岩体轴向抗压强度与变形尺度效应的节理分布影响

 采用相似模拟材料,用预置硫酸纸模拟试件节理,研究5种分形节理岩体的轴向抗压强度和变形的尺度效应,获得同一尺度下岩体强度和变形随节理分形维数变化的试验数据。在分析强度与变形受尺度和节理分布维数单因素影响规律的基础上,建立二维影响关系经验公式。试验结果表明,岩体强度和变形模量均随尺度和节理分形维数的增加而降低,泊松比则随尺度和分形维数增加而增加;试件破坏的总体规律是随尺度和节理分形维数增加,岩石的延性增加,但破坏过程与方式受节理分布的控制。     

岩石节理的分形描述

本文给出了６种节理的分形量测方法，讨论了岩石节理粗糙性的分形描述，ＪＲＣ和分形维数的关系，以及分维对节理抗剪强度和节理摩擦角的影响。可以说，分维能定量地刻画节理的粗糙性，并有可能用来预测节理抗剪强度和节理摩擦角。     

岩石节理剪切强度的JRC—JMC新模型

在应用Ｂａｒｔｏｎ的ＪＲＣ－ＪＣＳ剪切强度准则时，经常发现对于较不吻合的节理，该准则往往过高地估测岩石节理的剪切强度。为了克服这一缺陷，在实验结果的基础上提出形式为τ＝σｎｔａｎ［ＪＲＣＪＭＣｌｏｇ１０（ＪＣＳ／σｎ）＋φｒ］的ＪＲＣ－ＪＭＣ剪切强度准则。ＪＲＣ－ＪＭＣ剪切强度准则考虑了节理表面粗糙度和吻合度的影响。ＪＲＣ－ＪＭＣ准则能更好地描述节理的剪切实验结果，并能更好地解释与估测各类岩石节理的特性，特别是吻合程度较差的天然节理。     

节理在不同接触状态下的渗流特性

 将取自雅砻江水电站锦屏二期工程施工现场的白色大理岩,采用劈裂法制成张拉性人工节理试件,用TJXW–3D型岩石节理表面形貌仪测量节理的表面形貌,并采用自行编制的表面形貌和组合形貌参数计算软件,分析其用以表征节理表面形貌的节理面二维分形维数,以及用以表征组合形貌的节理内空腔的三维分形维数。对节理面进行错位,以改变其接触状态,然后进行不同接触状态下节理的渗流试验。将试验实测结果与传统的经验公式及各种修正公式的计算值进行比较,发现利用现有经验公式分析试验结果存在较大的偏差。通过对实测数据做进一步分析,发现表征节理表面形貌和组合形貌特征的分形维数也是影响节理渗透率的重要因素之一。综合考虑节理透过率以及表征节理形貌的分形维数等因素对节理渗透特性的影响,得到更为合理的节理渗流经验公式,该公式具有更广阔的应用前景。     

基于UDEC岩体抗压强度尺寸效应的数值研究

利用分形理论,结合Monte Carlo方法生成用于数值实验的节理岩体网络图,选取用于数值实验的节理岩体试件,通过离散元软件UDEC模拟不同围压、不同尺寸数值实验试件的抗压强度,对2组正交节理岩体抗压强度随围压和尺度的变化规律进行了研究。研究表明:随着围压的增大,节理岩体试件的抗压强度也随之增大,抗压强度随围压的变化规律呈线性变化趋势,可拟合为线性变化关系;围压作用下,节理岩体抗压强度仍然具有明显的尺寸效应,但随着围压的增大,尺寸效应有一定的削弱,但不明显;随着试件尺寸的增大,节理岩体试件的抗压强度随之减小,抗压强度随尺寸的变化规律呈非线性变化趋势,可拟合为负指数变化关系。并从理论上讨论了提出的数学关系的合理性。     

节理岩体模型单轴压缩破碎规律研究

 为进一步研究节理倾角和节理连通率这2个参数对岩体单轴压缩下破碎特征的影响,对这些试件试验后的碎屑进行筛分试验。碎屑按照粒径d≥10 mm,5 mm≤d＜10 mm,0.075 mm≤d＜5 mm和d＜0.075 mm分为粗粒、中粒、细粒和微粒4个粒级。计算各粒级碎屑的质量百分比、各粒径范围内碎屑的频数、碎屑比表面积和碎屑尺度–质量分布的分形维数。研究结果表明,粗粒碎屑的质量百分比随着节理倾角的增加先增大后减小,在45°附近有最大值。而其他粒级的碎屑的质量百分比、各粒径范围内碎屑的频数、碎屑比表面积和碎屑尺度–质量分布的分形维数随节理倾角的变化规律则相反,在45°附近有最小值,这与强度和弹性模量随节理倾角的变化规律相似。与各节理倾角下试件强度和弹性模量随节理连通率增加而单调减小的规律不同,试件碎屑的统计参数随节理连通率的变化规律较为复杂。总体上,节理倾角为0°,15°,75°和90°的试件,碎屑的粗粒质量百分比较无节理完整试件的低,而碎屑的中粒、细粒和微粒的质量百分比、各粒径范围内的频数、比表面积、分形维数都较无节理完整试件的要高,表明节理的存在使得其破碎程度提高,能量耗散增多;而节理倾角为30°,45°和60°的试件则有相反的规律。这是由于前一组节理倾角试件的破坏模式除包含有无节理试件的劈裂破坏模式外,还伴随有压碎或转动破坏模式,其破裂面数和能量耗散总量要高于后一组节理倾角试件的压剪破坏模式,其中节理倾角为45°的试件仅沿对角线形成一个剪切贯通面,破裂面数和能量耗散最小。     

分形分布节理的模拟研究

研究了分形分布节理的计算机模拟方法,分析了影响节理分布分形的因素,证实“缩格法”可较好地模拟分形分布节理,节理长度分布维数或长短比基本不影响其分形性。但分形有效尺度区对维数的影响应给予足够重视。节理平均长度与节理组数仅仅影响尺度区的位置,并不影响分布节理的维数值。影响维数值的主要因素是节理中点分布聚集维数。     

应力波穿越分形节理时的透反射规律研究

 为探讨应力波穿越不规则节理时的透反射规律,先借鉴分形损伤理论,建立分形损伤本构关系;在此基础上,基于线性位移不连续体模型,引入分形损伤本构,推导应力波穿越非规则节理时透反射系数的解析解,给出透反射系数与分形维数间的理论表达式。通过激光表面仪对节理进行扫描试验,分析节理面的分形几何特征,采用SHPB节理岩石冲击动力学试验手段,探讨应力波穿越单一分形节理时的透反射规律,并将解析解与试验结果进行对比分析,研究结果显示,透反射系数的试验值与理论值之间误差较小,表明所建立的分形损伤本构关系与推导的应力波穿越分形节理的解析解是正确的。     

模拟柱状节理岩体常规三轴压缩下变形和强度特性试验研究

柱状节理岩体是溢出型火成岩常见的结构性岩体,对其在三轴应力下变形和强度特性的正确认识,是水利水电及地下洞室等大型岩体工程论证和设计需要解决的关键问题之一。为此,采用石膏混合材料制作柱体与最大主应力σ1具有不同夹角β的模拟柱状节理岩体试件,通过对试件进行不同围压下的三轴压缩试验研究柱状节理岩体变形和强度特性,得到其在三轴压缩下弹性模量和峰值强度随β角的变化规律。由试验结果可知:在同一级围压下,弹性模量和峰值强度随夹角β增大呈递减趋势,即弹性模量和峰值强度随夹角增大先减小,在β=45°时最小,而后随夹角增大保持相对不变。此外,利用试验数据建立柱状节理岩体弹性模量和峰值强度与夹角β之间的经验关系式,通过比较发现经验关系式与实测数据吻合较好。最后对试件的破坏类型与特征进行了归纳,总结了柱状节理岩体在三轴压缩下的4种典型破坏类型,并对其破坏机制进行了分析。     

岩石节理表面三维形貌特征的分形分析

 利用高精度三维表面形貌测试仪Talysurf CLI 2000对节理试件表面进行扫描,将表面粗糙形状进行数值化表达并实现节理面的三维可视化。在此基础上,运用分形几何理论对节理表面三维形貌特征进行分析,得出节理剖面线的分形维数与JRC之间的函数表达式。以单个节理面为研究对象,探究节理表面分形维数与剖面线分形维数以及JRC之间的关系,这对分形几何理论在节理表面形态研究中的深入应用有重要意义。     

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.     

岩石节理吻合系数及其对节理特性的影响

根据节理表面的接触特性提出了一个节理几何特性的新参数──节理吻合系数 ＪＭＣ。实验显示，节理吻合系数是描述节理孔隙、形变、刚度、剪切强度和水渗导等特性的 重要指标。因此，将节理吻合系数和原有的节理粗糙系数相结合，可以更全面地描述节理的 几何特性，进一步估测岩石节理的水力特性。     

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。     

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。     

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.      

岩石模型结构面的取样代表性试验研究

岩石结构面的代表性取样是开展不同尺寸模型结构面直剪试验的前提条件,直接影响到结构面抗剪强度尺寸效应试验结果的有效性和可靠性。通过对取样尺寸为10 cm的18组岩石结构面粗糙度系数(JRC)的测量和统计分析,得到该尺寸岩石结构面试样的粗糙度系数分布规律,表明模型结构面取样代表性评价的必要性。基于结构面粗糙度系数非均一性分布特点,以及对简单随机取样法和分层取样法2种概率取样方法的比较分析,提出基于分层取样法的岩石模型结构面代表性取样方法,该方法采用JRC四分位法确定各层样本的数量比例,再利用分层取样公式计算样本的取样数量。通过岩体结构面抗剪强度的力学机制分析,对试样取样代表性和力学可靠性进行校验,结果表明,采用该取样方法能较好地代表该尺寸的表面形态分布,取样结果也较好地满足力学试验的统计精度要求。     

一种用于计算JRC的节理面起伏形态表征方法

通过间隔取样的方式将Barton所提出的十条标准JRC曲线离散化,获取其离散数据点后尝试不同的函数形式对离散数据点进行拟合,探求能够描述节理面剖面线起伏形态的函数表达式。在获取节理剖面线的近似函数表达式后用其计算标准JRC曲线的节理参数。分析对比拟合结果与节理参数计算结果发现:节理面剖面线具有较强的三角函数特性,利用正弦函数逼近获取的近似函数表达式在形态上可以很好地表征节理面的起伏情况,并可以近似代替节理曲线对JRC值进行计算,其结果相比较于通过离散点得到的计算结果更为精确。这也为进一步利用JRC-JCS模型准确计算节理面剪切强度奠定了基础。     

Numerical simulation of a direct shear test on a rock joint using a bonded-particle model

Rock joints were numerically simulated, and an extensive series of direct shear tests were carried out using the code PFC3D. The feasibility of reproducing a rock joint using the contact bond model was demonstrated, and the effects of the geometrical features and the micro-properties of a joint on its shear behavior were examined. Asperity failure was observed from the micro-cracks and contact force distribution, as well as the stresses and displacements in shear and normal directions. A rough joint with a joint roughness coefficient (JRC) value ranging from 10 to 20 was produced in an intact sample by defining the joint-contacts along a predefined joint surface. To simulate a decrease in joint wall strength (JCS) caused by weathering and alterations, the bond strength between particles involved in the joint-contacts was reduced by up to 70%. The shear behavior and failure progress at a given stress corresponded well to those observed in laboratory tests. The friction coefficient was the most important factor governing the shear strength and dilation angle. The variation in joint roughness and contact bond strength had a larger effect on the cohesion than peak friction angle. In addition, a new approach to represent JRC and JCS values of a joint was proposed for practical use. A numerical 3D-profile scanning technique was developed to evaluate the actual JRC of the simulated joint, and the relationship between the JCS and the contact bond strength was investigated.