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。     

岩体节理产状极点分布的分形维

40多年来人们一直关注岩体节理产状分布的研究,但由于岩体节理产状呈现出双变量参数的复杂分布,因此准确地描述节理产状的特征及在实际岩石工程中的应用都很不成熟。据此,采用传统的下半球Schmidt等面积投影网与分形几何知识及计算机编程技能结合的方法,研究岩体节理产状空间分布的几何特征,给出岩体节理极点在下半球Schmidt等面积投影网中的分形维,总结出岩体节理极点分形维分布的基本规律,即节理极点较多的优势组其分形维值一般也较高。但节理极点产状的分形维还与该组节理产状分布的范围有关,产状分布范围越大,分散性越高,其所对应的分形维也越高。提出了节理产状在分布上存在分散度的概念,认为岩体节理极点分布分形维可表示与产状分布分散度的特征,并通过一个实例来讨论和分析上述研究成果。     

基于分形理论构建随机粗糙节理模型的方法研究

粗糙节理三维形貌特征是影响岩体沿节理面剪切力学性质的关键因素。采用3D扫描方法重构巴西劈裂试验得到的砂岩张节理表面形貌模型。根据粗糙节理表面统计自相似性质,引入地形学领域广泛应用的随机分形数字高程模型生成方法,通过调节不同的随机参数d,采用"菱形–正方形"算法迭代生成一系列不同形貌特征的分形粗糙表面数字高程模型,并将其与天然砂岩张节理进行形貌特征比较。采用三维盒维数法计算天然砂岩张节理以及随机构建的分形高程模型的分形维数,并基于选定的剪切方向统计2种模型的视倾角统计分布规律。分别以分形维数以及视倾角统计分布标准差为表征粗糙模型三维形貌特征的参数,确定了该天然张节理的形貌特征参数对应的粗糙度水平符合随机参数d=2~3 mm范围的分形高程模型的粗糙度水平,验证了基于分形理论构建随机数字高程模型的方法在模拟构建粗糙节理表面模型方面的可行性。     

隧道围岩断面轮廓分形维数与节理参数关系

隧道的超欠挖对衬砌结构稳定性影响比较大,研究超欠挖规律,对于掌握围岩受力,保证施工安全,具有较为深远的意义。根据小波分析的多尺度功能以及隧道断面轮廓超欠挖序列的统计自相似性特点,对白鹤隧道47个断面轮廓采用小波理论估算分形维数。结合现场调查的节理参数统计数据,分析隧道围岩断面轮廓分形维数与节理参数之间的关系。结果表明:分形维数越大,围岩稳定性越差;洞轴线与节理走向夹角越大,断面轮廓分形维数就越小;节理间距为0.25～0.40 m时,节理间距越大,分形维数越大;超挖百分比越大,分形维数越大。     

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。     

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。     

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。     

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。     

岩体节理网络分形的计算机模拟研究

本文利用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ法在计算机上生成岩体节理网络图,然后介绍了求分形维数的盒维法,并编写了相应的计算该网络分形维数的程序;最后分析了一些算例,并得出了分形维数与节理参数及ＲＱＤ之间的关系。     

节理岩体强度的分形统计分析

岩体中存在大量节理、裂隙，导致岩体力学性能弱化。基于岩体节理断裂扩展和剪切滑移2种失稳破坏机制，运用分形和统计断裂力学方法探讨了2种破坏方式下节理岩体的统计强度。结果表明，岩体强度与岩体中节理分布的分形维数密切相关，分形维数增大导致岩体强度非线性降低。     

基于裂隙网络模拟技术的结构面分布分维数计算

介绍了分形基本概念及工程岩体分形特性，结合裂隙网络模拟技术，分析了计算结构面分布分维数的方法，并给出了工程应用实例。讨论了计算裂隙分维数有效测度范围问题，对裂隙间距、迹长、交角和岩体RQD等影响因素与分维数的关系进行了初步分析，结果表明：间距对分维数影响最大，迹长和交角则相应次之。岩体裂隙分布分维数较RQD更能全面反映岩体的结构特征，用于对工程岩体进行质量评价是可行的，但对于测度尺寸和分维数与岩体工程性质关系等问题有待深入研究。     

ArcGIS和分形理论在制图综合评价中的应用

以地形图中的居民地和交通路网为研究对象,以分形理论为基础,借助Arc GIS技术,运用居民地的聚集维数模型和交通路网的长度-半径维数模型,分别测算了天山北坡伊-霍经济区1∶25万、1∶50万和1∶100万地形图中居民地和交通路网的加权分形维数,对两大要素的空间分布特征进行定量分析,结果表明:第一,该经济区内居民地和交通路网的空间结构具有明显的分形特征;第二,在中小比例尺地形图中,同一制图区域内随比例尺变化居民地和交通路网的分形维数基本保持不变,分形维数能为制图综合评价、地图质量评价提供一个量化的评价指标。     

煤体爆破破碎分维评价方法的研究

 提出了煤体爆破破碎分维评价方法和分维比概念, 考虑了煤体原始结构特征对煤体爆破破碎效果的影响。通过主因素分析, 明确了爆破参数与分形维数、分维比的相关关系以及影响的显著性大小, 探讨了不同分维和分维比的表征含义。在单自由面深孔煤体爆破的条件下, 爆破块度相似分维与分维比体现了顶煤预爆破破裂裂隙的整体分布, 可作为定量评价爆破方案的主要指标, 表面裂隙分维测量计算简易, 是煤体内部裂隙的外在表现, 可作为初步评价爆破方案的定量指标。应用煤体爆破破碎分维评价方法对大同矿务局忻州窑矿坚硬顶煤进行了预爆破研究, 取得了很好的经济效益。     

岩层裂缝分形分布相关规律研究

详细介绍了三个地质钻孔共计1000余米岩芯的裂缝分布分形统计研究结果，揭示出了同一地质体中，不同岩层裂隙分布的分形维数与岩层岩样强度模量积呈幂函数的相关规律，并从构造应力场作用使岩石变形破裂 的角度给出了明确的物理解释。     

Fractal analysis of joint patterns in granite

Two approaches for determining the stability of fractal dimensions (D) for fracture patterns in granite are examined. First, the stability of fractal dimensions for 1-D field measurements of joint spacing was investigated with respect to the number of measurements needed. At least 100–150 spacing measurements per joint set produced stable or accurate fractal dimensions where joints were regularly clustered and relatively regularly and widely spaced. Other spatial patterns require greater numbers of measurements per set. The stability of D for 1-D data is thus likely to depend on the spatial distribution of the joints within each joint set. Second, an alternate approach to estimate stable fractal dimensions based on scale invariance was explored. A combination of 1-D field data and 1- and 2-D image data was used. Fractal dimensions for the field data, which are unstable, ranged from 0.70–0.84, and for the image patterns, D ranged from 1.63–1.69, suggesting a 2-D fractal dimension of 1.7 for fractures in this area. These results suggest that the combined use of different data types with different dimensionality may overcome the problem of unstable fractal dimensions and allow reasonable estimates of stable fractal dimensions to be made.     

剪切过程中岩石节理粗糙度分形演化及力学特征

在系统测量和试验的基础上，研究了剪切过程中岩石节理粗糙面的分形特征和岩石节理的力学行为，阐述了岩石节理面分形维数Ｄ和截距Ａ与岩石节理在载荷作用下法向、切向变形以及抗剪强度之间的关系，得出岩石节理在剪切过程中由于表面损伤而引起的表面分维Ｄ和截距Ａ的演化规律。研究表明：分维Ｄ和截距Ａ是描述节理面粗糙性的两个重要的参数。前者反映节理粗糙面的不规则程度，后者则与节理面粗糙体（ａｓｐｅｒｉｔｉｅｓ）的坡度密切相关。仅依据分形维数Ｄ不足以确定岩石节理的粗糙性与岩石节理力学行为之间的关系。在许多情况下，岩石节理的力学性质对截距Ａ的依赖程度大于对分维Ｄ的依赖程度