JMC对应力波透射系数和节理比刚度影响的实验研究

 节理对岩体的动态力学特性有重要影响。采用改进型霍普金森花岗岩压杆(SHPB)实验设备,研究一维应力波在花岗岩人工节理处的传播规律,进而分析节理的动力学特性。通过切割工艺在花岗岩试样表面形成人工节理,使其具有不同的节理吻合系数(JMC)。采用两点式波分离方法处理实验数据,得到节理处的入射波,以及节理产生的反射波和透射波,进一步计算得到应力波传播通过节理的透射系数。基于SHPB实验的基本原理,得到节理的闭合量和作用在节理上的压力之间的关系,从而分析出节理的比刚度。该实验分析节理吻合系数对波传播的影响,进而研究节理吻合系数对花岗岩节理动态力学特性的影响。     

静载对节理煤岩体动态力学特性和应力波传播的影响

为研究地应力和节理作用下煤岩体的动态力学特性和应力波传播规律,利用改造的动静组合加载SHPB装置,针对人工构造节理试样,研究不同静载(0,2,4,6和8 MPa)和不同节理吻合系数(JMC:0.8,0.9,1.0和无节理)煤样的动态力学特性和应力波传播规律。试验结果表明：随节理吻合系数减小,反射波振幅呈现增大趋势,透射波振幅呈现降低趋势;随着静载从0 MPa增大到8 MPa,不同节理吻合系数试样的透射系数均呈现增大趋势,且节理吻合系数越小,透射系数增加值越大,静载对低节理吻合系数试样的透射系数影响更为明显;峰值应力随静载增大而增大,而峰值应变反之;节理比刚度和动态模量均随静载增大呈现增长的趋势,表明静载的存在抑制节理煤岩体劣化作用。基于应力–应变关系和标准线性固体模型分析验证了试验结果,随静载和节理吻合系数增大,地震波品质因子增大,试样耗散能量减少。研究认为在地下工程中应更为重视节理和静载共同对应力波传递特性的影响。     

柱状节理岩体各向异性强度准则研究

以正六棱柱型柱状节理岩体为研究对象,根据柱状节理的分布特性,在参考Ramamurthy非线性强度准则的基础上,引入节理系数表征节理对岩体强度的影响,建立正六棱柱型柱状节理岩体各向异性强度准则。该强度准则以幂指数形式反映柱状节理岩体的强度非线性。分析时首先针对正六棱柱型柱状节理岩体,研究节理系数的计算方法,然后结合模拟柱状节理岩体单轴和三轴压缩试验结果确定各向异性强度准则中的常数,在此基础上采用已有试验数据对该各向异性强度准则进行初步验证。结果表明:该各向异性强度准则能够较好地反映柱状节理岩体强度的各向异性和非线性,预测值与实测值比较吻合。     

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。     

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。     

节理研究进展及在非贯通节理岩体研究的应用

节理的表面形貌可按其规模大小分为起伏度和粗糙度两类.节理面的几何和力学特性对非贯通节理岩体扩展贯通有重要影响.典型节理面的粗糙形貌可以模拟为一系列非规则的、齿形凸台形貌.综述了贯通节理破坏理论新的进展,并探讨了节理破坏理论的适用性.结合非贯通节理岩体研究的现状,提出了考虑节理的粗糙度和起伏度情况下研究非贯通节理岩体扩展贯通强度和变形特性的新思路.     

含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理模型强度参数研究

岩体经历的成岩和构造改造等作用通常使其优势节理组发育,使得工程岩体呈现各向异性特征。本文首先说明当大尺度工程岩体含断续节理组时,岩桥对各向异性强度特征的影响突出。进而指出在采用遍布节理模型描述含优势随机节理的岩体各向异性时,模型中结构面参数为贯通节理的参数,不能直接采用现场断续节理的测试结果,需要进行大尺度岩体各向异性参数等效。然后,提出基于连续方法FLAC3D遍布节理的参数变化吻合非连续方法3DEC揭示的宏观岩体各向异性特征的途径,完成由连续方法间接描述非连续节理岩体各向异性力学行为的等效过程。研究表明,在无法应用解析法估算含随机断续节理岩体宏观参数时,数值试验成为了更有效的途径。采用遍布节理模型描述断续节理岩体各向异性强度特征时,节理强度参数值受断续节理与岩桥的综合影响,等效节理参数高于节理真实参数。此外,在进行等效连续过程中,为保证等效贯通节理导致的岩体强度凹陷与断续节理作用的方向一致,遍布节理模型中节理走向取值应与断续节理走向呈( － )/2夹角。     

岩体断续节理受压剪荷载的弹塑性分析

运用弹塑性断裂力学的裂纹线场分析方法，将描述岩体材料破坏特性的摩尔－库仑准则，列入求解岩体内节理断裂问题的基本方程中，对节理裂隙在压剪荷载下进行求解，利出了节理线附近的弹塑性区应务场。通过弹塑性场在其边界上的匹配条件，得出了节理线上塑性区长度与压剪荷载的关系，以及节理扩展破坏准则。     

岩石节理剪切强度的J R C2JM C 新模型

 在应用Barton 的J RC2J CS 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S= Rn tan [J R C JM C log10 (J CSöRn) + Ur] 的J RC2JM C 剪切强度准则。J RC2JM C 剪切强度准则考虑了节理表面粗糙度和吻合度的影响。J RC2JM C 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。     

开采沉陷中的岩体节理效应

根据节理受剪破坏和受拉破坏的特点，结合断裂力学，推出了节理岩体的损伤张量，编制了节理损伤有限元程序ＴＷＯＤ，进行了开采沉陷的计算机模拟计算，表明岩体中节理的存在使地表移动量增大，且下沉、水平移动曲线不对称。基于模拟数据，给出了下沉系数及水平移动系数与节理迹长、倾角、密度之间的关系式，为实际应用中考虑节理的影响提供了实用程序和方法。     

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。     

岩体结构面三维粗糙度系数表征新方法

岩体结构面粗糙度系数JRC影响着岩体的变形、破坏以及渗流特性,其数据采集与评价取值问题一直是岩石力学领域的热点和难点。目前研究方法多集中于二维,无法体现JRC的三维特性;即使现有的三维评价方法,也多数仅从几何数据单方面入手,没有考虑JRC的各向异性。鉴于此,提出基于光亮面积百分比BAP的岩体结构面三维粗糙度系数表征新方法。首先,运用三维激光扫描技术,建立岩体结构面三维数字模型;其次,通过模拟虚拟光源,在岩体结构面表面产生光亮与阴影,并生成图片;然后,基于图像分割技术,设置灰度阈值,提取大于灰度阈值的光亮部分面积,并计算岩体结构面的光亮面积百分比;最后,结合R. Tse和D. M. Cruden提出的JRC计算公式,考虑剪切或渗流方向,得出岩体结构面三维粗糙度系数估算公式。以鱼简河水库工程为例,实验结果表明：(1) 在光源照射角度相等的情况下,光亮面积百分比与岩体结构面三维粗糙度系数成正比关系。(2) 通过对比分析,光源照射角度过大(70°～85°)或过小(5°～35°)时,易产生误差,入射角介于35°～70°范围内时为最佳入射角。(3) 基于该工程数据推导出JRC3D与BAP之间的估算公式。通过验证,试样Y10,Y11,Y12根据R. Tse和D. M. Cruden公式所得到的JRC3D分别为16.47,16.81,16.69,根据新估算公式计算的JRC3D分别为17.20,17.40,17.17,具有较好的一致性。     

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.     

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.      

Estimation of the joint roughness coefficient (JRC) of rock joints by vector similarity measures

Bulletin of Engineering Geology and the Environment - Accurate determination of joint roughness coefficient (JRC) of rock joints is essential for evaluating the influence of surface roughness on...     

不同节理粗糙度系数单裂隙渗流特性试验研究

 实际岩石裂隙的裂隙面具有不同的粗糙度,难以满足立方定律的使用条件。根据N. Barton和V. Choubey(1977年)提出的10条节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线,本试验运用数控电火花线切割技术,加工出具有不同节理粗糙度系数(JRC = 0～20)的10个钢模板,制作出10个包含不同JRC值单裂隙的圆柱形水泥试样(直径f 50 mm,高度100 mm),采用RCCP联测系统测试不同JRC值单裂隙在不同应力水平下的渗透性。试验结果表明：(1) 在低应力水平下,JRC值对单裂隙的渗流特性有较大影响;随应力水平的增大,JRC值对单裂隙渗流特性的影响迅速减小;(2) 不同JRC值单裂隙的渗透率与有效应力之间的关系可用负指数函数描述,并表现出明显的非线性特征,低有效应力阶段试样渗透率随有效应力的变化速度大于中高有效应力阶段的变化速度。     

节理面分形模拟及JRC与分维的关系

自然岩石节理表面轮廓线可以看作为分形曲线。用随机分形产生的曲线代替自然节理剖面进行分析,会给研究人员带来极大的方便。根据Hurst指数法模拟节理表面轮廓线,然后分析JRC和码尺法分维D之间的关系,并建议了两项经验公式,拟合精度较高,在实际应用时可根据具体情况选用。     

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。     

岩体节理粗糙度系数与统计参数的相关关系研究

 测定节理粗糙度系数JRC的方法均基于10条标准剖面,其人为误差大,且未考虑采用不同取样长度离散节理剖面对各统计参数与JRC的影响。为避免对10条标准剖面JRC的测量误差,考虑JRC的取值范围及离散节理剖面时不同取样长度的影响,从数值模拟粗糙节理的角度出发,采用截断正态分布随机抽样得出节理凸起高度,由每段的凸起高度及取样长度形成凸起表面,叠加生成具有一定迹长的粗糙节理,根据Barton直边法测量其JRC,计算相应的统计参数,研究不同取样长度下各统计参数与JRC的回归关系。研究结果表明：JRC与均方根RMS和中线均值CLA呈线性关系,JRC与均方值MSV,均方根一阶导数Z2,粗糙剖面系数Rp和结构函数SF之间呈抛物线关系,且相关系数均较高;取样长度对统计参数、JRC及其回归关系式有较大影响,在数值模拟粗糙节理时应使取样长度与岩体粒径相近。由于MSV,RMS和CLA只能反映节理起伏高度的均值状况,不能反映各凸起高度所占权重对JRC的影响,因此,建议采用Z2,SF对JRC进行估算。     

新的岩石节理粗糙度指标研究

首先,基于节理轮廓线提出一个剪切粗糙度指标(SRI),新指标由3个粗糙度参数构成,描述节理平均起伏度、起伏的方向性、起伏分布特点以及粗糙的分形特性,并建立新指标与JRC之间的拟合关系。其次,基于三角形面积单元离散的三维节理面,将剪切粗糙度指标推广到三维形式,从而使得新指标能够描述节理的三维形貌特征。最后,以张拉型花岗岩节理作为算例,计算结果表明新指标能较好地反映节理的各向异性粗糙特性。新指标物理意义明确,计算方便,能够表征节理的主要粗糙特性,为进一步研究岩石节理的剪切力学特性奠定基础,具有重要的理论意义。