节理粗糙度与分维

岩体节理粗糙度JRC不但是估算节理抗剪强度和变形指标最重要的参数,而且对于研究岩石的剪胀效应和渗流性质等具有重要意义.笔者主要回顾了近年来国内外对岩石节理粗糙度系数(JRC)研究的进展,以及所取得的成果,尤其将分形理论应用于研究岩石节理的粗糙度以后,使得对岩体节理粗糙度的描述取得了一定的发展,并得出了JRC与维数的一系列的关系.     

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。     

节理粗糙度对应力波传播的影响研究

考虑节理吻合程度,分析节理粗糙度对应力波传播和节理岩石力学特性的影响规律。使用分离式霍普金森压杆对预制节理试样进行冲击压缩试验,定性研究节理吻合程度对应力波传播的影响,采用投影覆盖法分析节理面,探究分形维数对应力波传播的影响规律。由劈裂试验获得粗糙节理面试样,2个标准试样组合得到光滑节理面试样。试验中控制子弹速度保证入射波的相同,得到以下结论:光滑节理试样的透射系数和等效刚度与完整试样相比衰减约2.1%,表明光滑完全吻合节理对应力波传播影响不大;节理吻合程度相同时,节理粗糙度越大(分形维数2.088～2.214),应力波穿越节理试样的透射系数和等效刚度越小,其中等效刚度近似呈线性减小,透射系数呈二次曲线减小;节理粗糙度相同(分形维数)时,节理吻合程度越小,节理应力波透射系数和试样等效刚度越小,表明节理吻合程度是应力波传播的重要影响因素。     

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。     

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。     

天然岩石节理双阶粗糙度分形特征研究

为细化三维岩石节理粗糙度的表征、实现一阶大起伏及二阶小凸起的定量分离及量化,首先基于经典的三角棱镜法(triangular-prism method,TPM)将临界网格尺寸及临界波矢量确定为定量分离双阶粗糙度的界限参数。然后采用功率谱密度法(power spectrum density,PSD)分别计算双阶粗糙度表征参数,即一阶大起伏及二阶小凸起的分形维度及均方根粗糙度。以大尺寸天然花岗岩节理面为例计算并研究双阶分形参数的尺寸效应。结果表明:(1)TPM方法普遍适用于分离各尺寸节理面的双阶粗糙度,而临界网格尺寸及临界波矢量值则应视节理面尺寸范围而定;(2) 100 mm×100 mm到1 000 mm×1 000 mm范围内的各尺寸节理面的一阶大起伏和二阶小凸起均具有各自的分形维度及均方根粗糙度;(3)双阶分形维度均具有随机尺寸效应。随着节理面尺寸的增大,一阶大起伏的均方根粗糙度不断增大,二阶小凸起的均方根粗糙度则平稳变化,且一阶大起伏的均方根粗糙度显著大于二阶小凸起的均方根粗糙度。双阶粗糙度的细化表征有助于深入分析结构面剪切过程,为诸如滑移型岩爆等地质灾害的预警提供理论基础。     

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.     

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。     

三维节理岩体分形维数与RQD相关性研究

 应用三维随机不连续面网络模拟技术对岩体结构统计均质区内的不连续面进行计算机模拟,再现岩体结构,并应用分形理论计算三维节理岩体的分形维数。平行于三维节理岩体网络模型的x,y,z轴布置测线,计算不同阈值下三维岩体的岩石质量指标(RQD)。对获取的分形维数与RQD分析表明,三维岩体RQD随分形维数增大而减小,二者具有良好的线性关系。最后,推导三维节理岩体的分形维数与若干个阈值下RQD的关系式,并根据不同阈值下RQD与分形维数关系曲线的斜率确定合理阈值。     

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     

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。     

Anisotropic surface roughness and shear behaviors of rough-walled plaster joints under constant normal load and constant normal stiffness conditions

In this context,we experimentally studied the anisotropic mechanical behaviors of rough-walled plaster joints using a servo-controlled direct shear apparatus under both constant normal load(CNL)and constant normal stiffness(CNS)conditions.The shear-induced variations in the normal displacement,shear stress,normal stress and sheared-off asperity mass are analyzed and correlated with the inclination angle of the critical waviness of joint surfaces.The results show that CNS condition gives rise to a smaller normal displacement due to the larger normal stress during shearing,compared with CNL condition.Under CNL conditions,there is one peak shear stress during shearing,whereas there are no peak shear stress for some cases and two peaks for other cases under CNS conditions depending on the geometry of joint surfaces.The inclination angle of the critical waviness has been verified to be capable of describing the joint surface roughness and anisotropy.The joint surface is more significantly damaged under CNS conditions than that under CNL conditions.With increment of the inclination angle of the critical waviness,both the normal displaceme nt and shea red-off asperity mass increase,following power law functions;yet the coefficient of deternination under CNL conditions is larger than that under CNS conditions.This is because the CNS condition significantly decreases the inclination angle of the critical waviness during shearing due to the larger degree of asperity degradation.     

考虑微凸体变形相互作用的节理闭合变形模型

法向应力作用下节理的闭合变形是工程实践中常见但又未被很好解决的节理力学性质之一。依据弹性接触理论,提出考虑微凸体变形相互作用影响的闭合变形理论模型,该相互作用由一个均布荷载体现。模型采用不同接触下节理的组合形貌参数,适用于含起伏度分量的节理的闭合变形问题。较之于不考虑微凸体变形相互作用影响的Xia模型,新模型的计算值更为接近试验值。     

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...     

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.     

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。