岩体结构面粗糙度各向异性特征及尺寸效应分析

 岩体结构面形貌存在明显的各向异性和尺寸效应特征。由于结构面本身的复杂性,定量表征其属性仍是该领域的研究难点。鉴于此,考虑岩体结构面的地质本质性特征,应用地质统计学原理,提出采用变异函数参数(基台C和变程 )表示结构面粗糙度(JRCv)的方法;然后采用量纲分析法,给出JRCv表达式。应用提出的公式计算结构面上不同尺寸范围(100 Pixel×100 Pixel～1 000 Pixel×1 000 Pixel) 32个方向上的JRCv值,分析结构面粗糙度各向异性及其尺寸效应特征。研究结果表明：(1) 从表观看,沿分析方向,结构面越粗糙,JRCv值越大,JRCv可以定量表征结构面粗糙度及其各向异性特征;(2) 在结构面分析方向上,随尺寸范围的增大,JRCv值逐渐减小,达到一定范围时,JRCv值趋于稳定,通过分析各方向上JRCv值随尺寸范围的变化趋势,可以确定结构面的临界范围;(3) 结构面各向异性特征受结构面研究范围的影响,当研究范围达到一定尺度时,结构面各向异性特征趋于稳定。该研究成果将为定量分析岩体结构面力学性质强弱方向提供依据,为实验室或原位结构面力学试验选择合理尺寸试件提供一种新方法。     

基于三维形态空间分析和仿真试验的岩体结构面剪切强度参数研究

 获取结构面可靠的强度指标是研究岩体强度的重要基础。因不同结构面样本的巨大差异,以及剪切测试难以重复进行的实际情况,直接通过试验获取剪切参数通常难度较大且结果不理想。以具有定向变形特征的岩体剪切结构面为研究对象,探索性提出采用结构面剪切测试–结构面表面形态三维空间分析–数值仿真试验相结合方法,获取真实可靠的结构面强度参数。该方法优势表现为：岩体结构面摩擦角的2个组成部分即基本摩擦角和爬坡角完全分离,且能考虑结构面形态三维特性及剪切变形方向特征;同时,力学测试和数值试验结合,克服了单纯依靠剪切测试无法重复的重大难题。     

复杂应力状态下岩体强度的各向异性研究

 岩体中存在着大量的节理裂隙等不连续面,这些不连续面对岩体的强度起着重要的作用,岩体可能会沿着这些不连续面发生破坏。在分析中间主应力对岩体强度影响的基础上,验证统一强度理论,并在此基础上,建立可以反映中间主应力变化的强度参数,同时采用试验对其进行验证。针对含有不连续面的岩体,分析不连续面上的应力分布,建立复杂应力条件下的岩体各向异性强度准则,并针对该强度的特殊情况作简化,分析适用条件。采用节理岩体的真三轴试验对其验证,结果表明所建立的各向异性强度准则可以恰当的反映岩体的强度。分析中间主应力,结构面倾角和走向对岩体强度的影响。     

基于动力显式方法的岩体结构面剪切破坏特征研究

 岩体中大量存在的各种不连续面,如断层、节理、裂隙等,是影响岩体工程力学特性的最重要的因素,因此,对岩体中广泛存在的结构面工程特性的研究具有重要的工程意义。在动力显式方法的基础上,对规则锯齿状的结构面进行剪切破坏特征进行分析,并进行室内模型试验。对数值模拟与模型试验的结果进行对比分析,得出归一化的锯齿状结构面在不同法向应力作用下的剪切破坏力学行为及重要剪切破坏规律,并验证了利用动力显式方法进行节理岩体工程力学特性研究的适应性。研究表明：在一定法向应力水平下,规则锯齿状结构面剪切破坏是随着剪切位移的增长而不断扩展,主要表现为结构面上的等效塑性应变分布范围与深度的不断扩大,最后达到纯摩擦的残余强度状态;等效塑性应变的扩展规律一般是在剪切方向上从试样两侧逐渐向中间扩展,对于下侧结构面而言,在达到剪切应力峰值之前,剪切应力主要分布在试样中相背剪切速度方向的一侧,在剪切峰值之后,随着结构面破坏范围不断增大,剪切应力分布趋于均匀;当正应力不断增大时,结构面发生爬坡滑移越来越困难,结构面破坏深度不断增大,峰值剪应力所对应的破坏模式逐渐变为直接剪断锯齿破坏。     

规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究

 通过规则齿型结构面在不同法向应力下的剪切试验,对其力学特性进行基础性研究,阐述规则齿型结构面在剪切条件下力学特性的主要特征,以及其强度、变形等力学特性的主要规律。通过对试验数据的分析,对结构面在剪切应力作用下的剪切变形曲线以及不同粗糙度结构面的剪切变形特性进行深入研究,在此基础上提出结构面剪切变形特性的经验本构关系,同时对结构面综合抗剪强度参数在剪切条件下的变化规律进行研究,建立评价结构面剪切强度的经验公式。最后还对结构面在剪切条件下的扩容特性进行分析,并对现象做出解释。     

岩体结构面三维粗糙度评价的新方法

 为了获得具有明确几何意义及理论依据的岩体结构面粗糙度评价指标,结合结构面剪切破坏机制,阐明将结构面潜在接触部分作为粗糙度评价重要因素的理论依据;将结构面粗糙度评价指标与其力学性质建立联系,提出描述结构面三维粗糙程度的新参数–粗糙度指标 。 即岩体结构面的潜在接触部分在垂直于剪切方向的面的投影面积与结构面水平投影面积之比, 体现了结构面在剪切方向的三维几何信息,具有各向异性。基于三维激光扫描技术及Matlab编程,实现了结构面三维几何模型的建立及 的计算。以工程应用实例,展示 的计算过程;研究同一结构面不同精细程度的几何模型的 ,结果表明：基于 评价的结构面粗糙度具有各向异性,且同一剪切方向的结构面 随其几何模型精细程度的增强而增大。对比研究 与Grasselli粗糙度评价方法,结果表明基于此2种方法的粗糙度评价结果具有相似性。此外, 可与结构面抗剪强度建立一定联系,为结构面抗剪强度估算模型的进一步研究奠定了基础。     

基于三维形貌特征的岩石节理峰值剪切强度准则研究

引入3个在一定范围内独立于测量尺度的三维形貌参数表征岩石节理形貌,并基于形貌参数建立了新的岩石节理峰值剪切强度准则。同时采用新准则和Barton公式计算了23对岩石节理的峰值剪切强度并与室内直剪试验结果对比,新准则的计算值与试验结果较为接近而Barton公式在一定程度上低估了节理剪切强度,表明新准则能更好地描述节理峰值剪切强度。新准则的三维形貌参数反映了不同形貌特征对剪切强度的贡献,物理意义明确,并且形貌参数可在一定范围内采用任意尺度测量,因而有利于新准则的工程应用。进一步分析表明：在规则齿形节理情况下,新准则可退化到Patton公式的形式,因而新准则实质是Patton公式的三维推广。     

基于岩体结构面分级的抗剪强度确定法

岩体结构面抗剪强度是岩质边坡稳定分析的重要参数之一,基于岩体结构面分级的抗剪强度确定法旨在研究如何合理确定该参数值.结合结构面岩性、粗糙度、充填物和富水程度等特征,将软弱结构面按工程特性划分为5级.在结构面分级基础上,以构造类似和地层岩性组合等条件基本相同的原位剪切试验成果作为基础资料,分别按结构面等级差异和施工扰动影响进行参数修正,确定具体工点的结构面抗剪强度.修正因素包括结构面充填物、结构面起伏情况和粗糙程度、岩壁岩石抗压强度及风化情况、饱水程度、爆破或震动影响等5个方面.经重庆一高速公路顺层边坡工程验证,该方法具有较强的工程实用性,是一种便于推广应用的新型结构面抗剪强度确定法.     

一种考虑剪切速率的粗糙结构面剪切强度准则

动荷载(不同剪切速率)下的节理岩体结构稳定性是目前工程建设亟待解决的问题之一。以黄岛国家石油储备库地下水封石油洞库工程为工程背景,采用JAW-600岩石剪切流变–渗流耦合试验机对4种粗糙度下的类岩石粗糙结构面进行不同剪切速率下的常规剪切试验,对结构面的强度特性进行了基础性研究。研究结果表明:剪切速率和粗糙度对结构面剪切强度都有较为明显的影响;同一结构面的剪切强度随着剪切速率的增大而减小,并不受粗糙度系数的影响;同时结构面剪切强度随粗糙度系数增加呈现出线性增加的趋势,但不受剪切速率的影响。最后,基于试验结果与Barton模型,提出考虑剪切速率的粗糙结构面剪切强度模型。Barton标准粗糙剖面线结构面及粗糙结构面的试验结果与新模型预测值误差保持在20%之内,平均误差为10.539%,能够较好的预测粗糙结构面动荷载条件下剪切强度。     

岩体抗剪强度参数的结构面倾角效应

通过对泥质粉砂岩、泥质灰岩抗剪强度参数的层面倾角效应研究。以及石膏模型试件力学性质的结构面倾角效应研究，就结构面倾角对层状、似层状岩体抗剪强度参数产生的影响进行了较详细的剖析，阐明了层状、似层状结构岩体力学性质各向异性的本质和机理。并在此基础上对受倾角效应影响的层状、似层状岩体抗剪强度参数取值进行了较深入的分析，提出了较为客观的、极具参考价值的层状、似层状结构岩体抗剪强度参数的取值原则。分别得到了层状结构粉砂岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩以及薄层的层状结构灰岩、片岩、板岩的系列强度参数与结构面倾角口的相关公式。层状、似层状结构石膏模拟试件不同裂隙倾角条件下的室内三轴剪切试验研究进一步表明。新提出的相关公式可作为类似结构岩体抗剪强度参数在不同层面倾角下的取值参考。     

岩桥渐进弱化的Jennings抗剪强度准则

Jennings 抗剪强度准则以节理和岩桥抗剪强度参数按连通率加权平均的方式求取非贯通节理岩体的峰值抗剪强度,未考虑直剪试验过程中岩桥力学参数逐步弱化的影响,计算所得的抗剪强度与直剪试验结果存在较大偏差.基于人工齿状共面非贯通节理岩体的直剪试验,采用以剪切位移为变量的岩桥弱化度模型考虑岩桥力学参数弱化对抗剪强度的影响,提出改进的Jennings抗剪强度准则.考虑岩桥力学参数弱化的Jennings抗剪强度准则的计算结果更为接近试验值,表明考虑岩桥力学性质弱化是合理的.     

岩体剪切强度特性及强度折减方法研究

对湖南竹城公路K81~K83段边坡的泥灰岩、灰页岩及不同岩性的弱面分别进行了变角度剪切试验和直剪试验,并运用费辛柯法和M.Georgi法对岩石抗剪强度和岩体弱面的剪切强度进行了合理的工程弱化折减,将为进一步的边坡稳定性分析提供基础数据。     

基于三维激光扫描技术的岩体结构面智能识别与信息提取

岩体结构面几何参数是评价岩体稳定性与渗流特征的重要研究基础。采用三维激光扫描技术,获取岩体露头点云数据,利用改进的区域生长法与解析几何理论,实现了岩体结构面智能识别与信息提取。研究结论如下:(1)通过对区域生长法进行改进,引入节点法向量判别指标,设置平整性检测阈值_1与区域生长阈值_2,可以有效地进行岩体结构面的智能识别。基于提出的信息提取算法,获取了识别结构面的产状、间距与尺寸信息;(2)选取不同的平整性检测阈值_1与区域生长阈值_2,研究了阈值对识别结果的影响规律,并提取了阈值选取的一般建议。通过规则平面与公路边坡两实例应用分析,对所提方法的可靠性进行了验证。     

节理岩体正交各向异性等效强度参数研究

将节理裂隙视为岩体的损伤,利用岩体裂隙网络模拟技术、损伤力学和节理张量理论对等效抗剪强度参数(即黏聚力和摩擦系数)进行了研究。在岩体损伤力学研究成果的基础上,研究了包含多组节理裂隙的岩体在空间任意截面上损伤变量的近似计算方法;以损伤变量作为加权系数,将岩块和结构面抗剪强度参数的加权平均值作为岩体等效强度参数;根据岩体在各空间截面上的等效抗剪强度参数计算成果,将岩体抗剪强度参数等效为正交各向异性变化的抗剪强度参数;编制相应的计算程序,通过计算实例验证了研究成果和计算程序的正确性。     

土的剪切空间滑动面分析及各向异性强度准则研究

天然沉积的土往往具有原生各向异性、结构性,以及加载作用下的次生各向异性和结构损伤性,导致土的强度规律变化复杂。通过对Mohr-Coulomb、Druker-Prager和Matsuoka-Nakai强度准则建立基础的分析,提出了定法向剪切空间滑动面和变法向剪切空间滑动面的分类。运用Mohr-Coulomb准则描述土剪切破坏面和Matusoka-Nakai剪切空间滑动面的确定方法,分别建立了轴对称压缩和挤伸两组定法向剪切空间滑动面。依据空间滑动面上抗剪应力与法向正应力呈正比的线性关系,针对轴对称压缩、挤伸剪切空间滑动面,分别建立了各向同性、各向异性条件下土的强度准则,分析了不同强度准则应力空间描述的强度破坏面。针对具有竖向裂隙分布横观各向同性微结构的天然黄土,考虑微结构特征与几何空间坐标轴及主应力轴旋转变化的关系,通过黄土的真三轴试验,揭示了竖向裂隙分布方向分别作用大、中、小主应力的强度变化规律,初步验证了轴对称压缩和挤伸剪切空间滑动面强度准则及各向异性强度准则的合理性。建立的强度准则拓展了传统强度准则关于剪切空间滑动面及各向异性强度规律研究的范畴,能够为土工强度稳定性的分析提供更加符合实际的理论基础。     

直剪条件下节理岩体的变形和强度特征研究

通过建立单一闭合水平节理岩体的数值模型，运用数值模拟软件对节理岩体模型在直剪试验条件下节理的剪切变形和强度特征进行模拟，并对模拟结果做了分析。     

不同接触状态岩石节理的剪切力学性质试验研究

除粗糙度外,节理上、下面壁的接触状态是影响其剪切力学性质的重要因素。采用水泥砂浆制备若干不同形貌的节理,对其上、下面壁沿剪切方向错开不同的位移量、形成不同的接触状态以模拟不同偶合度的节理,在常法向应力条件下进行试验研究。试验结果表明:峰值剪切强度随错开位移量的增加而呈非线性减少,但错开位移对峰值剪切强度的影响随法向应力的增加而减弱;峰值剪切位移随错开位移量的增加逐步变大;剪切刚度随错开位移量的增加逐步减少直至某一恒定值,且在高法向应力下错开位移量对剪切刚度的影响更为明显。采用几种不同的简单函数分析峰值剪切强度与错开位移量之间的关系,在偶合节理峰值剪切强度准则的基础上提出不同接触状态节理的峰值剪切强度准则。与已有的准则相比,新准则采用的描述节理接触状态的参数易于确定且更为客观。     

A probabilistic model for the assessment of uncertainties in the shear strength of rock discontinuities

Discontinuity shear strength plays a critical role in many problems encountered in rock engineering, especially in the design of rock slopes. Since its precise estimation is generally not possible, it is crucial that the errors and uncertainties associated with its estimate be quantified and reflected in the design procedure. In this study, the uncertainties underlying discontinuity shear strength are thoroughly examined and an uncertainty analysis model is developed for the estimation of in situ discontinuity shear strength with a special emphasis on rock slopes. An extensive literature survey on shear behavior of unfilled rock discontinuities has been carried out and the necessary data for the quantification of uncertainties are extracted from this survey. These uncertainties stem from the discrepancies between laboratory-measured and in situ discontinuity shear strength values, as well as from the inherent variability of shear strength within a rock medium. The main causes of discrepancies, namely, scale, anisotropy and water saturation are considered. For each source of discrepancy a correction factor, treated as a random variable, is assigned and guidelines for the quantification of the statistical parameters of these correction factors are presented within the framework of the proposed uncertainty analysis model. The proposed uncertainty model provides an analytical tool for the systematic treatment of uncertainties involved in the estimation of the in situ value of peak friction angle from the laboratory test results.