岩石结构面Grasselli二维粗糙度指标优化及其JRC估算

采用只考虑迎剪侧表观倾角而忽略内部起伏角的Grasselli二维形貌参数θ_(G)来估算结构面粗糙度系数JRC仍有待改进。从θ_(G)的物理意义出发,发现爬坡区内部凸起高度对粗糙度的贡献可表示为其在总爬坡水平距离上的坡角,所有爬坡区提供的坡角之和定义为结构面内部起伏体粗糙贡献,将结构面迎剪侧表观平均倾角θ_(G)和爬坡区内部平均坡角θ_(H)叠加,提出岩石结构面粗糙度新指标θ_(C)。通过获取十条标准JRC剖面线的θ_(C),分析其与JRC之间的关系,建立基于θ_(C)的JRC估算式。计算不同采样间距和不同采样方向下的新指标θ_(C),结果显示θ_(C)具有分形特征且能够反映结构面形貌各向异性。进一步将JRC估算式应用于JRC-JCS模型,通过对比已有研究得到的试验结果以及不同抗剪强度模型的预测效果,验证基于新指标θ_(C)估算的JRC可以准确预测结构面峰值抗剪强度。最后,对二维指标θ_(C)进行三维拓展,提出三维粗糙度新指标(θ_(C))_(3D),并通过结构面形貌各向异性表征验证了其合理性。

岩石结构面直剪力学特征的颗粒流宏细观分析

目前,由于颗粒尺寸和位置随机分布而产生的粗糙度,导致在模拟过程中出现应力集中现象,从而无法利用PFC2D准确模拟岩石结构面的剪切力学行为。为了避免以上弊端,采用结构面两侧颗粒组接触判别法分别对倾角为20°和30°的三角形单锯齿结构面进行不同法向应力下的直剪模拟。模拟结果与物理试验结果基本吻合,表明此模拟方法可以真实模拟岩石结构面剪切力学行为。为了进一步验证此模拟方法在天然结构面模拟试验中的可行性,利用PFC2D对Barton标准十条节理轮廓线模型进行不同法向应力下的直剪试验,模拟结果与理论值吻合,表明模拟方法具有可行性,为剪切破坏过程和机理分析提供可靠的理论依据,为研究粗糙结构面强度特征提供了一种思路。

岩石结构面力学原型试验相似材料研究

基于岩体结构面抗剪强度机制及相似材料的选择原则和要求,研制以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等原料混合而成的模拟材料,并利用其制得的试样及结构面模型进行大量物理力学试验的对比分析,研究结果表明:相似材料的抗压强度与原岩结构面相近,调整不同混合材料的配合比,相似材料可以覆盖中低强度的岩石类型;利用相似材料及多尺度试样模具可制作与原岩结构面表面形态及起伏度近似一致的模拟结构面;利用模拟结构面代替原岩结构面进行直剪试验,模拟结构面表面的磨损程度、粗糙度系数衰减规律及破坏形式均与原岩结构面相似,且模拟结构面抗剪强度直剪试验结果与理论计算值相差不大;模拟材料具有物理力学性能稳定、制作方便、成本低廉的优点,可代替原岩结构面进行不同尺寸、可重复性的破坏性试验。

岩石结构面注浆加固抗剪特性试验研究

为了研究破裂岩体结构面的注浆加固效果,并揭示其加固实质和作用机制,对单轴压缩试验形成的破裂岩样结构面粗糙度进行了测量与研究;通过破裂岩样结构面注浆加固的剪切试验,分析了注浆对结构面强度和刚度等力学特性参数的影响;通过锯齿形模型化结构面注浆前后剪切试验,分析了锯齿形结构面的力学特性及注浆加固对模型化结构面的影响。研究结果表明,同种岩样压裂后结构面粗糙度系数JRC相近,其数值约为8～10,具有可复制性;注浆后结构面残余强度、剪切峰值强度及上升段斜率均有明显提高;注浆后岩体中结构面的刚度也得到了明显改善;通过理论分析,给出了结构面刚度的理论拟合公式;结构面的剪切峰值强度及残余强度随着锯齿形齿数的增多明显提高,注浆加固后,结构面剪切峰值强度、黏聚力都有不同程度的增大,而内摩擦角变化不大。

系列尺度岩石结构面相似表面模型制作的逆向控制技术研究

制作与原岩结构面相似表面形态的模型试样是开展结构面力学模型试验的关键。基于不同尺度岩石结构面模型试样的制作特点,研制上、下盘完全吻合的系列尺度试样模具,并设计上、下盘吻合结构面试样的制作工艺,使得原岩结构面可以多次重复利用,提高原岩结构面的使用效率,降低取样成本和试验周期,实现在同一块结构面上不同尺度结构面模型的制作。利用表面形态相似性评价技术,验证制作工艺的可行性,结果表明,按照该逆向控制技术设计制作的模型试样,能复制出和原岩结构面表面形态一样、上、下盘结构面吻合度高的模型试样,符合制作不同尺度模型结构面的要求,可克服原岩结构面上下盘吻合度差、不能多种尺度取样的缺点,为开展具有真实表面形态的结构面抗剪强度尺寸效应试验研究提供了条件。

岩石结构面粗糙度系数尺寸效应的推拉试验研究

粗糙度系数是结构面抗剪强度的主要影响因素,然而由于结构面表面形态的复杂性,粗糙度系数尺寸效应研究并未获得较大进展。总结了结构面粗糙度系数的3种获取手段:标准剖面对比法、理论公式法、试验反分析法。在此基础上分析了3种方法在研究粗糙度系数尺寸效应方面存在的问题和困难。为了研究结构面粗糙度系数与试样尺寸的相关度,对中砂、硅粉、水泥、非引气型萘系减水剂等原材料的配比进行了研究,获得了与天然钙质板岩物理力学特性相类似的岩石模型材料,然后采用研发的结构面制作模具及其制备工艺制作了8组共176对具有不同尺寸和表面起伏粗糙程度的结构面,并利用改进的高精度岩石结构面推拉仪对结构面粗糙度系数进行了推拉试验研究和数据统计分析,结果表明:模型结构面粗糙度系数的统计均值随试样尺寸的增加而降低,但特定结构面粗糙度系数的尺寸效应规律需要根据结构面的具体表面形貌进行测试;Barton理论公式计算的结构面粗糙度系数尺寸效应变化规律与推拉试验测试规律总体上一致,但试验值与理论值有差异,且结构面试样尺寸越小,二者的差异就越大;具有特定表面形貌的模型结构面粗糙度系数也有差异,工程大尺寸岩体结构面粗糙度系数需要根据表面形貌和分布特征进行综合判定。

动力扰动作用下多功能岩石结构面剪切试验装置研制与应用研究

动力扰动是导致岩石结构面滑动失稳进而触发地震、岩爆等强动力型地质灾害的重要诱因。为研究动力扰动作用下岩石结构面力学响应及其活化致灾机制,自主研制了动力扰动作用下多功能岩石结构面剪切试验装置。该装置主要包括用于施加准静态荷载、多种法向边界条件、复杂波形宽频率动力扰动荷载(0.5~50 Hz)及宽频剪切速率(0.0001~10 mm/s)的法向和切向加载系统,施加冲击动力扰动荷载的摆锤冲击系统,开展循环往复剪切试验的剪切盒,数据采集和控制系统。通过控制软件编程,可开展不同剪切速率下恒定法向荷载、恒定法向刚度、卸法向荷载、变法向刚度和动态法向荷载条件下岩石结构面单调或循环剪切试验,静载叠加动载剪切试验,速率和应力阶跃试验和摆锤冲击剪切试验等。应用该装置开展了初步的试验研究,验证了试验过程中该装置具有良好的稳定性和准确性。该装置的研发对认识动力扰动作用下岩石结构面的响应特征,深入理解地震、岩爆等强动力型地质灾害的岩石结构面活化失稳触发效应及致灾机制具有重要的科学意义和工程价值。

岩石结构面抗剪强度方向性模拟研究

通过模拟试验对岩石结构面抗剪强度方向性的假设做了验证,证明了具有不对称性的结构面其抗剪强度都会表现出一定的方向性。发现这种抗剪强度方向性与尺码法测得的结构面分形曲线中上升(正坡)步数占总步数的百分比有关,也与结构面表面的最大起伏度有关。

钻孔图像中岩石结构面三维形貌特征及优势抗滑方向研究

岩石结构面形貌特征及其力学性质一直是国内外岩石力学及工程地质领域的重要科学问题。用钻孔图像准确地记录钻孔孔壁信息和原位岩体结构面形貌特征,提出一种钻孔图像结构面轮廓线分析提取方法,开展岩石结构面三维形貌特征及其力学性质的研究。针对钻孔图像中岩石结构面轮廓线的独特性,经过轮廓线信息提取、坐标转换、环状信息分析和采样方式处理等步骤,准确地还原孔内原位岩石结构面形貌特征,再利用各段轮廓线的分形维数描述岩石结构面的粗糙度和各向异性特征,判定岩石结构面的优势抗滑方向和对评估结构面的抗剪强度进行补充说明。结果表明,在钻孔图像中通过分析变换后的结构面轮廓线,能够很好地反映出孔内岩石结构面的三维形貌特征,可以用来解决实际工程应用中岩石结构面优势抗滑方向的判定问题和结构面抗剪强度的估算问题。

岩石结构面尺寸效应的数值仿真研究

从岩石结构面尺寸对岩石强度变化与破坏模式的研究出发,为了全面地研究其影响性,建立了不同裂隙倾角下不同尺度大小的颗粒流数值模型,进行单轴压缩数值试验。结果表明:随着裂隙尺度的增大,岩石的抗压强度有所降低,起裂和达到峰值强度所需的应变更小;随着裂隙夹角的增大,岩石的抗压强度有所增加,但其随尺度变化的敏感度有所降低,同时裂隙尺度对起裂点的影响也越来越小;在本文预制裂隙张开度,单轴压缩作用下,达到岩石峰值强度时裂纹贯通模式受裂隙倾角影响较大。

利用岩石结构面网络模拟计算岩体带宽连通率及岩体强度参数

岩体中存在的结构面对岩体的力学特性有很大的影响,研究岩体的强度参数,必须弄清结构面在岩体中的分布情况,了解结构面对岩体强度的影响程度。岩体结构面的研究起初是靠人工进行现场测量,不仅耗费人力物力,而且获取的数据代表性不强,还略显粗糙。在计算机应用飞速发展的背景下,利用计算机进行结构面网络模拟的方法浮出水面,并成为现在国内外研究结构面的主要方法之一。此方法在众多的科学研究以及工程建筑领域得到了应用,并在应用之中得到了不断的完善和发展,取得了一定的成果。文章在对计算机结构面网络模拟原理分析的基础上,主要讨论了利用结构面网络模拟计算岩体连通率和岩体强度的方法,其中着重研究了带宽投影法的原理及带宽连通率的计算过程,介绍了利用带宽连通率计算岩体强度参数的方法。利用西北某水电站实际研究中应用此方法的工程实例对成果做了评价,成果与实际情况大体相符。对结构面网络模拟方法做了综合评价:简单易行,省时省力,效果良好。

岩石结构面的表面形态特征研究

本文用理论分析和数值模拟方法对具有不同粗糙度和起伏度的岩石结构面的形态特征作了定量研究，着重研究了结构面表面形态参数与基本形态特征参数的关系，并研究了它们的采样效应。得到了一系列在建立表面形态参数与物理量相互关系时对合理选用表面形态参数有重要意义的结果，并可为选取合理的采样间隔和最小采样长度提供依据。

岩石结构面抗剪强度的确定

本文讨论了确定岩石结构面抗剪强度常规方法存在的某些问题,对岩石结构面抗剪强度的合理确定进行了探讨。

依据测井成像资料确定岩石结构面产状

在许多地下工程中,都需要确定岩石结构面的产状。笔者叙述了岩芯定向法、钻探计算法和物探测井或井内电视法三类确定岩石结构面产状的方法及其主要特点,提出了利用立体几何数学方法,依据成像测值、井斜参数确定岩石结构面产状方法,并实现计算机编程计算。理论推导和实验均表明:计算原理正确,具有方法简单、准确的特点。

编程计算确定岩石结构面产状

许多地下工程都需要确定岩石结构面的产状。阐述了确定岩石结构面产状的两类方法:岩心定向方法和直接计算方法的主要特点。依据同种结构岩石中的3点钻孔弯曲参数(顶角、方位角),以及该3点处的岩心参数(岩心直径、高点高度),即可确定岩石的结构面产状,开发了其计算程序;论述了该程序的使用方法和程序计算原理。实测和勘探工作检验证明,采用编程计算法确定的岩石结构面产状参数准确无误,是可行的。编程计算法避免了大量繁杂的人工计算工作,可简单快速地得到计算结果;采用编程计算法得到的都是符合实际情况的单解,从而避免了经常出现的人工计算错误率高的现象。

大型岩石结构面直剪试验模拟材料研究

根据相似原理和岩石结构面直剪试验的要求,选择高强水泥砂浆作为模拟材料。通过严格控制原材料,优选配合比,掺加硅粉和高效减水剂等措施,可以制备出强度达到72Mpa的匀质水泥砂浆来模拟岩石材料,从而解决了大型岩石结构面直剪试验取样困难的问题。

基于颗粒流的模拟岩石结构面细观参数敏感性研究

为确定基于颗粒流软件(PFC5.0)的颗粒流模型敏感性细观参数,利用数值试验,采用控制变量法研究细观参数对模拟岩石结构面各宏观力学参数的影响规律。结果表明:单轴抗压强度与平行黏结抗拉强度之间符合线性函数增长关系,与平行黏结黏聚力之间符合对数函数增长关系,与平行黏结摩擦角未表现出明显的函数关系;弹性模量与平行黏结抗拉强度之间符合线性函数增长关系,与平行黏结黏聚力之间符合对数函数增长关系,与平行黏结摩擦角未表现出明显的函数关系;泊松比与上述3个细观参数之间符合对数函数衰减关系;峰值抗剪强度与光滑节理黏结抗拉强度和光滑节理黏结黏聚力之间表现为线性函数增长关系,与光滑节理摩擦角之间符合对数函数增长关系。

三维结构光扫描技术在岩石结构面粗糙度评价实验教学中的应用

无论是自然发育还是人类活动诱发产生的节理、裂隙等不连续结构面,其形貌结构特征对岩体的强度和稳定性具有重要影响,结构面形貌的定量评价是岩体强度和变形理论分析的基础。分析了三维结构光扫描技术的特点及其在岩石力学试验方面的应用前景。采用三维结构光扫描技术对实验室尺度的岩石结构面进行形貌测量,介绍了扫描数据处理、形貌特征分析和粗糙度评价方法。将上述内容引入到岩石力学实验教学中,不仅可以让学生了解最新科技成果应用于岩石力学实验中的优势,还可以锻炼学生处理和分析数据的能力,实现提高学生实践创新水平的目的。

确定岩石结构面产状方法的研究

阐述了确定岩石结构面产状的重要性；指出了确定岩石结构面产状的分类方法：钻探取芯测斜法、机械标记法、古地磁法和图像法。简要介绍了四种方法，分析了它们的特点、适用条件，有利于合理选用确定岩石结构面产状的方法。

小荷载岩石结构面应力效应直剪仪研制及试验对比分析

常规岩石结构面直剪仪为了达到较大的加载力大多采用液压加载,但由于液压加载力较大以及液压在试验中难以保持较小法向应力的恒定,导致仪器对小荷载岩石结构面直剪试验的精度降低,从而对研究岩石结构面应力效应变化规律有一定不利的影响。基于仪器原理一致性和测试结果可靠性等主要因素,采用机械式杠杆加压原理研制了小荷载岩石结构面直剪仪,新研制直剪仪主要由平台、加载系统、变形测量系统及图像实时显示系统等主要部件组成,不但体积小、经济性好、操作方便、绿色环保、而且周期短及试验精确度高。从仪器设计原理、剪切性能和试验周期等方面对新研制直剪仪和常规直剪仪进行对比分析,并将试验结果与颗粒流数值模拟作比较进行可靠性评价。研究结果表明:新研制直剪仪对小荷载岩石结构面直剪试验有更高的精度;法向应力采用机械式杠杆加压原理,能动态维持法向压力恒定,保证结构面直剪试验数据的可靠性和稳定性;新研制直剪仪较常规直剪仪可缩短试验周期85%左右。