贯通充填裂隙类岩石渗流特性试验研究

利用3D打印技术制作平行、合并、T型、斜交以及正交裂隙,通过模具浇筑成贯通充填裂隙类岩石试样,应用低渗透岩石惰性气体渗透测试系统测试不同围压加卸载条件下贯通充填裂隙类岩石渗流特性,研究具有不同渗透结构面试样在不同围压作用下气体渗透率的变化规律。通过试验研究发现:充填物相同情况下,开度相同,形式不同的渗透结构面试样渗透率不同,但数量级上不存在差异,以围压加载25 MPa为例,平行裂隙试样渗透率最大,合并裂隙试样渗透率最小;试样渗透率随围压变化曲线在围压加载阶段高于卸载阶段,不同渗透结构面试样渗透率随围压变化波动幅度不同;围压加载阶段贯通充填裂隙类岩石渗透率与围压关系符合多项式函数;不同试样渗透率对应力敏感系数随围压变化曲线在围压加载阶段变化趋势不尽相同,在围压卸载阶段各曲线变化趋于接近,呈"W"型,贯通充填裂隙类岩石渗透率对应力敏感性受渗透结构面影响。     

两统计参数评估结构面粗糙度探讨及试验验证

岩体结构面粗糙度定量化表征对结构面力学性质精准描述具有重要意义。研究表明,在量化结构面粗糙度的众多统计参数中,均方根Z2和结构函数SF与巴顿10条典型节理轮廓线的粗糙度系数JRC值相关性最好。然而,采样间隔是制约其实践应用的重要瓶颈。基于此,应用数字图像处理技术,首先计算10条节理线在采样间隔SI∈[0.2 mm,10 mm]范围的30组Z2和SF值;然后分析不同采样间隔SI分别对Z2和SF的影响规律,进一步推演组合参数(Z2,SI),(SF,SI)分别与JRC的关系;以此提出适用于采样间隔SI∈[1 mm,10 mm]范围内的任一间隔组合参数(Z2,SI),(SF,SI)评估结构面粗糙度JRC的通用方法;最后通过结构面剪切试验验证所提评估公式的可靠性。结果表明:(1)同一节理轮廓线,随采样间隔SI增大,Z2值逐渐减小;而参数SF值随采样间隔SI的增大而增大;两参数Z2和SF分别与SI呈相关性很好的幂函数关系;且其幂函数的系数总体上随JRC的增大而增大。(2)所提2种评估方法经巴顿曲线粗糙度的初步验证,3条节理线(JRC0-2,JRC16-18,JRC18-20)粗糙度估值总体上略偏小些,而(JRC4-6,JRC10-12)这两条节理线粗糙度估值总体上略偏大些,其他5条节理线粗糙度估算值基本分布在其粗糙度范围内。(3)室内直剪试验反算试验结构面4个方向的粗糙度与估算公式结果进行对比验证可知,粗糙度估计值与试验值总体上比较接近;若最大允许偏差为4时,采用两评估方法任一间隔组合参数评估4个方向结构面的粗糙度,其准确率不低于83.33%。该研究成果克服了统计参数Z2,SF评估结构面粗糙度受采样间隔影响的缺陷;为统计参数评估结构面粗糙度提供了一种新方法。     

含裂隙岩石渗流力学特性研究

岩体中裂隙的存在严重影响着岩体的渗流特性。为了解不同载荷作用对含裂隙岩体渗流性能的影响规律,利用高精度渗流应力耦合三轴试验系统,对含裂隙砂岩和粉砂岩加载及卸载作用下的渗流特性进行试验研究。试验结果表明:(1)加载试验过程中,随着载荷的增大,试样裂隙隙宽逐渐减小,渗透率随之逐渐减小,渗透率与有效围压呈负指数关系;(2)卸载过程中,随着载荷的减小,岩石渗透率逐渐回升,但回升路径明显低于原始路径,路径不重合表明试样中裂隙的变形具有塑性变形的特征。根据试验结果,建立渗透率与有效围压的关系式,并确定关系式中的待定参数。在试验及理论研究的基础上,通过数值模拟分析试样裂隙面渗透率及渗流速度的变化规律。     

考虑基质渗透性的岩体单裂隙渗流及影响因素的室内和数值试验研究

为客观评价基质渗透性，并探明其在裂隙岩体渗流中的作用和比重，采用自主研制的应力–渗流耦合试验装置，开展水力耦合条件下完整岩芯和含贯穿单裂隙岩芯(泥岩、砂岩、石灰岩)的渗透试验研究，探究变围压(10～18 MPa)和变裂隙粗糙度系数(1.64～15.52)条件下裂隙、基质的渗流过程及规律。试验结果表明：基质和裂隙的渗透率均随围压的增加而降低，且裂隙渗透率的下降速率快于基质的下降速率，造成裂隙与基质的渗透率比值(Kf/Km)也逐渐下降；当围压增加至18 MPa时，泥岩的Kf/Km已介于7～8(与裂隙粗糙度有关)，小于一个数量级，基质渗透率已不容忽视。为进一步探索不可忽略基质渗透率的围压阈值，采用COMSOL构建含贯穿单裂隙岩芯的数值模型，模型中假定基质和裂隙内的渗流分别服从Darcy定律和Forchheimer定律，进而开展更大围压(3～53MPa)范围和粗糙度系数(2.58～17.4)下的渗流数值模拟。数值模拟结果与试验结果较为一致，精准复现了裂隙及基质渗透率随围压和粗糙度系数的演化规律。若以Kf/Km=10作为界定不可忽略基质渗透性的界限值，对应泥岩、砂岩、石灰岩的围压阈值分别为18,...     

砂岩劈裂裂隙多因素影响下可视化渗流规律研究

基于自主研发的可视化试验装置,应用颜色示踪技术,进行空间多角度砂岩裂隙渗流试验;通过采用图像不同灰度面积处理技术、裂隙面积分析方法,进行图像分区并统计其渗流面积,首次从可视化角度得出在不同法向应力、渗透压、倾角等多因素影响下渗流扩散面积比关系式,指出裂隙渗流加速汇集效应和优势扩散面积区域。并基于裂隙面三维形态测试数据,获得裂隙面粗糙度精确JRC值,利用该JRC值得到裂隙面二维粗糙度云图,并与渗流扩散面积图像相结合,从而确定渗流优势路径范围,指出低粗糙区域是渗流的主要过流路径,进而解释了渗流扩散区域会随倾角增大而减小原因,为隧道工程实践中的防渗封堵提供依据。     

节理粗糙度影响下岩体开挖损伤区分布规律

基于Barton-Bandis抗剪强度模型和现场实测的节理粗糙度系数分布模型,采用UDEC程序中的离散裂隙网络模型研究了节理表面粗糙度对裂隙岩体中圆形隧洞开挖损伤区形状和范围的影响,比较了在存在规则裂隙和复杂裂隙岩体中开挖损伤区的异同。节理粗糙度采用能够反映现场实测裂隙粗糙度系数统计结果的正态分布参数,并采用了不同标准差进行对比。结果表明:裂隙岩体隧洞开挖损伤区范围会随着JRC的增大而明显减小;JRC的增大会减小围岩的变形;在JRC符合正态分布的条件下,损伤区范围会随JRC分布标准差的增加而略有增加;复杂裂隙会扩大隧洞周围损伤区,损伤区分布范围也随着JRC标准差的增大而变得不规则。     

节理粗糙度及吻合状态对岩体动态压缩特性影响的试验研究

节理粗糙度及吻合状态不仅直接影响节理力学性质,也对岩体的动态压缩性质有重要影响。首先采用水泥砂浆材料浇制不同粗糙度的完全吻合和不吻合节理岩体试样,然后使用分离式霍普金森杆系统对所制试样进行冲击试验研究节理岩体的动态压缩性质,同时利用高速摄像机及数字图像相关方法进行观测和计算去探究节理岩体动态破坏过程。结果表明:(1)给定冲击荷载下,节理面粗糙度对完全吻合型节理试样的动态压缩强度和平均模量影响不大,但对不吻合型节理试样影响较大;(2)不吻合型节理表现出非线性动态压缩闭合特点,其闭合特性不仅受到节理面粗糙度的影响,而且与节理的具体形貌特征相关;(3)应力波在通过完全吻合型节理岩体的能力时受到节理面粗糙程度的影响不大,而不吻合节理岩体试样则表现出随着JRC增大而增大的趋势;(4)节理岩体破坏与节理面的不规则凸起有关,节理壁凸起与应力波的相互作用引起节理面凸起处出现应力集中效应。拉应力引起张拉裂纹,而后裂纹扩展,直至贯通,岩体发生劈裂破坏坏。     

节理粗糙度与分维

岩体节理粗糙度JRC不但是估算节理抗剪强度和变形指标最重要的参数,而且对于研究岩石的剪胀效应和渗流性质等具有重要意义.笔者主要回顾了近年来国内外对岩石节理粗糙度系数(JRC)研究的进展,以及所取得的成果,尤其将分形理论应用于研究岩石节理的粗糙度以后,使得对岩体节理粗糙度的描述取得了一定的发展,并得出了JRC与维数的一系列的关系.     

基于JRC的结构面双面剪切强度经验公式

为揭示岩体结构面单、双面剪切强度差异,更好评估层状岩体的稳定性,选择4条Barton标准剖面线建立结构面模型,制作含单、双结构面的类岩试样进行剪切试验。基于试验结果,分析3种法向应力(σ_n)下单、双结构面的峰值剪切强度(τ_p)的差异及其原因。基于颗粒流模拟结果,推导出同JRC双结构面的峰值剪切强度经验公式,引入组合节理粗糙系数(JRC_c)表征异JRC双结构面的粗糙度,构造JRC_c与低、高粗糙度系数(JRC_xx,JRC_yy)的相关关系,建立了综合考虑JRC_xx,JRC_yy对异JRC双结构面峰值剪切强度影响的经验公式,然后分析同JRC双结构面与异JRC双结构面的τ_p随混合节理粗糙系数变化的规律,最终建立了估算任意JRC组合双结构面峰值剪切强度的经验公式。研究表明:在τ_p-JRC曲线的增长趋势随σ_n增大而增大的阶段,σ_n一定时,双结...     

岩石节理面应力–渗流耦合剪切流变试验系统的研制与应用

为了研究岩石节理面在不同应力和渗流耦合条件下的长期力学特性,自主研制岩石节理面应力-渗流耦合流变试验系统,主要由主机、垂向、剪切伺服加载系统、剪切盒、渗流控制系统以及数据动态釆集系统等部分组成,通过配备专门设计的剪切盒装置,能保证节理面在剪切或者剪切流变试验过程中提供最大5 MPa渗透压力,试样的密封方面既考虑了胶套在围压的作用下对试样周围的包裹实现防渗,同时采用主动与被动加载相结合的方式,满足圆形压头与立方体岩样紧密贴合,使得试验过程中节理面在应力渗流耦合剪切流变过程中不发生侧向渗漏。剪切加载可以实现上下任意一块试样固定,而对另一块进行剪切,也可以实现2个方向同时产生剪切位移;满足常法向应力(CNL)、常法向位移(CNV)下结构面剪切或剪切流变试验研究;并实现结构面剪切条件下渗透率的动态测量;该试验机还可开展结构面应力-渗流耦合作用下不同水力梯度和渗透压的剪切流变试验,并开展含节理面花岗岩在不同边界条件下的各类试验,验证了该系统的准确性和可靠性,为节理面应力-渗流耦合剪切流变特性研究提供了支撑,对丰富和完善岩石节理面应力-渗流耦合流变特性理论研究有一定的指导作用。     

Nonlinear shear behavior of rock joints using a linearized implementation of the Barton-Bandis model

Experiments on rock joint behaviors have shown that joint surface roughness is mobilized under shearing,inducing dilation and resulting in nonlinear joint shear strength and shear stress vs.shear displacement behaviors.The Barton-Bandis(B-B) joint model provides the most realistic prediction for the nonlinear shear behavior of rock joints.The B-B model accounts for asperity roughness and strength through the joint roughness coefficient(JRC) and joint wall compressive strength(JCS) parameters.Nevertheless,many computer codes for rock engineering analysis still use the constant shear strength parameters from the linear Mohr-Coulomb(M-C) model,which is only appropriate for smooth and non-dilatant joints.This limitation prevents fractured rock models from capturing the nonlinearity of joint shear behavior.To bridge the B-B and the M C models,this paper aims to provide a linearized implementation of the B-B model using a tangential technique to obtain the equivalent M-C parameters that can satisfy the nonlinear shear behavior of rock joints.These equivalent parameters,namely the equivalent peak cohesion,friction angle,and dilation angle,are then converted into their mobilized forms to account for the mobilization and degradation of JRC under shearing.The conversion is done by expressing JRC in the equivalent peak parameters as functions of joint shear displacement using proposed hyperbolic and logarithmic functions at the pre-and post-peak regions of shear displacement,respectively.Likewise,the pre-and post-peak joint shear stiffnesses are derived so that a complete shear stress-shear displacement relationship can be established.Verifications of the linearized implementation of the B-B model show that the shear stress-shear displacement curves,the dilation behavior,and the shear strength envelopes of rock joints are consistent with available experimental and numerical results.     

Numerical study of flow anisotropy within a single natural rock joint

The paper investigates the flow anisotropy within a natural joint subjected to mechanical shear. The cubic law is the simplest way to describe fluid flow through rock joints but because of rock wall roughness, deviations from this model have been observed. The Reynolds equation usually gives better results. In this study, micro-scale roughness is taken into account to define a reduced coefficient of permeability. Numerical simulations have been carried out by applying Darcy's law to the rock joint, described as an equivalent porous medium. The numerical simulations are based on experimental data obtained by Hans (PhD, Grenoble, 2002) from a series of hydromechanical shear tests on a rock joint replica. The numerical results have been compared to the experimental ones, and to the results obtained by applying the Reynolds equation, to assess the relevance of the simulations. For the fracture studied, the approach proposed herein can reproduce relatively well the experimental flow anisotropy, and provides consistent values of flow rates, whereas the Reynolds equation tends to give higher flow rates.     

Effect of roughness on the shear behavior of rock joints subjected to impact loading

The shear behavior is regarded as the dominant property of rock joints and is dramatically affected by the joint surface roughness. To date, the effect of surface roughness on the shear behavior of rock joints under static or cyclic loading conditions has been extensively studied, but such effect under impact loading conditions keeps unclear. To address this issue, a series of impact shear tests was performed using a novel-designed dynamic experimental system combined with the digital image correlation (DIC) technique. The dynamic shear strength, deformability and failure mode of the jointed specimens with various joint roughness coefficients (JRC) are comprehensively analyzed. Results show that the shear strength and shear displacement characteristics of the rock joint under the impact loading keep consistent with those under static loading conditions. However, the temporal variations of shear stress, slip displacement and normal displacement under the impact loading conditions show obviously different behaviors. An elastic rebound of the slip displacement occurs during the impact shearing and its value increases with increasing joint roughness. Two identifiable stages (i.e. compression and dilation) are observed in the normal displacement curves for the rougher rock joints, whereas the joints with small roughness only manifest normal compression displacement. Besides, as the roughness increases, the maximum compression tends to decrease, while the maximum dilation gradually increases. Moreover, the microstructural analysis based on scanning electron microscope (SEM) suggests that the roughness significantly affects the characteristics of the shear fractured zone enclosing the joint surface.     

随机形貌岩石节理剪切数值模拟和非线性剪胀模型

 采用满足正态分布的随机函数,构造岩石节理剖面的形貌,为研究受剪岩石节理的细观剪切特性和宏观剪胀效应提供研究基础。利用UDEC软件,基于CY微段节理模型,开发随机形貌岩石节理直剪特性的数值分析程序,采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨微段节理的细观剪切特性和岩石节理的宏观剪切响应,提出节理抗剪强度参数与节理面粗糙度系数JRC之间的拟合关系。得到如下结论：JRC越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大,而峰值剪切位移与JRC成反变化关系;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;这些数值结论得到模型实验的充分验证。微段节理的细观切向爬坡和剪胀效应是岩石节理产生宏观剪胀的细观力学机制。通过对随机形貌岩石节理的宏观剪胀数值曲线性态进行分析,提出能考虑节理粗糙度JRC和法向应力影响的非线性剪胀本构模型,该模型较好描述了受剪岩石节理的剪缩段和剪胀段。     

Grasselli节理峰值抗剪强度公式再探

 确定节理峰值抗剪强度公式面临的首要问题是获取节理表面形貌并合理的评价其粗糙度。常用的方法是节理粗糙度系数(JRC)评价方法,但JRC的评价结果是基于二维剖面线获得的,该方法低估了节理面的粗糙度且具有较大的主观性。节理面形貌测试表明,节理面微元有效剪切倾角 与≥ 的微元面积的总和与节理总面积的比值呈高次抛物线关系。基于42组不同形貌节理的直剪试验结果,将节理的峰值剪胀角与形貌参数相联系,提出新的能够考虑剪胀效应的节理峰值抗剪强度公式。新峰值抗剪强度公式符合莫尔–库仑摩擦定律的形式,具有明确的物理含义。所需要的参数均由节理面形貌测试确定,因此能够预测节理的峰值抗剪强度。最后,对已有的节理峰值抗剪强度公式进行比优统计分析并建议公式的使用范围。     

Estimating the relation between surface roughness and mechanical properties of rock joints

Discontinuities in rock masses have an important influence on deformational behaviour of blocky rock systems. For a single rock joint, the roughness of its surface is of paramount importance to its mechanical and hydraulic properties, such as friction angle, shear strength, and dilatancy/aperture. Many methods have been used to characterize the surface roughness of rock joints, such as joint roughness coefficients (JRC), root mean square (RMS) value, structure function (SF) etc. However, most of these methods can only be used in the 2-D models. In this study, we carried out direct shear experiments on rock joints under both constant normal load (CNL) and constant normal stiffness (CNS) conditions, and measured the surfaces of rock joints before and after shearing, using a 3-D laser scanning profilometer system. By using a 3-D fractal evaluation method of roughness characterization, the projective covering method (PCM) and a direct shear apparatus of high accuracy, the relation between mechanical properties of rock joints under different boundary conditions and the change of their fractal dimensions in both 2-D and 3-D models have been examined, which gives a new approach to accurately evaluate the evolution of roughness of rock joint surfaces and its influence on the hydro-mechanical behaviours of rock joints.     

岩石结构面峰值摩擦角应力效应试验研究

 工程上常采用不随应力变化的岩石结构面抗剪强度参数,不能反映结构面摩擦角应力效应的变化规律。为研究结构面摩擦角与法向应力的相关度,首先对中砂、水泥、硅粉、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行研究,获得与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作10组具有不同表面起伏度和粗糙度的结构面,并利用自制的高精度岩石结构面直剪仪对系列法向应力下的结构面摩擦角进行直剪试验研究和数据统计分析,结果表明：结构面峰值摩擦角及其变化率均随法向应力的增加而降低,而不是通常认为的峰值摩擦角为定值;结构面残余摩擦角随法向应力的变化并不是很明显;具有不同起伏程度和粗糙度系数的模型结构面在相同法向应力下的峰值摩擦角也有差异;结构面峰值摩擦角应力效应和JRC-JCS (JRC为粗糙度系数,JCS为壁岩强度)准则中所确定的峰值摩擦角变化规律相一致,而且粗糙度系数越大结构面峰值摩擦角的应力效应越明显。     

Estimating the joint roughness coefficient of discontinuities found in metamorphic rocks

The paper presents the results of different methods of determining the roughness of joints in quartzites, metagreywackes and phyllites obtained from road cuts in central Portugal. The evaluation of the joint roughness coefficient (JRC) was carried out using graphical and analytical procedures. Differences were found between the JRC graphic and the JRC calculated, depending on the method used. The JRC calculated values obtained by the tilt tests and the Schmidt rebound hammer tests were compared to the JRC calculated values established from the rock joint shear tests. It is concluded that if JRC is to be used, it is essential to specify how it was established.      

基于点云的岩体间距与粗糙度的自动化提取

基于单相机双目三维重构技术,提出一种获得隧道掌子面三维点云模型的规范化拍摄流程和自动化提取岩体间距与粗糙度特征参数的方法。间距信息自动化提取流程为采用基于张量投票理论及其优化处理技术识别结构面迹线,通过分组、产生虚拟测线与迹线相交,从而得到各组的平均间距。粗糙度信息自动化提取流程为对岩体分别沿着水平和垂直方向均匀切割获得二维粗糙度轮廓线,采用均方根与粗糙度系数(JRC,joint roughness coefficient)的关系计算不同位置不同方向的JRC。将该方法应用于安徽明堂山隧道在建隧道掌子面三维点云模型的获取以及岩体间距和粗糙度特征参数的提取中,并给出了计算结果。基于单相机双目三维重构技术优势在于可在环境恶劣的在建隧道中获得稳定的、精度较高的掌子面三维点云模型;对岩体间距和粗糙度特征参数进行自动化提取,作为自动化的测试计算方法,可为工程应用提供一定参考。     

考虑三维形貌特征的粗糙节理渗流空腔模型研究

 为研究粗糙节理中的渗流,建立节理渗流空腔模型。将节理平面离散成1 mm×1 mm的单元格,单元格节点处的隙宽值由节理三维空腔组合形貌确定,假设单元格内渗流服从立方定理,逐一对单元格进行分析,用连续性方程求解整个节理面渗流,编制MATLAB程序进行计算。用大理岩人工节理试件沿节理长度方向将同一节理上表面相对下表面分别错开1,2,3,4,5和6 mm,形成节理不同的接触状态,计算这6种情况下的节理三维空腔组合形貌,得到不同接触状态下节理的隙宽分布和平均隙宽值。将节理渗流空腔模型和立方定理在不同接触状态下的渗流计算结果与节理试件在不同接触状态下的室内试验结果进行比较。分析结果表明：节理渗流空腔模型计算结果比立方定理更接近室内渗流试验结果,但是空腔模型计算结果和试验结果还有一定的差距,并对其误差存在的原因进行分析。