伤裂纹数量(能量)随剪切位移的变化均可划分为3个发展阶段，即初期微增、中期近似“下凹弧形”陡增和后期近似线性缓增(裂纹数量)以及初期微增、中期近似“上凹弧形”缓增和后期近似线性陡增(能量);④ 宏观试验结果与PFC2D细观模拟结果吻合较好，统一概化描述了结构面宏细观损伤劣化机理，并将第1类和第2类结构面的典型破坏模式分别概括为压剪-起裂破坏、错动-脱空破坏和贯通-啃断破坏以及压剪-起裂破坏、磨损-啃断破坏和贯通-滑移破坏各3种基本类型;第1类和第2类结构面的细观损伤颗粒分别近似呈“倒U形”和“S形”分布于剪切面附近，且颗粒间接触力倾角于0°~90°内时损伤颗粒数量分布最多;⑤ 着重考虑硬性岩层起伏度的影响，提出了2类结构面的剪切强度估算公式，并采用极限平衡法和强度折减法对含典型结构面的边坡算例进行了稳定性分析，验证了该公式的合理性。

来源：2021年第9期

《煤炭学报》期刊编辑部

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