采用节理粗糙度预测可变扩张剪切强度

沿岩石不连续面剪切阻力分析的一个重要因素是节理面粗糙度。本文叙述基于岩石表面粗糙度预测可变扩张剪切强度的方法。     

岩石节理粗糙度新指标及新的JRC确定方法

为使二维粗糙度指标能够反映岩石节理形貌的方向特征,同时可以克服采样间距取值对粗糙度指标大小的影响。将岩石节理面划分为一系列连续的长方体微凸体,提出一种确定长方体微凸体计算长度的计算模型。通过平均同一剪切方向上长方体微凸体的计算高度提出了一个新的描述形貌面粗糙度的指标c。指标c是由长方体微凸体2种破坏模式结合一种确定长方体计算长度的模型得到,可以将节理几何特征与剪切强度结合起来,进而将节理粗糙度与节理剪切强度结合起来,这就为考虑剪切方向性的岩石节理剪切强度公式的提出提供可能。粗糙度指标c可以将形貌面客观定量表示,同时具有方向性,即剪切方向不同时对应的c不同。以标准JRC曲线为例,基于图像分割技术提取了标准JRC曲线坐标信息,阐述了粗糙度指标c的计算过程。在某一测量间距下获取的粗糙度指标不足之处是比该测量间距较小的粗糙度将被掩盖,而小尺度的粗糙对于抵抗剪切的贡献不应被忽略。通过计算不同采样间距的粗糙度指标c,发现指标c随着采样间距增大而呈幂函数形式减小,显示具有分形特征。基于分形思想,提出可同时反映节理形貌面各向异性并且不受测量尺度影响的粗糙度评价系统。分析了粗糙度描述系统指标与JRC之间的关系,证明该描述系统指标可与节理剪切强度建立良好的关系。     

基于3D打印的内置粗糙节理岩体力学特性研究

为了研究地下工程隐伏粗糙节理围岩的稳定性特征,基于三维扫描获得了岩石的卸荷破裂面真实形态,进而分别通过3D打印技术和类岩石材料制备了充填型粗糙节理面和岩石基质,从而来浇筑含内置粗糙节理的岩体试样.通过常规三轴压缩试验,研究了粗糙度和围压对节理岩体强度、变形和破坏形态的影响规律.试验结果表明:随着节理面粗糙度的增大,岩体试样的三轴强度、弹性模量和割线模量总体均呈现逐渐增大的趋势,大粗糙度可以有效地减缓节理面两侧岩体的剪切滑移破坏;节理岩体的力学参数与围压整体呈正线性关系,且基本服从摩尔-库仑准则;低围压时粗糙度对节理岩体破坏形态的影响较为显著,随着围压的增大,岩体的主破裂形态逐渐由围压起控制作用.     

岩石结构面的浸水剪切蠕变特性及本构模型研究

针对浸水与自然状态下砂岩硬性结构面开展了分级加载剪切蠕变试验,试验通过单轴压缩形式实现结构面法向应力与切向应力的等比例加载。试验结果表明:在岩石结构面发生加速蠕变之前,分级加载的瞬时变形存在着随加载应力逐渐减小的趋势。基于 Norton-Bailey 模型与 Kachanov 损伤模型提出了一个新的考虑结构面粗糙度、浸水条件、剪应力与压应力之比等因素的改进 Norton-Bailey 蠕变剪切模型。 根据砂岩结构面剪切蠕变试验数据,分别拟合了浸水与自然状态下砂岩结构面蠕变剪切模型的参数。分析结果表明:所建立的改进 Norton-Bailey 蠕变剪切模型对于结构面的剪切蠕变结果具有较好的拟合效果,并可以反映结构面浸水弱化作用的影响。     

随机形貌岩石节理剪切-渗流数值模拟和剪胀-渗流模型

采用Hurst指数的独立分割方法构造随机形貌岩石节理剖面,基于岩石节理的CY模型构建随机形貌岩石节理剪切-渗流计算模型和数值分析方法,为研究岩石节理的剪切-渗流响应提供了理论参考。采用CY微段节理模型的细观剪切力学参数,探讨剪切作用下随机形貌岩石节理剪切-渗流响应。结果表明：节理粗糙度越大,岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角随之增大;随着法向应力的增加,节理的剪胀效应逐渐减弱;剪切过程中的节理渗透系数呈平稳增长-快速增大-渗流稳定3阶段变化,在剪切最开始短暂时候,节理剪缩使渗流偏离立方渗流准则,节理渗透系数与法向应力具强耦合关系。引入剪胀等效节理水力隙宽,建立岩石节理的非线性剪胀-渗流模型,合理地描述了不同粗糙度节理剪切过程中的剪胀效应及其对节理渗透系数的贡献。     

岩石节理面粗糙程度研究

讨论了岩石节理面粗糙度的统计指标;提出用节理面分形模拟特征参数表征节理面粗糙度。     

岩石节理面粗糙程度研究

讨论了岩石节理面粗糙度的统计指标;提出用节理面分形模拟特征参数表征节理面粗糙度。     

程潮铁矿矿岩节理面力学特性实验研究

以程潮铁矿为工程背景,为获得不同岩性矿岩的基本力学参数及分形维数,进行了直剪实验及粗糙度扫描实验。分析水和充填物对节理面剪切强度的影响,并综合考虑岩石节理面粗糙性对其力学性质的影响,建立了体现相同法向应力下峰值剪切强度与分形维数的关系公式,为更深入研究岩体稳定性及破坏机理提供了可靠的矿岩力学参数及依据。     

岩体结构面不同剪切方向的抗剪强度模拟试验研究

用混凝土模具模拟具有方向性的岩石节理面,并在剪切仪上沿不同方向进行剪切试验,测得一系列数据,通过回归分析,建立了节理面抗剪强度与剪切方向角之间的经验公式,总结出了具有方向性的岩石节理面抗剪强度随剪切方向角的变化规律。     

岩体结构面的剪切弹性回复位移

本文通过岩体结构面剪切试验表明,结构面剪切位移具有弹性回复位移,探讨了正应力大小、粗糙度、岩性、加载方式等对弹性回复位移的影响。     

基于三维激光扫描仪的岩石破裂面粗糙度研究

为更深层地认识岩石的破裂机制。通过压、剪试验测取2组24个圆柱形岩样的破坏载荷,采用高精度三维激光扫描仪扫描岩样破裂面,得到了顶板砂岩在压、剪破坏后,破裂面的起伏粗糙特征分布规律,并采用统计分析方法得到破裂面粗糙曲线曲率半径,从而揭示了砂岩受剪切破坏后粗糙曲线曲率半径分别与粗糙度系数JRC、破坏载荷的相关关系。结果表明:单轴抗压试验中,离加载中心越远,JRC越小;抗剪试验中,粗糙度曲线的曲率半径统计值分别与JRC和抗剪强度呈线性正相关。     

３D岩石结构面粗糙度智能提取方法及应用

针对岩石结构面粗糙度现场测量操作不方便和测量结 果人为因素影响大的难题,提出一种３D 岩石结构面粗糙度 智能提取方法.该方法首先运用３D One工具构建标准结 构面轮廓线的三维结构面模型,其次利用图像获取设备获取 结构面图像并进行格式化处理,最后基于深度学习算法和 RNN 深度学习网络,对结构面数字化图像进行学习训练及 分类处理,估算岩体结构表面的粗糙度系数.将此方法应用 于焦家金矿取得了较好的效果,弥补了传统方法工作量繁 重,受环境及主观影响大的缺陷,促进了矿山岩石力学现场 调查工作的智能化.     

基于统计参数开展天然岩石节理粗糙度非均匀性和节理尺寸效应关联性研究

岩体结构面粗糙度的准确表征对结构面力学性质的精准描述具有重要意义。为查明天然岩石节理粗糙度评价结果中正负尺寸效应相互矛盾的发现,以浙江省青石镇采石场大尺寸岩体结构面为例,采用三维激光扫描技术,基于4个二维粗糙度统计参数(Z2、S_F、R_p和θ~*_max/(C+1)2D)对大型天然岩石节理面粗糙度进行量化。通过与变异函数方法中的分形参数进行比较,得到高度一致的结果。研究表明：节理表面粗糙度具有明显的非均匀性,且非均匀性对不同节理尺寸下粗糙度参数的计算结果具有重要影响;节理尺寸相关的尺度效应随着粗糙度均匀性的增加而减小。这表明节理尺寸引起的尺度效应一定程度上是源于节理表面粗糙度的非均匀性。     

基于3D打印技术复制砂浆节理的剪切试验及峰值抗剪强度模型

为进一步研究节理三维形貌特征与节理峰值抗剪强度的关系,首先采用巴西劈裂试验获取了自然劈裂岩石表面,通过三维扫描技术获取了节理面形态的高精度点云,通过逆向建模得到了自然岩石表面的立体模型,结合3D打印技术制作出了与自然岩石表面一致的PLA模具,以3D打印获得的底模通过水泥砂浆浇筑了含有自然结构面形貌的相似节理面试样。PLA模具与复制材料差异较大,复制材料在凝结过程中不易与PLA模具黏结,进而使脱模过程较为方便,不会破坏节理面。同时PLA模具可重复进行相似材料复制工作,具有可重复使用的优点。然后进行了具有5组形貌面的20个水泥砂浆节理面在4种不同法向荷载情况下的结构面剪切试验,得到了结构面剪切位移-荷载曲线。研究了结构面峰值抗剪强度、峰值位移、剪切刚度影响因素。节理经过剪切后形貌面出现不同程度的磨损,其磨损范围与等效高差分布范围基本一致,并且在等效高差为剪断破坏模式且成片的区域磨损较为严重。在新粗糙度指标基础上提出了新的峰值抗剪强度模型,经试验对比显示出新模型的有效性。在新模型基础上提出了一个简化模型。对比发现新模型简化后其计算精度较新模型有所降低但由于所需参数减小计算较为方便,新模型简化结果精度虽然有所下降但是还是比Barton公式精度高。     

岩石复杂结构面的模型生成与剪切强度影响分析

将复杂结构面形态转化为二进制编码信息,采用FLAC3D自动构建复杂结构面数值计算模型,通过改变结构面抗剪强度参数,探讨结构面粘结力、内摩擦角对剪切强度的影响。研究表明:随着结构面粘结力的增加,其剪切强度不断增大;结构面法向正应力越大,结构面粗糙度对于剪切强度的贡献也越大;随着粘结力的增大,拟合得到的粘结力和内摩擦角不断增大;粗糙度越大,其粘结力消耗在摩擦过程中的量值也越大,从而导致粘结力变小。随着内摩擦角的增大,内摩擦角对抗剪强度的影响逐渐增强,结构面粗糙程度对抗剪强度的效应也增强;随着内摩擦角的增大,粗糙度的影响逐渐显现,从而导致拟合的内摩擦角均大于设定的内摩擦角。     

岩体结构面粗糙度系数的三维表征与评价

岩体结构面粗糙度系数(JRC)的测量与评价在矿山建设、洞室开挖、灾害防治等领域至关重要.以往基于单条或多条轮廓线的二维JRC评价方法无法全面反映岩体结构面的粗糙度.基于岩体结构面直接剪切试验,借助三维激光扫描与建模分析等技术手段,就岩体结构面粗糙度系数的三维评价方法进行了系统研究.结果表明:①岩体结构面三维粗糙度表征参...     

岩石粗糙节理剪切强度的分形分析

以分形维数定量描述岩石节理面粗糙性,通过剪切实验分析研究节理剪切强度、法向应力和节理面分维的相互关系,建立了能够体现节理粗糙性和节理剪胀效应的节理剪切强度表达式,提出了适用于粗糙节理岩体的库仑强度的修正公式,为更深入、更准确地研究岩石节理剪切强度和岩体结构稳定性提供了新的方法。     

岩石结构面粗糙度尺寸效应分析

在实验室内用石膏粉人工制作类岩石试件,剪切后形成结构面,采用数字图像灰度信息表示结构面的粗糙度。将该类岩石结构面按照5种不同划分方案由小尺度到大尺度划分为10个等级（100像素×100像素,200像素×200像素,…,1 000像素×1 000像素）。采用变异函数表征结构面粗糙度的方法,即SRv表征法,分别计算各个方案不同尺度下结构面各个方向上的SRv值。结果表明各方案：①在同一方向上,尺度较小时,SRv值较大,随着尺度增大,SRv值逐渐减小,达到一定尺度时,SRv值趋于稳定;不同方向上,SRv收敛尺度不尽相同。②结构面尺寸范围不同,其各向异性特征均有差别。由此,只有充分认识结构面在不同尺度下的各向异性特征,才能准确把握其尺寸效应特征;只有在准确把握其尺寸效应的前提下,才能有效地掌握其各向异性特征。这一认识为准确把握结构面力学性质提供一种新思路。     

岩石-混凝土两相介质胶结面粗糙系数的分形描述

针对润扬长江公路大桥南汊悬索桥锚碇胶结面抗剪强度（抗剪强度的大小与胶结面粗糙度紧密相关）取值问题,采用室内控制粗糙系数试验的方法,测试了不同粗糙度的花岗岩与混凝土胶结面的抗剪强度.从形态数学原理出发,建立了均方根坡角法(ARMSS)测算岩石与混凝土胶结面轮廓线的分维数,定量描述其粗糙程度.岩石与混凝土胶结面粗糙系数(J_RC)可由分形维数D与分形截距A来确定,通过分形分析可以定量估计岩石力学中的J_RC值.     

剪切载荷作用下岩体结构面动态接触特征数值模拟

准确认识岩体结构面的动态接触特征是评价和预测结构面剪切行为的基础.首先,通过FISH语言修正了FLAC3D软件自带的INTERFACE本构模型,使其能够准确表达粗糙结构面在剪切过程中的力学行为;然后,采用数值模拟和室内试验相结合的方法对剪切过程中结构面接触和受力的分布及其演化规律进行了研究,分析了法向应力和结构面粗糙度...